JPH03252062A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、メタノールなどのアルコール類を原燃料と
する燃料電池発電装置装置、ことに負荷１［Ｒの急増、
急減に対する即応性に優れ九気化器ゲ備えた燃料電池発
電装置に関する。

〔従来の技術〕

メタノール改質装置全備えた燃料電池発電装置は、燃料
改質温度が２００℃から５００℃と比載的低く、かつ安
価な銅系触媒を使用して改質装ｒｋ全小型に形成でき、
燃料電池で高い発電効率が得られるなど、数々の特長？
有するために、新しい発電装置として移動用電源、離島
用′ル源金はじダ）種々の分野−＼の用途の拡大が図ら
れている。ところで、ｅ科逼池発１装置の用途の拡大を
τ′当って解決しなけれｌｆならない１要課題とし１、
−・島の熱交換器である原料気化器およびｅ科改質器の
負ｑｒ速応性を高める仁とが、発電装＃をコ２、・・ぐ
クト化。

低コスト化する要求と併せて電伽規され゛（いる６第７
図は従来（１）燃料電池発電装置のｑ賂システム構成図
である。図において、原料タンク１は所定濃度のメタ・
′−ル水溶液全液体京副とし−Ｃ貯えており、原別ボン
ゾ２で液体原糊・を・原料気化浮石に送り、加熱するこ
、！：１７　＝ｑって所定の水添比奮有する原料ガｘ　
３　Ｇ　ｉ１５；　％　ＱＶ、　ｆ為、　ｉ氏１ｉ＋ｔ
Ｉ：＊　”、　Ｇｔｄｙ％蒸気改質器（以下改質器と略
称する）４の改質触媒Ｗ５に送られて２００℃から３０
０℃に加熱された改質触媒と接触することにより水素リ
ッチな燃料ガス５Ｇに変換ぜれる。

燃料電池１０は電解質とじての例えばりん酸を保持した
マトリックス１５を挟んで空気側１１および燃料電極１
２が配され之単電池の積層体からなり、ファ７７ｋによ
り空気室９を介して空気電極１１に反応空気全速り、ま
た燃料ガス５Ｇを燃料室８を介して燃料を極１２に送る
ことによって発電が行われる。燃料′を池１０の発電電
力は例えば電力変換装置１８で交流電力に変換され、外
部負荷１９に供給される。

燃料電池１０で発電反応に寄与した燃料ガス５Ｇのオフ
ガス８ＧＦｉ改質器４のバーナ６に送られ、オフガス中
の水素がファン７Ｂから供給される支燃空気と反応して
燃焼することにより、原料ガス３Ｇの水蒸気改質に必要
な反応熱の熱源として利用石れる。ま念、発熱反応であ
る発電反応によっで燃料側１０に発生した生成熱は、液
冷式冷却板１４に熱媒液ボンダ１５によって環流する熱
媒体１４Ｌによって冷却され、熱媒体温度調節用の熱交
換器１７にファン７Ｃから送られる冷却空気によって熱
媒体の塩度を調節することにょシ、燃料！池１０はその
作動濃度である例え１ば１００℃に保持される。また、
１２０℃から１８０℃の温度を有する熱媒体１４Ｌは原
料気化器５を通って循環して熱交換され、熱媒体の持つ
熱エネルギーが液体ぶ料１Ｌの気化熱として利用される
。なお、熱交換器１７は加熱ヒータ？備え、燃翠１庵池
発電装置を始動する際、原料気化器および燃料電池を所
定塩度に予熱する加熱源としても利用される。

第８図および第９図は従来の異なる原料気化器の模式化
した構造図であシ、第８図は１２０ｔ：ないし１８０℃
の冷媒液が環流する筺体３５内に液体原料１Ｌの気化管
３２を設けたいわゆる蛇管式熱交換器である。また、第
９図は複数のグレート３４が多数のフィン３５によって
相互に連結されて、１２０℃ないし１８０℃の熱媒体１
４．Ｌと液体燃料１Ｌがプレート３４を介して互いに直
交流全形成する、ｂわゆるグレートフィン型熱交換器と
して構成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の燃料電池発電装置におい１、燃料電池１０および
電力変化装置＋ｉｎｓは外部負荷１９が要求する出力電
流工の変化に対してその軒答＠囲も広く、かつその応答
速度も迷いｔＳ１熱交換器である原料気化器３および改
質器４は負荷の変動に対する応＠速度が遅く、シたがっ
て予測できなり負荷変動に迅速に追従して燃料を池に供
給する燃料ガス量を増減する制御？行うことが困難であ
ることが多い。ことに、負荷電流■が急＃に増大しこれ
に対応して燃料電池が消費する燃料ガス５Ｇの量が急増
すると、気化器３での原料ガス３Ｇの生成速度がこれに
追いつかず、改質器４での燃料ガス５Ｇの生成量が不足
するため、これが原因で燃料電池１０がガス欠となシ正
常な発電を維持できなくなるばか−りか、バーナ、５に
供給されるオフガス８Ｇ中に水素濃度が低下して改質に
必要な反応熱の供給が不足することにより、改質器４に
おける改質速度がさらに低下するという恣＠環が発生す
る。

そこで、従来の燃料電池発電装置と負荷変動の大きい外
部負荷回路の電源装置Ｋｄ用する場合には、燃料を池の
水素消費率をあらかじめ低く設定して負荷の急増に備え
る対策、あるいは改質ａ４の出力側に燃料ガス５Ｇを貯
ｉ！、するバッファタンク１６を設け、負荷急増に際し
てバッファタンク１６に貯蔵した燃料ガスを放出して負
荷応答性を高める対策、さらに／ｉ燃料電池１０の出力
側に補助バッテリー２１を設けや負荷急増に際してはバ
ッテリー２１に蓄積した電気エネルギーを放電して負荷
応答性を改善する対策などが知られている。

しかしながら、水素消費率を抑さえる対策では余分に原
料を改質するので気化器および改質器が大型化するとと
もに、プラント全体としての効率が低下する。また、バ
ッファタンクを設ける対策または補助バッテリーを設け
る方式では、負荷の変動の大きさとその発生頻度とに比
例し比容量のバッファタンク１６または補助バッテリー
２１を必要とするために、ことに負荷の変動が大きく、
かつ軽量化、小型化が求められる移動用電源装置への適
用範囲の拡大が著しく阻害されるとともに、離島用電源
装置においてもその低コスト化が阻害されるという問題
が発生する。

一方、蛇管式熱変換器からなる従来の原料気化器におい
て原料ガス３Ｇの生成量を増そうとすると、気化管３２
の径または長さを増して伝熱面積を拡張するか、あるい
は気化管３２の並列数を増す必要があり、いずれの場合
にも気化器３の大型化や構造の複雑化を招くという問題
がある。また、プレートフィン型熱交換器からなる気化
器３に下向きに液体原料１Ｌを供給した場合には第１０
図にその状態を示すように、液体原料の供給量が急増す
ると未気化状態の液滴１Ｔがプレート５４に付層して熱
交換面に液膜を形成したり、あるｈは気化器６の底部に
液体原料がたまり、気化した原料ガス３Ｇの出口を塞ぐ
ために、改質器４に供給される原料ガス３Ｇに脈動が発
生する。また１気化器の底部から液体原料を供給した場
合には第１１図に示すように、液体原料１Ｌの供給量を
急増すると改質器３の底部に深さｄなる液溜りが生じて
気化器３の有効高さＢが減少するとともに、液溜り部分
の液体原料の温度が低下するので、その温度が原料１Ｌ
の沸点に回復するまでの間十分な量の気化が行われなく
なるため、原料ガス３Ｇを負荷の急増に追従して増加す
ることが困難になるという問題が発生する。

この発明の目的は、負荷の急増に即応して原料ガスを供
給できる気化器を備え、したがってバク７アタンクや補
助バッテリーを用いずに負荷応答性を改善できる燃料電
池発電装置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、所定量
の水が混合されたアルコール系の液体原料の気化器と、
気化し念Ｗｔ科ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する
改質器と、この改質器で生成した燃料ガスと反応空気と
を受けて発電する燃料電池とを含む本のにおいて、前記
液体ＦＡ料の噴霧ノズルを有する補助気化器を備えてな
るものとし、必要に応じて原料気化器が吐出量が互いに
異なる複数の噴霧ノズルを備え、燃料電池の負荷増加率
に対応して前記噴霧ノズルを選択してオン・オフ制御す
るよう形成されてなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、液体原料の噴霧ノズルを有す
る気化器を設けたことくより、負荷の急増を検知して供
給量が増加した液体原料は噴霧ノズルで霧化した状態で
気化器の伝熱面全体に拡散し念状態で接触することにな
夛、伝熱面積を有効に利用して原料ガスを効率よく生成
することができるので、負荷の急増に速応して改質器へ
の原料ガスの供給を遅滞なく増量することができる。

また、吐出量が互いに異なる噴霧ノズルを複数個設け、
負荷の増加率に対応して噴霧ノズルを選択してオン・オ
フ制御するよう構成すれば、負荷の増加率に速応した急
峻な立ち上りでぶ料ガスを適量制御できるので、負荷応
答性が一層優れた発電システムが得られるとともに、液
滴や液溜シを生ずることなく液体原料を霧化できるので
、気化器の伝熱面積全有効に利用して原料供給量の無駄
が少く、シたがって気化効率の高い気化器を得ることが
でき、これに伴って改質器の改質０率も陶土するので、
バッファタンクや補助バッテリーを必要とせずに負荷急
増に即応できる発電機能が得られる。

〔実ｗＩ例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置を示
すシステム構成図であ夛、以下従来の装置と同じ部分に
は同一参照符号を付して詳細な説明を省略する１図にお
いて、補助気化器２３は液体原料１Ｌの噴霧ノズル２４
を１個備えておシ、噴霧ノズル２４は補助原料ボンダ２
２を介して原料メンタ１に連結され、９霧ノズル２４で
霧化した原料は１２０℃ないし１８０℃の熱媒体液１４
Ｌを熱源とする気化管２５Ｈの伝熱面忙拡散した状態で
接触して原料ガス２３Ｇとなシ、主原料気化器３の出口
側で主気化器３からの原料ガス３Ｇと合流して改質器４
の改質触媒管５に供給される。

また、二つの気化器６および２５に液体原料を供給スる
原料ポンプ２および補助原料ポンプ２２は負荷電光重０
の検出器２５の検出信号を受けて動作する制御部２６の
出力制御信号２６Ｍおよび２６Ｓによって制御される。

すなわち、原料ポンプ２はその吐出量が負荷電光重ｏの
大きさに比例しで連続的に制御され、補助原料ポンプ２
２＃′ｉ負荷電流Ｉｏの増加率が所定レベルを超えたと
き所定時間駆動するよう構成される。

第２図は実施例になる燃料電池発電装置の負荷急増時に
おける動作を示すタイムチャー・トであり、軽負荷で運
転中の発電装置の負荷電光重０が時刻ｔ、からｔ３　に
かけて急増したと仮定する。軽負荷状級では制御部２６
が発する制御信号２６Ｍに基づいて原料ポンプ２の吐出
量が制御され、負荷電力の緩やかな変化に対応した量の
原料ガス′５Ｇが改質器４に供給され、生成し次燃料ガ
ス５Ｇと反応空気とによって燃料ＩＥ池１０の発電運転
が持続されるい負荷電光重０がｔｌ　時点で急増すると
、これを１１Ｌ流検出器２５で検知し念制御部２６が補
助原料ボンダ２２ｆ所足ｆＥ＃間（時刻１＋からｔ２ま
で）駆動する制御信号２５Ｈを出力するとともに、原料
ボンダ２の吐出量全時刻ｔ１からｔ２にがけてゆるやか
に増力口する制御信号２３Ｍを出力する。

補助原料ポンプ２２の駆動によって噴霧ノズルで霧化さ
れた原料ミストは、予熱され念気化管２３Ｈの熱交換面
と接触して遅滞なく気化して原料ガス２３Ｇとなシ、徐
々に増力口する原料気化器３で生成した原料ガス３Ｇと
合流するので、改質器４に供給される原料ガス量は３Ｇ
と２３Ｇとの和の量となり、図に示すように時刻ｔ１か
らｔ、にかけで所要ガス量を超過した状態となり、これ
に伴なって改質器４で生成する燃料ガス５Ｇの量も最小
の遅れ時間を保持して増加する。

一方、燃料電池１０は上記最小の遅れ時間に相応する期
間燃料室８を含む燃料供給系の燃料ガス５Ｇの水素消費
率を高めることによって発電量を増し負荷電光重Ｏの、
急増を維持するよう動作することになるが、燃料ガス５
Ｇの供給が早く立ち上ることによっていわゆるガス欠を
生ずることなく発電運転を維持できるとともに、水素消
費″４が一時的に高まることによって低下するオフガス
８Ｇ中の水素ａ度も、ｔｌからｔｌ　にかけて過剰に生
成する燃料ガスによって補償され、これに伴なってバー
ナ６ＶＣよって改質管５に供給する改質反応熱も補償さ
れるので、燃料電池１０の出力電光重ｆｃ　を負荷電流
Ｉｏの急増に速応して増加させることができる。また、
原料気化器３が生成する原料ガス３Ｇが増７７０後の負
荷電流Ｉｏに見合う量に達する３３時点で補助原料ボン
ダ２２を停止させ、その後のゆるやかな負荷変動は原料
ポンプ２の吐出量を制御することにより安定した発電運
転を行うことができる。

なお、ＩＩ科気化器３の気化能力を損わないで増厘でき
る液体原料の供給量および原料ガス３Ｇの増加に要する
時間はあらかじめ予測できるので、これに基づいて補助
原料ボンダの駆動時間をタイマーリレー等を用いて設足
すれば、液体原料の無駄な消費？抑さえて効率よく発電
量を急増させることができる。

第３図および第４図は実施例における補助気化器の互い
に異なる構造を一部破砕して示す概略斜視図であり、第
３図は熱媒慴４３中に噴霧管４１と、これ全内包する気
化管４２とを設け、気化管４２の外側を熱媒液１４ＬＫ
よって所定温度に加熱した状態で、噴霧管４１で液体原
料１Ｌを霧化して気化管４２の内面に吹き付け、原料ガ
ス２３Ｇを生成するよう構成されており、気化管４２の
内側ま念は外側にフィンを設けて熱交換面積を増せば、
効率よく液体原料を気化することができる。

ま九、第４図はプレート３４およびフィン５５からなる
グレートフィン型熱交換器の上部に噴霧ノズル２４′ｆ
：設けて補助気化器２５としたものであり、霧化した液
体原料ミストが熱交換面全体に広がって気化するので、
熱交換面が液体原料の液層で覆われ之り、底部に液だま
りができるなど気化効率を阻害する状態を生じ難いので
、負荷の急増に対応して原料ガス２３　Ｇを効率よく生
成することができるつ 第５図はこの発明の異なる実施例と示すシステム構成図
であり、補助気化器２３の噴霧ノズル２４を電磁弁４４
を介してサイフオン式の補助原料タンク４２の底部に連
通させ、液体原料の液面上Ｋ、減圧＊４３ｅ介して不活
性ガスボンベ４１から圧力を加えるよ５構成した点か前
述の実施例き異なっており、制御部２６からの制御信号
２６Ｂによって電磁弁４４を開けば、加圧された液体原
料がｒｇｔ霧ノズル２４に供給されて液体原料を霧化き
せるので、ポンプ方式に比べて応答の速い補助気化器を
得ることができ、し九がって負荷の急増に遅滞な（応答
することができる。

第６図はこの発明の他の実施例を示す概略システム構成
図であり、改質器４に原料ガス３Ｇを供給する気化器は
霧化量の小さい噴霧ノズル５４Ａおよび霧化量の大きｂ
噴霧ノズル５４Ｂを備え次−つの原料気化器５３で構成
されており、二つの噴霧ノズル５４Ａおよび５４Ｂはそ
れぞれ電磁弁５５Ａおよび５５Ｂを介して原料ポンプ５
２に連結され、制御部５６が負荷の変化率全電流検出器
２５で検知して発する制御信号５６８により電磁弁５５
Ａ、５５Ｂがオン・オフ制御されることによシ、気化管
５３Ｈに吹き付けられる原料ミストの量が３段階に制御
される。なお、噴霧ノズルの数は２個に限定されるもの
ではな（、ノズル数を多くすることによって制御できる
に化量のステップ数を多段化することができる。また、
必要に応じて原料ポンプ５２の吐出量を制御するよう構
成してもよい。

この実施例においては、制御部５６が負荷電流の変化率
に対応して発する制御信号５６Ｓによってオン・オフ制
御される複数の電磁弁５５Ａ、５５Ｂ等の組み合わせを
変えることができ、したかって複数のａＳノズル全体と
しての霧化量が負荷の変化率に対応して段階的かつ瞬時
に変化するごとになるので、噴霧ノズル数を増すこと釦
よって一つの原料気化器で原料ガス３Ｇの発生量を負荷
の変動に速応して最適制御することが可能にな仄バッフ
ァタンクや補助バッテリーを必要としないことと併せて
負荷応答性の優れた燃料′Ｉｔ池発電装置を小型、軽量
、かつ安価に形成することができる。

〔発明の効果〕

この発明の燃料電池発電装置は前述のように、アルコー
ル系液体原料の噴霧ノズルを有する気化器を設け、燃料
電池の負荷急増時に改質器に供給する原料ガス量を増大
させるよう構成した。その結果、霧化した原料く°スト
が所定ｍ度ｆＣ加熱された熱父換面全体に広がって急速
に気化するので、従来の蛇管式熱交換器に比べて小型な
気化６で負荷の急増に速応して原料ガスを効率よく供給
できるとともに、プ１．・−トフイン型熱交換器で問題
となった熱父換面に液層が形成されることＫよる気化効
率の低下や液だま夛が形成されることによる有効熱父換
面槓の減少などの悪影響が排除され、バッファタンクを
設けずに燃料電池の燃料ガス不足を排除でき、かつ補助
バッテリーを設けずに燃料電池出力を急増でき、したが
って小型、＠ｉ化し之簡素な構成の燃料電池発電装置を
提供することができる。

また、不活性ガスボンベおよび補助原料タンクで噴霧ノ
ズルの原料供給系を構成すれば、気化器の負荷応答性を
一漕同上することができるつさらに、気化器に霧化ｉ　
ｃ＋異なる複数の噴霧ノズルを設け、負荷の増ＮＪ率に
対応り、て駆動１するノズルの組み合わせを変えれ（１
、Ｌミ荷・〕震・イ］７に１月ドア、して、原料供給謙
を迅速に最適制御−！−ることが「げｊ］［（となり、
負荷の急増２急減に追従し、て燃料電池（−）発電量を
遅滞なく安定し７て１ｆｌＪ御で慈る燃料電池発電装置
全提供１゛ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施列になる燃料電池発電装置を示
す概略システム構成図、第２図は実施例における負荷急
増時の動作を示ずタイムブーヤ〜ト。 第３必および第４図は実施例における互いに異なる気化
器の償造全示′ｆ′Ｒ視断面図、第５図はこｔり発明の
異なる実施例を下すシステム構成図、第６図はこの発明
の他の実施例を示すシステム構成図、第７図は従来の燃
料電池発電装置を示フシステム構成図、第８図および第
９図は互いに異々る従来の気化器を模式化して示す構造
図、第１０図および第１１図は従来の気化器における問
題点の説明図である。 １・・・原料タンク、２．５２・・・原料ボンダ、３゜
５３・・・気化器、４・・・改質器、５・・・改質触媒
管、６・・・バーナ、１Ｑ・・・燃料！池、１４・・・
冷却器、１５・・・熱媒体液ボンダ、１７・・・熱又換
器、１８・・・電力変換装置、１９・・・外部負荷、２
２・・・補助原料ボンダ、２３・・・補助気化器、２４
，５４Ａ、５４Ｂ・・・噴霧ノズル、２５Ｈ，４２・・
・気化管、２５・・・電流検出器、２６．５６・・・制
御部、４１・・・噴霧管、４１・・・不活性ガスボンベ
、４２・・・補助タンク、１Ｌ・・・液体原料、５Ｇ、
２３Ｇ・・・原料ガス、５Ｇ・・・燃料許閘 （ｔ） 第２習 第３図 第４図 鳩３日 （４１冷（東 ８９圀

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所定量の水が混合されたアルコール系の液体原料の
   気化器と、気化した原料ガスを水素リッチな燃料ガスに
   改質する改質器と、この改質器で生成した燃料ガスと反
   応空気とを受けて発電する燃料電池とを含むものにおい
   て、前記液体原料の噴霧ノズルを有する補助気化器を備
   えてなることを特徴とする燃料電池発電装置。 ２）原料気化器が吐出量が互いに異なる複数の噴霧ノズ
   ルを備え、燃料電池の負荷増加率に対応して前記噴霧ノ
   ズルを選択してオン・オフ制御するよう形成されてなる
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。