JP5011775B2

JP5011775B2 - 燃料電池型発電装置

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Publication number: JP5011775B2
Application number: JP2006085579A
Authority: JP
Inventors: 俊仁寺田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007265651A; CN101047258B; CN101047258A

Description

本発明は、燃料を改質器で改質することで得られた改質ガスを発電セル（燃料電池本体）で電気化学反応させることで電力を取り出す燃料電池型発電装置に関する。

携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、腕時計、ＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、電子手帳等といった小型電子機器がめざましい進歩・発展を遂げている。上記のような電子機器の電源として、アルカリ乾電池、マンガン乾電池といった一次電池又はニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウムイオン電池といった二次電池が用いられている。ところが、一次電池及び二次電池は、エネルギーの利用効率の観点から検証すると、必ずしもエネルギーの有効利用が図られているとは言えない。そのため、今日では、一次電池及び二次電池の代替えとして、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池を電子機器に応用するために、研究・開発が行われている。燃料電池は水素の電気化学反応により電力を取り出すものであり、水素は貯蔵・取扱いに問題があるので、メタノール等の燃料を貯蔵しておく必要がある。そのような燃料を用いて電力を取り出す燃料電池型発電装置が開発されている（例えば、特許文献１）。そのような燃料電池型発電装置においては、貯蔵した燃料と水から水素を改質器で生成し、その水素を燃料電池に供給し、その水素の電気化学反応により燃料電池で電力を取り出している。
特開２００２−１１７８７４号公報

しかしながら、発電セル（燃料電池本体）から取り出す電力量が定常発電状態から急激に低下した場合、発電セルでの水素ガスの使用量が減少する影響により、発電セル内の流路における圧力損失が大きくなったり、発電セルの下流にある触媒燃焼器等における圧力損失が大きくなったりする。そのため、発電セルの上流にある改質器における圧力が急激に上昇する。このような圧力の急激な上昇によってガスの逆流、ガスの流量の低下等が複合的に発生し、装置全体の動作が不安定になるという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、発電セルが定常発電状態から急に停止し、又は急に降下した場合でも、発電セルの上流にある改質器における圧力が急に上昇することを抑えることを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明では、燃料電池型発電装置が、燃料を改質することで改質ガスを生成する改質器と、前記改質器から送り込まれた改質ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、前記発電セルから排出される未反応の燃料を燃焼して前記改質器を加熱する第１の燃焼器と、前記第１の燃焼器を収容する断熱構造と、前記改質器と前記発電セルとの間に介在し、前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスの圧力が所定値以上となるとその改質ガスを排出するバルブと、前記断熱構造の外に設けられ、前記バルブから排出された改質ガスを燃焼する第２の燃焼器と、前記第１の燃焼器に、前記改質ガスを完全燃焼する量よりも少ない量の空気を供給するとともに、前記第２の燃焼器に、前記改質ガスを完全燃焼するために十分な量の空気を供給する供給制御手段と、を備えるという構成を採った。

上記発明において、好ましくは、前記バルブは前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスの圧力によって機械式に作動するリリーフバルブである。

また、好ましくは、前記燃料電池型発電装置が、前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスの圧力を測定する圧力計と、前記圧力計によって測定された圧力が所定値以上となると、前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスを前記バルブから排出させ、前記圧力計によって測定された圧力が所定値未満となると、前記バルブからの改質ガスの排出を止めるコントローラと、を更に備える。

また、好ましくは、前記発電セルから排出される未反応の燃料を前記第２の燃焼器に排出する制御バルブを更に備える。
前記第２の燃焼器は、前記第１の燃焼器から排出される未燃焼の燃料を燃焼させるための流入路を更に備えるようにしてもよい。
前記第１の燃焼器から排出される未燃焼の燃料を燃焼させる第３の燃焼機を更に備えるようにしてもよい。
前記第３の燃焼器は、前記断熱構造の外に設けられるようにすることが好ましい。
前記第３の燃焼器は前記第２の燃焼器と隣接して設けられ、熱的に接触しているようにすることが好ましい。
前記第２の燃焼器は、排出されるガスを当該燃料電池型発電装置の外部に放出するための放出路を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、改質器から発電セルへ送られる改質ガスの圧力が所定値以上となると、改質器から発電セルへ送られる改質ガスがバルブによって排出されるので、発電セルの上流にある改質器における圧力が急に上昇することを抑えることができる。そのため、燃料電池型発電装置のガスの流れが安定し、装置全体の動作も安定する。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１実施形態における燃料電池型発電装置１のブロック図であり、図２は、燃料電池型発電装置１の概略断面図である。この燃料電池型発電装置１は、カートリッジ２、ポンプ３、蒸発器４、改質器５、一酸化炭素除去器６、リリーフバルブ７、発電セル（燃料電池本体）８、触媒燃焼器９及び触媒燃焼器１０を備える。この燃料電池型発電装置１はノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった電子機器に搭載されている。ポンプ３、蒸発器４、改質器５、一酸化炭素除去器６、リリーフバルブ７、発電セル８、触媒燃焼器９及び触媒燃焼器１０が電子機器本体に内蔵され、カートリッジ２が電子機器本体に対して着脱可能とされ、カートリッジ２が電子機器本体に装着されるとカートリッジ２とポンプ３が接続される。

カートリッジ２には、液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水が混合した状態又は別々に貯留されている。

ポンプ３は、カートリッジ２内の液体燃料と水を吸引して、液体燃料と水の混合液を蒸発器４に送液するものである。

蒸発器４には電熱材からなる電気ヒータ４１が設けられている。電気ヒータ４１は、電気抵抗値が温度に依存するものであり、温度センサとしても機能する。ポンプ３から蒸発器４に送られた混合液は電気ヒータ４１の熱や触媒燃焼器９の熱により蒸発される。蒸発器４で気化した混合気は改質器５へ送られる。

改質器５には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ５１が設けられている。改質器５の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。蒸発器４から改質器５に送られた混合気は、改質器５の流路を流れ、電気ヒータ５１や触媒燃焼器９により加熱されて、触媒により反応を起こす。燃料と水の触媒反応によって水素、二酸化炭素（及び、後述の副生成物である微量な一酸化炭素等）が生成される。なお、燃料がメタノールの場合、改質器５では主に次式（１）に示すような反応が起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）

一酸化炭素は化学反応式（１）についで逐次的に起こる次式（２）のような式によって微量に副生される。
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）
改質器５で生成された改質ガスは一酸化炭素除去器６へ送られる。更に、外部の空気が一酸化炭素除去器６へ送られる。一酸化炭素除去器６には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ６１が設けられている。一酸化炭素除去器６の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。改質器５から一酸化炭素除去器６に送られた改質ガスが空気と混合して一酸化炭素除去器６の流路を流れ、電気ヒータ６１や触媒燃焼器９により加熱される。
そして、改質ガスのうち一酸化炭素が触媒により次式（３）のように優先的に酸化される。これにより二酸化炭素が生成され、改質ガスから一酸化炭素が除去される。例えば、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ以下になる。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

上記蒸発器４、改質器５及び一酸化炭素除去器６は箱状の断熱構造２０内に収容されている。断熱構造２０内の気圧は真空圧（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれている。

発電セル８は、電解質膜８２と、電解質膜８２の一方の面に接合された燃料極膜８１と、電解質膜８２の他方の面に接合された酸素極膜８３と、燃料極膜８１に接合してその接合面に流路を形成した燃料極セパレータ８５と、酸素極膜８３に接合してその接合面に流路を形成した酸素極セパレータ８６とを備える。電解質膜８２、燃料極膜８１、酸素極膜８３を接合したものが膜電極接合体８４である。

一酸化炭素除去器６から排出された改質ガスは配管７１を通って発電セル８の燃料極セパレータ８５の流路に送られる。もう一方の酸素極セパレータ８６の流路には空気が送られる。そして、燃料極膜８１に供給された改質ガス中の水素が、酸素極膜８３を介して、酸素極膜８３に供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、燃料極膜８１と酸素極膜８３との間で電力が生じる。なお、電解質膜８２が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極膜８１では次式（４）のような反応が起き、燃料極膜８１で生成された水素イオンが電解質膜８２を透過し、酸素極膜８３では次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

燃料極膜８１と酸素極膜８３は負荷（例えば、モータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、二次電池等）に接続され、発電セル８で取り出された電力により負荷が動作する。

燃料極セパレータ８５の流路を通過した改質ガスには、未反応の水素も含まれている。例えば、発電セル８が定常発電状態で動作している場合、水素の消費率を８０％で行うとすると、２０％の未反応の水素が残る。そして、燃料極セパレータ８５の流路を通過して排出された排改質ガスは、触媒燃焼器９に供給される。更に、外部の空気が触媒燃焼器９に供給される。

触媒燃焼器９には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ９１が設けられている。触媒燃焼器９の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。燃料極セパレータ８５から触媒燃焼器９に送られた排改質ガスが空気と混合して触媒燃焼器９の流路を流れ、電気ヒータ９１により加熱される。触媒燃焼器９の流路を流れている混合気のうち水素が触媒により燃焼し、これにより燃焼熱が発する。この触媒燃焼器９が断熱構造２０内に収容され、触媒燃焼器９で発生した燃焼熱は蒸発器４における蒸発、改質器５における改質反応、一酸化炭素除去器６における選択酸化反応に用いられる。また、断熱構造２０内では、蒸発器４、改質器５、一酸化炭素除去器６及び触媒燃焼器９が熱伝導材２１に接するように搭載され、触媒燃焼器９の燃焼熱が熱伝導材２１によって蒸発器４、改質器５、一酸化炭素除去器６に伝導する。また、触媒燃焼器９に供給される空気の量は断熱構造２０内の温度によって調整され、そのため、触媒燃焼器９では水素が完全燃焼するわけではなく、微量の水素が残る。

触媒燃焼器９から触媒燃焼器１０に微量の水素が残っている混合気が供給され、更に外部の空気が触媒燃焼器１０に供給される。触媒燃焼器１０には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ１１が設けられている。触媒燃焼器１０の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。また、この触媒燃焼器１０は、断熱構造２０の外にある。

触媒燃焼器９から触媒燃焼器１０に送られた混合気が空気と混合して触媒燃焼器１０の流路を流れ、電気ヒータ１１により加熱される。触媒燃焼器１０の流路を流れている混合気のうち水素が触媒により燃焼する。これにより、触媒燃焼器９から送られてきた混合気中に含まれる微量な水素が除去され、触媒燃焼器１０の流路を流れた混合気は外部に放出される。そのため、外部に排出される混合気は不燃性ガスとなる。触媒燃焼器１０で水素が完全燃焼するために、十分な量の空気が触媒燃焼器１０に供給される。

一酸化炭素除去器６と発電セル８の燃料極との間の配管７１にはリリーフバルブ７が設けられている。このリリーフバルブ７は、一酸化炭素除去器６から発電セル８へと配管７１を流れる改質ガスの圧力が所定値（例えば、１０ｋＰａ）以上になったら開弁し、配管７１内の改質ガスを逃すものである。

図３は、リリーフバルブ７の一例を示したものである。図３に示すように、配管７１にはオリフィス７２が形成され、配管７１の外周面であってオリフィス７２の周囲には弁座７３が形成されている。また、配管７１の外側にはハウジング７４が設けられ、ハウジング７４によってオリフィス７２の周囲に空間７５が形成されている。ハウジング７４にはシャフト７６が設けられ、シャフト７６がハウジング７４の内側に突出し、シャフト７６がハウジング７４に対してその軸線方向に移動可能に設けられている。シャフト７６の先端には弁体７７が取り付けられ、シャフト７６にはスプリング７８が巻装されている。スプリング７８によって弁体７７が弁座７３に向けて付勢されている。空間７５は、図１に示すような配管７９によって触媒燃焼器１０に通じている。

このような機械式の受動的なリリーフバルブ７においては、配管７１を流れる改質ガスの圧力が所定値未満である場合には、スプリング７８の弾性力によって弁体７７が弁座７３に押し当てられ、弁体７７によってオリフィス７２が閉塞されている。一方、配管７１を流れる改質ガスの圧力が所定値以上になると、その圧力によって弁体７７がスプリング７８の弾性力に抗して弁座７３から離れる。そのため、オリフィス７２が開放され、配管７１内の改質ガスが空間７５へ流れ、更に配管７９によって触媒燃焼器１０へと流れ込む。触媒燃焼器１０では、リリーフバルブ７から流れてきた微量な水素を含む混合気のうちの水素が燃焼される。

以上のように発電セル８が定常発電状態から急に停止したり、負荷変動により急に出力が降下したりすると、リリーフバルブ７が開弁することで、発電セル８の上流にある一酸化炭素除去器６、改質器５、蒸発器４における圧力が急に上昇することが抑えられる。そのため、燃料電池型発電装置１のガスの流れが安定し、装置全体の動作も安定する。

また、リリーフバルブ７から排出された改質ガスの余剰分は触媒燃焼器１０に送られ、改質ガス中の水素が触媒燃焼器１０で燃焼されるので、燃料電池型発電装置１から排出されるガス、つまり、触媒燃焼器１０から排出されるガスは不燃性ガスとなる。そのため、燃料電池型発電装置１の安全性も確保することができる。

〔第２の実施の形態〕
図４は、第２実施形態における燃料電池型発電装置１０１のブロック図である。この燃料電池型発電装置１０１は、第１実施形態の燃料電池型発電装置１の各構成要素に加えて、触媒燃焼器１１０を具備する。この触媒燃焼器１１０には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ１１１が設けられ、触媒燃焼器１１０の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。また、この触媒燃焼器１１０は、断熱構造２０の外にある。

配管７９は触媒燃焼器１０に接続されているのではなく、触媒燃焼器１１０に接続されている。そのため、配管７１に流れる改質ガスの圧力が所定値以上になってリリーフバルブ７が開弁すると、改質ガスの余剰分がリリーフバルブ７から触媒燃焼器１１０に流れる。そして、外部から触媒燃焼器１１０に供給された空気中の酸素と、リリーフバルブ７から触媒燃焼器１１０に供給された改質ガス中の水素とが反応して、水素が除去される。

このような構成とすれば、触媒燃焼器１１０を別途設けているので、リリーフバルブ７が開き改質ガスが流れてきた際の触媒燃焼器１０での圧損変動を抑えることができる。
また、触媒燃焼器１１０は触媒燃焼器１０と隣接して設けられ、熱的に接触しているので触媒燃焼器１０の電気ヒータ１１の熱を利用して、常に無駄なく触媒燃焼可能な温度に保つことが可能である。このため、リリーフバルブ７が開き改質ガスが流れてきた瞬間から触媒燃焼が開始されるようになっている。また、図４では、電気ヒータ１１１を電気ヒータ１１と別体としたが、電気ヒータ１１１と電気ヒータ１１をひとつの電気ヒータで兼用しても良い。

〔第３の実施の形態〕
図５は、第３実施形態における燃料電池型発電装置２０１のブロック図である。この燃料電池型発電装置２０１は、第２実施形態の燃料電池型発電装置１０１から触媒燃焼器１０を取り外したものである。

〔第４の実施の形態〕
図６は、第４実施形態における燃料電池型発電装置３０１のブロック図である。この燃料電池型発電装置３０１においては、第１実施形態の燃料電池型発電装置１の各構成要素を有する。但し、配管７９は触媒燃焼器１０に接続されているのではなく、触媒燃焼器９に接続されている。そのため、配管７１に流れる改質ガスの圧力が所定値以上になってリリーフバルブ７が開弁すると、改質ガスの余剰分がリリーフバルブ７から触媒燃焼器９に流れる。

〔第５の実施の形態〕
図７は、第５実施形態における燃料電池型発電装置４０１のブロック図である。この燃料電池型発電装置４０１は、第３実施形態の燃料電池型発電装置２０１の各構成要素に加えて、制御バルブ４１０を具備する。この制御バルブ４１０は、発電セル８の燃料極と触媒燃焼器１１０との間の流路に設けられている。発電セル８の燃料極から排出された排改質ガスが分岐して制御バルブ４１０を通って触媒燃焼器１１０に供給され、その排改質ガスの流量が制御バルブ４１０によって制御される。熱源に利用する排改質ガスの一部を触媒燃焼器１１０で燃焼させるようにでき、改質温度調整の自由度をあげている。

〔第６の実施の形態〕
図８は、第６実施形態における燃料電池型発電装置５０１のブロック図である。この燃料電池型発電装置５０１は、機械式の受動的なリリーフバルブ７の代わりに、電気信号によって開閉を行う電気制御式の能動的なバルブ５７０を具備する。このバルブ５７０は、開弁することによって配管７１から配管７９への改質ガスの流れを許容し、閉弁することによって配管７１から配管７９への改質ガスの流れを阻止するものである。

更に、この燃料電池型発電装置５０１は、圧力計５７１と、コントローラ５７２とを具備する。圧力計５７１は、配管７１に流れる改質ガスの圧力を測定し、測定圧力を電気信号に変換するものである。圧力計５７１の測定圧力は電気信号としてコントローラ５７２に送られる。コントローラ５７２は、圧力計５７１の測定圧力を所定値と比較する機能と、比較の結果、圧力計５７１から転送された測定圧力が所定値以上である場合にバルブ５７０を開く機能と、圧力計５７１から転送された測定圧力が所定値未満である場合にはバルブ５７０を閉じる機能とを有する。この燃料電池型発電装置５０１のその他の構成要素については、第１実施形態の燃料電池型発電装置１の構成要素と同じである。

発電セル８が定常発電状態で動作していると、圧力計５７１の測定圧力が所定値未満であるので、コントローラ５７２がバルブ５７０を閉じる。一方、発電セル８が定常発電状態から急に停止したり、負荷変動により急に出力が降下したりすると、圧力計５７１の測定圧力が所定値以上となるので、コントローラ５７２によってバルブ５７０が開き、配管７１に流れる改質ガスのうち余剰分が触媒燃焼器１０に流れる。
このような構成とすることで、開閉の圧力閾値、開閉度等を自由に変えることができるようになる。

なお、図４に示された燃料電池型発電装置１０１、図５に示された燃料電池型発電装置２０１、図６に示された燃料電池型発電装置３０１、図７に示された燃料電池型発電装置４０１についても、リリーフバルブ７の代わりに、バルブ５７０と同様な電気制御式バルブを設け、コントローラ５７２と同様にコントローラがその電気制御式バルブを制御しても良い。

また、リリーフバルブ７やバルブ５７０を一酸化炭素除去器６と発電セル８との間に設けたが、改質器５と発電セル８との間であればどこでも良い。例えば、改質器５と一酸化炭素除去器６の間にリリーフバルブ７やバルブ５７０を設けても良い。

第１実施形態の燃料電池型発電装置のブロック図である。第１実施形態の燃料電池型発電装置の断面図である。上記燃料電池型発電装置に用いられたリリーフバルブを示した図面である。第２実施形態の燃料電池型発電装置のブロック図である。第３実施形態の燃料電池型発電装置のブロック図である。第４実施形態の燃料電池型発電装置のブロック図である。第５実施形態の燃料電池型発電装置のブロック図である。第６実施形態の燃料電池型発電装置のブロック図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１燃料電池型発電装置
５改質器
６一酸化炭素除去器
７リリーフバルブ
８発電セル（燃料電池本体）
９、１０、１１０触媒燃焼器
５７０バルブ
５７１圧力計
５７２コントローラ

Claims

燃料を改質することで改質ガスを生成する改質器と、
前記改質器から送り込まれた改質ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
前記発電セルから排出される未反応の燃料を燃焼して前記改質器を加熱する第１の燃焼器と、
前記第１の燃焼器を収容する断熱構造と、
前記改質器と前記発電セルとの間に介在し、前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスの圧力が所定値以上となるとその改質ガスを排出するバルブと、
前記断熱構造の外に設けられ、前記バルブから排出された改質ガスを燃焼する第２の燃焼器と、
前記第１の燃焼器に、前記改質ガスを完全燃焼する量よりも少ない量の空気を供給するとともに、前記第２の燃焼器に、前記改質ガスを完全燃焼するために十分な量の空気を供給する供給制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池型発電装置。
前記バルブは前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスの圧力によって機械式に作動するリリーフバルブであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池型発電装置。
前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスの圧力を測定する圧力計と、
前記圧力計によって測定された圧力が所定値以上となると、前記改質器から前記発電セルへ送られる改質ガスを前記バルブから排出させ、前記圧力計によって測定された圧力が所定値未満となると、前記バルブからの改質ガスの排出を止めるコントローラと、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池型発電装置。
前記発電セルから排出される未反応の燃料を前記第２の燃焼器に排出する制御バルブを更に備えることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池型発電装置。
前記第２の燃焼器は、前記第１の燃焼器から排出される未燃焼の燃料を燃焼させるための流入路を更に備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池型発電装置。
前記第１の燃焼器から排出される未燃焼の燃料を燃焼させる第３の燃焼機を更に備えることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池型発電装置。
前記第３の燃焼器は、前記断熱構造の外に設けられることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池型発電装置。
前記第３の燃焼器は前記第２の燃焼器と隣接して設けられ、熱的に接触していることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池型発電装置。
前記第２の燃焼器は、排出されるガスを当該燃料電池型発電装置の外部に放出するための放出路を備えることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の燃料電池型発電装置。