JPH0624133B2 - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH0624133B2
JPH0624133B2 JP61132632A JP13263286A JPH0624133B2 JP H0624133 B2 JPH0624133 B2 JP H0624133B2 JP 61132632 A JP61132632 A JP 61132632A JP 13263286 A JP13263286 A JP 13263286A JP H0624133 B2 JPH0624133 B2 JP H0624133B2
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    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分差〕 この発明は、燃料電池発電装置、特に、400℃以下の
反応温度で操作する改質器の加熱手段としてバーナ燃焼
ガスを用いる燃料電池発電装置に関するものである。
〔従来の技術〕
第4図は、例えば、電気学会技術報告(II部)第141
号第18頁(昭和57年12月社団法人電気学会)に示
された従来のメタノール改質装置を示すシステムフロー
図である。
図において、符号(1)はメタノールとスチームとを反応
させて水素を得る改質器、(2)は上記改質器(1)における
改質反応に必要な供給するダウサームを加熱するダウサ
ーム加熱炉、(3)はこのダウサーム加熱炉(2)に設けられ
た燃焼用バーナ、(4)は加熱されたダウサームを蓄える
ダウサームタンク、(5)はダウサームを循環させるため
のダウサームポンプ、(6)は予熱器、(7)は液体メタノー
ルを気化する蒸発器、(8)は蒸発器(7)に付属するリボイ
ラーである。
次にこの従来装置の動作について説明する。
改質器(1)において、メタノールとスチームとを反応さ
せ水素を製造する。
この改質反応は吸熱反応であるため、反応に必要な熱を
加熱したダウサーム等の熱媒体によつて供給する。
ダウサームは、ダウサーム加熱炉(2)において、燃焼用
バーナ(3)により燃料を燃焼させたときの燃焼熱によつ
て加熱され、ダウサームタンク(4)内に蓄えられた後、
ダウサームポンプ(5)により、改質器(1)、予熱器(6)、
リボイラー(8)等に送られ、装置の稼動に必要な熱を供
給した後、再びダウサーム加熱炉(2)に戻り、以下、循
環使用される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来のエタノール改質装置は、上記のように構成されて
いるので、燃料電池発電装置に、この装置を組み込む場
合には、ダウサーム等の特別な熱媒体を用いて改質器の
加熱温度の制御を行なうようになつているために、熱媒
体の定期的なチエツク、交換、補給等のメインテナンス
が必要であり、また、ダウサームタンクの気相部に空気
が混入して爆発範囲にならないように窒素置換を必要と
するなどの、コストや安全性の面において問題点を有し
ていた。
また、燃料電池発電装置の規模が小さい場合には、改質
装置に要する費用が相対的に高くなり、従つて、経済的
ではないという問題点も合わせ有していた。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、加熱器において、改質反応に必要な熱をダウ
サーム等の特別な熱媒体を用いることなく供給すること
ができ、従つて、メンテナンスおよび爆発防止のための
窒素置換等が不要で、また、小規模なシステムでも経済
性に優れた燃料電池発電装置を提供することを目的とす
る。
〔問題点を解決するための手段〕
この発明に係る燃料電池発電装置は、燃料電池本体から
出る余剰燃料を空気とともに燃焼させるとともに熱が不
足した場合には原燃料であるメタノールを燃焼させ、改
質器に熱源として燃焼ガスを供給する加熱器と、この加
熱器に設けられ、給水装置から供給される水及びスチー
ムのいずれか一方を燃焼ガスにより加熱して燃焼ガスの
温度を低下させる熱交換器と、加熱器に設けられ、燃料
電池本体から出る余剰空気を燃焼ガスに混合して燃焼ガ
スの温度を低下させる混合器と、改質器の改質反応部を
通過した燃焼ガスの一部を改質器に供給される加熱器か
らの燃焼ガスに循環混合させる循環ブロワとを設けたも
のである。
〔作用〕
この発明における燃料電池発電装置では、装置の起動時
や要助燃時には加熱器でメタノール燃焼を行い、また、
通常運転時には燃料電池本体からの余剰燃料を燃焼させ
る。この燃焼により生じた高温の燃焼ガスは、この装置
の熱バランスをとるために設けられた供給装置により熱
回収用の熱交換器に供給される水又はスチームと熱交換
すること、及び燃料電池本体からの余剰空気を混合する
ことによって、加熱器出口の燃焼ガス温度を、改質器に
おける改質反応に必要な熱量を供給し得る温度に調整す
るとともに、さらに、加熱器出口の燃焼ガスに、改質器
の改質反応部を通過した燃焼ガスの一部を、循環ブロワ
により循環混合させ、改質器入口における混合ガスの温
度を 400℃以下の所定値としてから改質器に導入する。
従つて、高温の燃焼ガスが直接改質器に導入されること
はない。
〔実施例〕
以下、この発明をその一実施例を示す図に基づいて説明
する。
第1図において、改質器(1)、予熱器(6)、蒸発器(7)
は従来装置におけるものと同等のものであり、(11)は
メタノール燃焼用バーナ、(12)は電池余剰燃焼用バー
ナで、であつて、加熱器(13)に設けられており、(1
4)は、燃料極(14a)および空気極(14b) を有する燃料電
池本体、(15)は加熱器(13)に内蔵されている熱回収用
熱交換器、(16)は発電時に燃料電池本体(14)を冷却
するとともに、熱回収用熱交換器(15)に水又はスチー
ムを供給する給水装置、(17)は改質器(1)の出口から
出る混合ガスの一部を加熱器(13)の出口から出る混合ガ
スに循環混合させて改質器(1)へ供給するための循環ブ
ロワ、(18)は加熱器(13)において生成されるバーナ
燃焼ガスに電池余剰空気を混合させるための混合器、
(19)はこの混合器(18)に電池余剰空気を供給する余
剰空気供給ライン、(20)は燃焼用空気供給ラインであ
り、加熱器(13)のバーナ部分は、例えば3重管構造に
なっており、最も内側の管にメタノールが供給され、そ
のメタノール供給管の外側の管に余剰燃料が供給され、
最も外側の管に燃焼用空気供給ライン(20)からの空気
が供給されるようになっている。従って、メタノール燃
焼用バーナ(11)と電池余剰燃料燃焼用バーナ(12)と
は、一体に構成されている。
次にこの実施例の動作について説明する。
改質器(1)において、メタノールとスチームとの改質反
応により得られた水素リツチガスは、燃料電池本体(1
4)の燃料極(14a) に投入され、空気極(14b) に投入さ
れた空気中の酸素と反応して時流電力を発生させる。
この改質反応は、250〜350℃の温度で行なわれる
吸熱反応であるため、燃料極(14a) で消費されたあとの
余剰燃料を加熱器(13)に設けられた電池余剰燃料燃焼
用バーナ(12)に投入し、燃焼用空気供給ライン(20)
を経由する大気中の空気とともに燃焼させて、この反応
熱を改質器(1)に供給する。
この場合、加熱器(13)によつて生成された燃焼ガス
は、そのまま改質器(1)に投入するには温度が高すぎる
ので、改質反応温度や使用する改質触媒の適用温度範
囲、反応器、反応管等の耐熱温度を考慮して、この燃焼
ガスの温度を所定の温度まで下げる必要がある。
そのために、余剰空気供給ライン(19)を経由する燃料
電池(14)の空気極(14b) からの余剰空気を加熱する器
(13)に設けられている混合器(18)に投入し、燃焼ガ
スと混合させて温度を下げた後、加熱器(13)に内蔵さ
れた熱交換器(15)において、給水装置(16)より供給
される水又はスチームとこの混合ガスとを熱交換させ
て、高温水又は高温スチームとして熱回収を図るととも
に、混合ガス自身の温度を所定値まで下げる。
更に、改質器(1)の改質反応部を通過した混合ガスの一
部を循環ブロワ(17)によつて、改質器(1)に供給され
る加熱器(13)の出口からの混合ガスに循環混合させ
て、改質器(1)の入口における混合ガスの温度を調節す
る。
また、この装置の熱バランス上、熱が不足した場合に
は、加熱器(13)において、原燃料であるメタノールを
メタノール燃焼用バーナ(11)に投入し、燃焼用空気供
給ライン(20)を経由する大気中の空気とともに燃焼さ
せて、加熱器(13)に内蔵されている熱交換器(15)に
おいて水又はスチームと燃焼ガスとを燃交換させること
により、不足分の熱を給水装置(16)に回収し利用す
る。
この熱量調節のために、上記給水装置(16)には、加熱
器(13)の出口における混合ガスの温度と流量、又は、
改質器(1)の出口の混合ガスの温度を検知して、水又は
スチームの供給量を制御する制御装置を備えている。
いま、交流出力端100kWのメタノール燃料電池発電装
置において、改質器(1)の出口の混合ガス温度が一定値
(250℃)になるようにして、改質器(1)に導入され
る混合ガス温度を所定値以下にするために、加熱器(1
3)の出口の混合ガスに循環混合すべき改質器(1)の出
口から混合ガスの循環量を、次の表に示す動作条件のも
とで検討した。その結果を示すと第2図のとおりであ
る。
改質触媒の耐熱温度は、使用する触媒にもよるが、通常
250〜350℃である。従つて、改質器(1)の入口の
混合ガス温度は、380℃以下程度にする必要がある。
第2図より、改質器(1)の入口の混合ガス量に対する改
質器(1)の出口の循環ガス量の割合が15%以上となるよ
うに循環させれば、上記の要求を満足し、加熱器(13)
における燃焼ガスを利用した燃料電池発電装置を稼動さ
せることが可能であることがわかる。
なお、上記実施例では、加熱器(13)における燃焼用空
気として、大気中の空気を、燃焼用空気供給ライン(2
0)を経由させて、加熱器(13)に設けられた電池余剰
燃料燃焼用バーナ(12)に、必要な量だけ供給する装置
を示したが、第3図に示すように、燃焼用空気として、
電池空気極(14b)の出口の余剰空気の一部を、燃焼用空
気供給ライン(20)を経由させて、電池余剰燃料燃焼用
バーナ(12)に供給して余剰燃料を燃焼させる構成とし
てもよい。
また、上記実施例では、加熱器(13)に設けられた混合
器(18)において、バーナ燃焼ガスと電池余剰空気とを
混合させた後、熱交換器(15)において、この混合ガス
と、給水装置(16)より供給される水又はスチームとを
熱交換させるものを示したが、バーナ燃焼ガスのみを上
記熱交換器(15)において、給水装置(16)より供給さ
れる水又はスチームと熱交換させた後に、混合器(18)に
おいて、このバーナ燃焼ガスと電池余剰空気とを混合さ
せる構成としてもよい。
また、加熱器(13)に内蔵されている熱交換器(15)に
おいて、蒸気を発生させて装置の昇温にも使用できるの
で、起動用ボイラの設置は不要となることは言うまでも
ない。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明によれば、メタノールの改質反
応に必要な熱を、ダウサーム等の特別な熱媒体を使用せ
ずに、加熱器において生成されているバーナ燃焼ガス
を、直接加熱用媒体として使用することができるように
構成しているので、特別な熱媒体を用いることなく必要
な熱を供給することができ、従つて、メインテナンスや
爆発防止のための窒素置換も不要となり、更に、小規模
な装置でも経済性に優れた燃料電池発電装置が得られる
効果を有している。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す燃料電池発電装置の
構成図、第2図は循環混合すべき改質器出口の混合ガス
の循環量の燃焼ガス量に対する比率と改質器入口燃焼ガ
ス温度との関係線図、第3図はこの発明の他の実施例を
示す燃料電池発電装置の構成図、第4図は従来のメタノ
ール改質装置の構成図である。 図において、(1)……改質器、(11)……メタノール燃
焼用バーナ、(12)……余剰燃料燃焼用バーナ、(13)
……加熱器、(14)……燃料電池本体、(14a) ……燃料
極、(14b) ……空気極、(15)……熱回収用熱交換器、
(16)……給水装置、(17)……循環ブロワ、(18)…
…混合器、(19)……余剰空気供給ライン、(20)……
燃焼用空気供給ライン。 なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料及び空気が供給されて発電する燃料電
    池本体と、 メタノールを改質して上記燃料電池本体に上記燃料を供
    給する改質器と、 発電時に上記燃料電池本体を冷却する給水装置と、 上記燃料電池本体から出る余剰燃料を空気とともに燃焼
    させるとともに熱が不足した場合には原燃料であるメタ
    ノールを燃焼させ、上記改質器に熱源として燃焼ガスを
    供給する加熱器と、 この加熱器に設けられ、上記給水装置から供給される水
    及びスチームのいずれか一方を上記燃焼ガスにより加熱
    して上記燃焼ガスの温度を低下させる熱交換器と、 上記加熱器に設けられ、上記燃料電池本体から出る余剰
    空気を上記燃焼ガスに混合して上記燃焼ガスの温度を低
    下させる混合器と、 上記改質器の改質反応部を通過した燃焼ガスの一部を上
    記改質器に供給される上記加熱器からの燃焼ガスに循環
    混合させる循環ブロワと を備えていることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項2】加熱器に供給されている燃料用の空気が大
    気中の空気である特許請求の範囲第1項記載の燃料電池
    発電装置。
  3. 【請求項3】加熱器に供給されている燃焼用の空気が燃
    料電池本体の空気極出口からの余剰空気である特許請求
    の範囲第1項記載の燃料電池発電装置。
  4. 【請求項4】給水装置は、加熱器の出口における燃焼ガ
    スの温度及び流量を検知して水又はスチームの供給量を
    制御するように構成されている制御装置を備えている特
    許請求の範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の燃
    料電池発電装置。
  5. 【請求項5】給水装置は、改質器の出口における燃焼ガ
    スの温度を検知して水又はスチームの供給量を制御する
    ように構成されている制御装置を備えている特許請求の
    範囲第1項ないし第3項のいずれかに記載の燃料電池発
    電装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2634180B2 (ja) * 1987-12-23 1997-07-23 三菱電機株式会社 燃料電池発電システム
JPH01166469A (ja) * 1987-12-23 1989-06-30 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池発電システム
JPH09315801A (ja) * 1996-03-26 1997-12-09 Toyota Motor Corp 燃料改質方法と燃料改質装置ならびに該燃料改質装置を備えた燃料電池システム
CN104835977A (zh) * 2015-05-07 2015-08-12 深圳伊腾得新能源有限公司 一种利用甲醇水预热散热的燃料电池发电装置

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