JPH08190924A

JPH08190924A - 燃料電池発電装置及び燃料電池を用いた発電システム

Info

Publication number: JPH08190924A
Application number: JP7003103A
Authority: JP
Inventors: Ko Wada; 香和田; Tokuichi Mineo; 徳一峰尾; Tatsuyuki Amamiya; 達之雨宮; Masahiro Komukai; 真宏小向
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】例えば可搬式発電装置、車両駆動用電源、一
般家庭用発電装置、定置式発電機などに適用される燃料
電池発電装置及びそれを用いたシステムを提供する。【構成】原燃料を水素配合の多い燃料ガスに改質して
燃料電池本体に供給する燃料改質器２５と、該改質され
た燃料ガスが供給される水素極及び空気極を有する燃料
電池本体１６とを備えた燃料電池発電装置において、燃
料電池本体１６へ空気を供給し、且つ燃料改質器２５へ
改質に必要な熱量を供給するターボコンプレッサ１１及
びバーナ装置１８を具備してなり、発電起動時には、タ
ーボコンプレッサ１１及びバーナ装置１８並びに起動装
置を用いて起動して上記燃料電池本体１６へ空気を供給
し且つ上記改質器２５へ改質に必要な熱量を供給し、上
記ターボコンプレッサ１１の自立回転移行後は、上記起
動装置を停止し、上記改質器の触媒温度が作動温度に達
した時点で原燃料を改質して、上記燃料電池本体で発電
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば可搬式発電装
置、車両駆動用電源、一般家庭用発電装置、定置式発電
機などに適用される燃料電池発電装置及びそれを用いた
システムに関する。

【０００２】

【背景技術】近年、従来の水力、火力、原子力等とは異
なった発電効率が高く反応生成物が水であり、騒音、振
動等が極めて少なくクリーンなエネルギーとして期待さ
れているものとして「燃料電池」がある。該燃料電池と
しては種々の発電装置が開発されているが、燃料電池本
体と燃料改質器、及びターボコンプレッサを組み合わせ
た発電装置において、システムに搭載したバッテリのみ
の電力で起動出来る発電装置、または、ターボコンプレ
ッサの排ガスを燃料改質器への供給熱源とする上記発電
装置の提案は未だなされていない。

【０００３】ところで、燃料電池発電システムは燃料電
池本体、該燃料電池本体に空気を供給する電気駆動コン
プレッサ、燃料電池にメタノール、または都市ガスなど
の原燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを供給する改
質器、該改質器内の各触媒を作動温度に昇温し、且つ水
蒸気改質に必要な熱量を供給する燃焼バーナとバーナ用
電気駆動コンプレッサ、熱交換器、ラジエータ、燃料ポ
ンプ、制御器、電力変換器などで構成されている。

【０００４】上記燃料電池発電システムを起動するため
には、通常、商用電源を用い、制御器、バーナ用電気駆
動コンプレッサ、燃料供給ポンプをまず作動させ、燃焼
バーナを作動し高温燃焼ガスを発生、改質器に供給し、
改質器内の各触媒を作動温度に昇温する。これと同時
に、燃焼バーナの高温燃焼ガス、あるいは熱交換器に高
温燃焼ガスと水を通じて得た高温水で燃料電池本体を作
動温度に昇温する。改質器内の各触媒が作動温度に達し
た後、改質用燃料、例えばメタノールと水の混合溶液、
あるいは都市ガスと水蒸気の混合ガスを改質器へ供給す
る。燃焼バーナの作動を続け、水蒸気改質に必要な熱量
の供給を続けると、改質用燃料は水蒸気改質し水素リッ
チガスとなる。これを燃料電池本体に供給し、かつ、燃
料電池本体への空気を供給する電気駆動コンプレッサを
作動し、燃料電池本体へ空気を供給すると、発電を始
め、燃料電池本体の温度が作動状態になると、定格発電
を始める。

【０００５】ここで空気供給機などの補機動力に必要な
電力供給を、商用電源から、燃料電池本体の発生する電
力の一部に切り替えて、起動工程を終了し、定格運転に
なる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
システムでは、上に起動工程に、４〜８時間かかり、こ
れをバッテリ電力で行うには、大容量が必要であり、可
搬式電源や車両駆動用電源に適用することは不可能であ
った。

【０００７】また、定格運転後も、補機として比較的大
電力を要する電気駆動コンプレッサの必要電力を、燃料
電池本体の発生する電力から供給するため、システムの
定格出力を落とすことになる。

【０００８】また、燃料電池本体は、供給空気の圧力を
上げると、発電効率が向上し、発生する電力が増加する
が、電気駆動コンプレッサで、加圧空気を供給するに
は、さらに大電力を要し、これを燃料電池本体の発生す
る電力から供給していると、全くメリットが生まれなか
った。

【０００９】そこで、この加圧空気供給源として、ター
ビン圧縮機を用いるシステムもみられるが、このタービ
ン圧縮機を起動するのにコンプレッサからの圧縮空気が
必要であり、やはり商用電源を要し可搬式電源や車両駆
動用電源に適用することは不可能であった。

【００１０】また、先記燃料電池発電システムにおける
改質器は、シェルアンドチューブ方式等の熱交換器に改
質触媒を充填したものであり、原燃料の一部をバーナで
燃焼させ、この高温燃焼ガスを先記熱交換器に供給して
改質熱源とする。現燃料の改質には、通常３〜４種類の
触媒を用いるが、それぞれ作動温度が異なるのでバーナ
及び原燃料供給系も複数必要となる。これはシステムの
複雑さ、補機動力の増加という点で、可搬式電源や車両
駆動用電源に適用することは不可能であった。

【００１１】また、バーナとして、触媒バーナを用いる
場合、メタノールや都市ガス等は、常温では燃焼を開始
せず、水素等の常温でも触媒燃焼を開始する起動用燃料
を原燃料と別に、搭載しなければならない。

【００１２】また、通常先記触媒バーナ燃料として、燃
料電池本体からの残水素を用いるが、燃料電池本体の負
荷変動により残水素量が変化すると、触媒燃焼が不安定
になる。そこで、現状では、上述したような燃料電池は
一定負荷にしか対応出来ず、車両駆動用としては適用不
可であった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明に係る燃料電池発電装置の構成は、原燃料を水素配合
の多い燃料ガスに改質して燃料電池に供給する燃料改質
器と、該改質された燃料ガスが供給される水素極及び空
気が供給される空気極を有する燃料電池本体とを備えた
燃料電池発電装置において、上記燃料電池本体へ空気を
供給し、且つ上記燃料改質器へ改質に必要な熱量を供給
するターボコンプレッサ及びバーナ装置を具備したこと
を特徴とする。

【００１４】上記燃料電池発電装置において、上記ター
ボコンプレッサで燃料電池本体への空気供給を行うに際
し、上記燃料電池本体からの残空気と残水素とを上記バ
ーナ装置へ導き燃焼させ、この高温燃焼ガスで上記ター
ボコンプレッサを駆動し、且つ該ターボコンプレッサか
らの排ガスを上記燃料改質器に供給し、改質用熱源とす
ることを特徴とする。

【００１５】上記燃料電池発電装置において、上記ター
ボコンプレッサの起動装置が、システムに搭載したバッ
テリで駆動するブロアであることを特徴とする。

【００１６】上記燃料電池発電装置において、上記バー
ナ装置手前に着火装置を設け、原燃料の燃焼を開始させ
ることを特徴とする。

【００１７】上記燃料電池発電装置において、上記バー
ナ装置に原燃料の一部を供給し、上記燃料電池本体から
の残水素と合せて燃焼させることを特徴とする。

【００１８】一方の、本発明に係る燃料電池を用いた発
電システムの構成は、原燃料を水素配合の多い燃料ガス
に改質して燃料電池本体に供給する燃料改質器と、該改
質された燃料ガスが供給される水素極及び空気が供給さ
れる空気極を有する燃料電池本体とを備え、燃料電池発
電を行う発電システムにおいて、発電起動時には、ター
ボコンプレッサ及びバーナ装置並びに起動装置を用いて
起動すると共に上記燃料電池本体へ空気を供給し且つ上
記改質器へ改質に必要な熱量を供給し、上記ターボコン
プレッサの自立回転移行後は上記起動装置を停止し、上
記改質器の触媒温度が作動温度に達した時点で原燃料を
改質して、上記燃料電池本体で発電することを特徴とす
る。

【００１９】すなわち、本発明の燃料電池発電装置を構
成する要素は、燃料電池本体、改質器、熱交換器、ラジ
エータ、燃料ポンプ、制御器、電力変換器、バッテリな
どの燃料電池発電装置の構成要素に加えて、更に、従来
のような電気駆動コンプレッサではなく、ターボコンプ
レッサと触媒バーナとを用い、該ターボコンプレッサの
コンプレッサ出口から得られる加圧空気を燃料電池に供
給すると共に、燃料電池から出る残空気を触媒バーナに
送ると共に、次いでターボコンプレッサのタービン入口
に導入し、且つターボコンプレッサのタービン出口から
出る残空気を改質器の熱供給部に通じるようこれら要素
を配置することで、効率のよい発電を行うようにしたも
のである。

【００２０】また、バーナ手前に着火装置を配し、ター
ボコンプレッサのコンプレッサ入り口にはターボコンプ
レッサと触媒バーナからなる装置を短時間で起動するス
ーパーチャージャと直流モータからなる起動装置を配置
して、簡易な起動システムとするようにしたものであ
る。

【００２１】以下本発明の内容を図１を参照して詳細に
述べる。

【００２２】同図に示すように、ターボコンプレッサ１
１のコンプレッサ１１Ｃ入口とエアクリーナ１２との間
の配管１３から分岐した位置に、発電装置内バッテリを
電力源とする直流モータ１４で駆動されるブロアとして
のスーパーチャージャ１５をを配設し、且つ上記ターボ
コンプレッサ１１のコンプレッサ１１Ｃ出口と燃料電池
本体１６空気極１６Ａ入口とに配管１７を配設すると共
に、燃料電池空気極１６Ａ出口とバーナ装置としての触
媒燃焼バーナ１８とに配管１９を配設している。さらに
触媒燃焼バーナ１８の燃焼ガス出口とターボコンプレッ
サ１１のタービン１１Ｔ入口とに配管２０を配設してい
る。また、上記ターボコンプレッサ１１のコンプレッサ
１１Ｃ入口とエアクリーナ１２との間の配管分岐部１３
ａとエアクリーナ１２との間には電磁弁２１を設けると
共に、上記配管分岐部１３ａとスーパーチャージャ１５
との間にも電磁弁２２を設けている。

【００２３】このような配置により、エアクリーナ１２
側の電磁弁２１を閉じ、スーパーチャージャ１５側の電
磁弁２２を開き、スーパーチャージャ１５を駆動する
と、該スーパーチャージャ１５からの加圧空気は、ター
ボコンプレッサのコンプレッサ１１Ｃを通り、配管１７
を介して燃料電池本体１６の空気極１６Ａを通り、次い
で配管１９を介して触媒燃焼バーナ１８を通って、ター
ボコンプレッサ１１のタービン１１Ｔ入口に入り、ター
ボコンプレッサのタービン１１Ｔ出口より排気されるこ
ととなる。

【００２４】ここで、上記触媒燃焼バーナ１８に原燃料
（例えば、メタノール）２３をポンプを用いて送給する
と、触媒燃焼バーナ１８手前に設けた着火装置２４の働
きで着火し、触媒燃焼して高温燃焼ガスがターボコンプ
レッサ１１のタービン１１Ｔ入口に供給される。この結
果、高温燃焼ガスの温度上昇と共にターボコンプレッサ
１１の回転数が上り、ターボコンプレッサのコンプレッ
サ１１Ｃ出口からの空気流量とその圧力が増加する。

【００２５】ここで、ターボコンプレッサ１１のコンプ
レッサ１１Ｃが供給空気に対してする仕事をＬ_c、ター
ビン１１Ｔが高温燃焼ガスから回収する仕事をＬ_tとす
れば、触媒燃焼バーナ着火前においては、Ｌ_c＞Ｌ_t×コンプレッサ効率×タービン効率×機械効率・・・（１）という関係が成立する。しかしながら、触媒燃焼バーナ
１８に着火し、高温燃焼ガスがタービン１１Ｔに供給さ
れると、高温燃焼ガスの温度上昇と共に、タービン１１
Ｔが高温燃焼ガスから回収する仕事Ｌ_tが増加する。

【００２６】その結果、ターボコンプレッサ１１の回転
数が上り、空気流量とその圧力が増加するので、Ｌ_cも
増加する。しかしながら、Ｌ_tの増加率が、Ｌ_cの増加
率を上回るため、ある温度で以下のような関係となる。Ｌ_c＝Ｌ_t×コンプレッサ効率×タービン効率×機械効率・・・（２）

【００２７】さらに、高温燃焼ガスの温度が上ると、以
下のような関係となる。Ｌ_c＜Ｌ_t×コンプレッサ効率×タービン効率×機械効率・・・（３）

【００２８】そして、上記式（２）と式（３）とを併せ
た、Ｌ_c≦Ｌ_t×コンプレッサ効率×タービン効率×機械効率・・・（４）という状態で、エアクリーナ１２側の電磁弁２１を開
き、スーパーチャージャ１５側の電磁弁２２を閉じる
と、ターボコンプレッサ１１は自立回転し、エアクリー
ナ１２から空気を吸引し、圧縮供給する。この結果、こ
の時点でスーパーチャージャ１５の駆動用モータ１４を
止めることが出来る。

【００２９】一方、燃料を改質するための燃料改質器２
５は、原燃料（メタノール、都市ガス等）の種類に応じ
て数種の触媒を必要とするので、それぞれ個別の反応器
２５Ａ，２５Ｂとし、この構造を熱交換器構造として、
一方に高温ガス、一方に改質触媒を充填し、改質ガスが
通る構造とした。

【００３０】これら反応器２５Ａ，２５Ｂを、例えば触
媒Ａを充填した反応器２５Ａの高温ガス出口と、触媒Ｂ
を充填した反応器２５Ｂの高温ガス入口とを、配管２６
を介してつながるように構成した。

【００３１】また各触媒の作動温度が異なるので、必要
に応じて熱交換器構造で一方が高温ガス、他方が水であ
るような冷却器２７を触媒作動温度の異なる反応器の間
に設け、一方の反応器２５Ａを出た高温ガスを冷却し
て、他方の反応器２５Ｂに入るようにつないだ。

【００３２】また原燃料が液体の場合あるいは気体の場
合でも燃料改質器２５においては、改質反応が水蒸気改
質であるので、原燃料に水又は水蒸気を付加し、加えて
その混合燃料をガス化して改質器に送る必要があるが、
この原燃料又は水を蒸発させるための蒸発器２８も、熱
交換器型構造とし、一方に高温ガス、他方に原燃料、水
あるいは原燃料に水を付加したものを通す構造としてい
る。

【００３３】この蒸発器２８もその高温ガスの出入口
が、他の反応器２５Ａあるいは冷却器２７の高温ガス出
入口につながるようにしている。上記のような構成を備
えた改質器２５において、その高温ガス入口とターボコ
ンプレッサ１１のタービン１１Ｔ出口とを配管２９でつ
なぎ、タービン１１Ｔから排気される高温ガスを改質に
必要な熱の供給源として有効に利用することが出来た。

【００３４】ここで、改質器２５の高温ガス入口と、タ
ーボコンプレッサのタービン入口との間の配管２９を分
岐し、分岐点２９ａ先に冷却器３０及びその先に流量調
整バルブ３１を設けている。これはタービン１１Ｔから
排気される高温ガスの熱量が、燃料改質器２５において
その改質に必要な熱量を上回る場合、タービン１１Ｔか
ら排気される高温ガスの一部を逃がし、改質器２５への
供給熱量を減すためのものである。

【００３５】上記改質器２５からの改質された水素リッ
チガスについては、改質器２５から配管３２を介して水
素リッチガス用の加湿器３３を通って燃料電池本体１６
の燃料極１６Ｂへ供給している。

【００３６】また、燃料電池燃料極１６Ｂを出た水素リ
ッチガスあるいは発電によって水素が消費され、水素濃
度の減少した残ガスが、燃料電池空気極１６Ａを出た空
気と一体化するように配管３４をつないでいる。これは
燃料電池の燃料極１６Ｂから出る残ガス中の水素を、触
媒バーナ１８で燃焼させるためである。

【００３７】また、改質器２５の水素リッチガス出口
と、加湿器３３の間の配管３２に分岐部を設けて、この
分岐部と燃料電池空気極１６Ａを出た空気と一体化する
ように配管３５をつないでいる。これは改質器２５にお
ける改質初期の一酸化炭素濃度の高い水素リッチガスを
燃料電池本体１６に送らず、直接触媒バーナ１８で燃焼
させて、燃料電池電極触媒が一酸化炭素で被毒されるの
を防ぐためである。

【００３８】上記のようにターボコンプレッサ１１、触
媒バーナ１８、燃料電池本体１６、改質器２５、起動装
置であるスーパーチャージャ１５を用いるという、構成
したことで以下の作用・効果を奏する。

【００３９】上記燃料電池システムにおいて、その発電
起動時においては、先ず、スーパーチャージャ１５と直
流モータ１４からなる起動装置を、バッテリにより駆動
し、ターボコンプレッサ１１に空気を供給すると、ター
ボコンプレッサ１１は回転を始め、かつ供給された空気
は燃料電池本体１６の空気極１６Ａを通った後、触媒燃
焼バーナ１８を通ってターボコンプレッサ１１のタービ
ン１１Ｔ入口に供給される。

【００４０】ここで触媒燃焼バーナ１８に原燃料２３を
ポンプ２４を用いて送り、燃焼を開始するとタービン１
１Ｔ入口に供給される燃焼ガスの温度上昇と共にターボ
コンプレッサ１１の回転が上昇する。

【００４１】そして、ターボコンプレッサ１１のコンプ
レッサ１１Ｃが供給空気に対してする仕事をＬ_c、ター
ビンが高温燃焼ガスから回収する仕事をＬ_tとした場合
に、Ｌ_c≦Ｌ_t×コンプレッサ効率×タービン効率×機
械効率より極短時間となった時点で、エアクリーナ１２
側の電磁弁２１を開き、スーパーチャージャ１５側の電
磁弁２２を閉じると、ターボコンプレッサ１１は自立回
転し、エアクリーナ１２から空気を吸引し、圧縮供給す
る。ここで、ターボコンプレッサ１１が自立回転に移行
したので、スーパーチャージャ１５の駆動用モータ１４
を止めることが出来る。

【００４２】上述したように、本システムによれば、触
媒バーナ１８による燃料燃焼において、その昇温速度は
非常に速く、それに伴なうターボコンプレッサ１１Ｃの
回転上昇も非常に早く、つまりスーパーチャージャ１５
起動からターボコンプレッサ１１の自立回転移行による
スーパーチャージャ１５停止までの時間が非常に短いた
め、起動工程で消費する電力を従来のシステムに比べ大
きく減少せしめることが出来た。

【００４３】改質器２５への熱供給は、ターボコンプレ
ッサ１１のタービン１１Ｔからの排ガスを用いるため、
触媒燃焼バーナ１８の燃焼開始と同時に始まり、ターボ
コンプレッサ１１の自立回転移行後は、電気駆動コンプ
レッサを必要としないので、定格運転時に燃料電池の出
力電力の一部で駆動する補機動力の要する電力が非常に
少く出来た。

【００４４】燃料電池本体への空気供給は、スーパーチ
ャージャ１５起動と同時に始まるため、改質器２５の各
触媒温度が作動温度の達した時点で、原燃料２５を改質
器２５へ供給すると、水蒸気改質反応により、水素リッ
チガスが得られるので、これを燃料電池本体に供給する
ことにより、燃料電池本体１６の発電が作動することと
なる。

【００４５】以上、本発明によれば、触媒燃焼によ
る高温燃焼ガスの温度上昇と、それに伴うターボコンプ
レッサ１１Ｃの回転上昇は非常に早いので、スーパーチ
ャージャ１５の駆動を始めてから、止めるまでの時間は
非常に短く、消費電力は少い。よって上記「発明が解決
しようとする課題」で述べた従来システムにおいて起動
工程をバッテリで行うには大容量が必要となる問題点が
解決される。燃料電池本体１６への空気供給と、改質器２５への
熱供給とが、ターボコンプレッサ１１と触媒バーナ１８
により同時に行うことができ、電気駆動コンプレッサの
ように大電流を消費することがないので、上記「発明が
解決しようとする課題」で述べた従来システムにおける
定格運転時にシステムの定格出力を落すことがなくなっ
た。ターボコンプレッサ１１のタービン１１Ｔの排ガス
のみを改質器２５に必要な熱源とするので、上記「発明
が解決しようとする課題」で述べた従来システムにおい
てバーナ及び原燃料供給系が複数必要となり、システム
の複雑さ、補機動力の増加をもたらすという問題点が解
決される。着火装置を備えることで、原燃料とバッテリのみで
起動出来るシステムとなった。燃料電池が負荷変動に追従し、残水素が変動して
も、バーナへの原燃料供給量を変化させることで、バー
ナは安定して燃焼し、結果として負荷変動に追従出来る
発電システムとなった。

【００４６】

【実施例】以下に、本発明にかかる好適な一実施例を図
面を参照にして説明する。上述した本発明を、１０kw出
力規模の固体高分子式メタノール改質型燃料電池を製作
し具現化し、運転試験を行って実施例とした。以下に、
その内容を説明する。

【００４７】図２は本実施例に係る発電装置のフローチ
ャートを示す。

【００４８】図１中、ターボコンプレッサ１１を自立回
転させるための起動装置としての、スーパーチャージャ
１５は、ルーツ式スーパーチャージャを用いた。符号１
４はこれを駆動する直流モータを図示する。本実施例に
おいては、ルーツ式スーパーチャージャとして、富士重
工業（株）製軽自動車用のものを用いたが、仕様が合え
ば他製品でも良く、これに限定されるものではない。

【００４９】本実施例において、ターボコンプレッサ１
１としては、三菱重工業（株）製軽自動車用ターボチャ
ージャを用いたが、仕様が合えば他製品でも良く、これ
に限定されるものではない。尚、符号１２、５１はエア
クリーナを図示する。また、２１，２２は電磁弁であ
り、それぞれ２５ＡＳＵＳ管１３に介装され、ターボコ
ンプレッサ１１のコンプレッサ１１Ｃ入口に接続してい
る。コンプレッサ１１Ｃ出口からの空気はステンレス管
１７で導かれるが、該ステンレス管１７は二股に分けら
れており、それぞれ流量調整弁５２，５３を取り付けら
れている。上記流量調整弁５２を通る空気は、固体高分
子式燃料電池本体１６の空気極１６Ａへ導かれ、空気極
１６Ａを出た後、上記流量調整弁５３を通った空気と一
体となり、気水分離器５４へ導かれる。

【００５０】一方、燃料として、ポンプ５５で供給され
る改質用原燃料メタノール水５６は、ターボコンプレッ
サ７のタービン１１Ｔ出口排ガスとつながっている蒸発
器２８としてのコルゲート型熱交換器に導入され、高温
ガスにより蒸発加熱された後、反応器２５Ａとしての改
質器へ導かれる。

【００５１】上記改質器２５Ａはシェルアンドチューブ
構造の熱交換器型とし、シェル内にＣｕ−Ｚｎ系改質触
媒を充填した。改質器２５に導かれたメタノール水蒸気
は、熱交換器２８の出口排ガスから改質熱を得て、水
素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気の混合ガスにな
り、やはりシェルアンドチューブ構造の反応器２５Ｂと
してのＣＯシフト反応器へ導かれる。

【００５２】上記ＣＯシフト反応器２５Ｂのチューブ内
にはＣｕ−Ｚｎ系触媒を充填した。また、冷却器２７と
して、コルゲート型熱交換器を用いており、これは上記
ＣＯシフト反応器２５Ｂへ供給される排ガス温度を下げ
るために設けている。

【００５３】上記ＣＯシフト反応器２５Ｂへ導かれた水
素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気の混合ガスは、シ
フト反応により、一酸化炭素濃度が数千ppm に落とされ
る。ＣＯシフト反応器２５Ｂを出た排ガスはコルゲート
型熱交換器５７で冷却され、排気される。

【００５４】上記ＣＯシフト反応器２５Ｂを出た水素、
二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気の混合ガスは、コルゲ
ート型熱交換器５８で冷却され、小形コンプレッサ５９
と流量調整弁６０で調整供給される少量の空気と混合さ
れ、やはりシェルアンドチューブ構造のセレクトオキソ
反応器６１に導かれる。該セレクトオキソ反応器６１の
チューブ内にはＡｕ−Ｆｅ系触媒が充填されている。

【００５５】上記セレクトオキソ反応器６１では水素、
二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気の混合ガス中の一酸化
炭素と調整供給された少量の空気中の酸素が反応し一酸
化炭素濃度が数十ppm 以下に落とされた後、加湿器３３
で加湿され固体高分子式燃料電池本体１６の燃料極１６
Ｂへ送られる。

【００５６】上記固体高分子式燃料電池本体１６の燃料
極１６Ｂを出た水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸
気の混合ガスは、流量調整弁５３を通った空気、および
固体高分子式燃料電池本体１６の空気極を出た空気と一
体になり、気水分離器５４へ導かれる。

【００５７】上記気水分離器５４で余剰加湿水及び発電
に伴う生成水を分離除去した後、第一触媒バーナ１８Ａ
に導かれる。ここでポンプ６２で供給される原燃料とし
てのメタノール２３はその供給管が第二触媒バーナ１８
Ｂの表面に巻かれており、そこで第二触媒バーナ１８Ｂ
の放熱により蒸発させられ第一触媒バーナ１８Ａの水
素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気の混合ガスが導か
れる側と第一触媒バーナ１８Ｂと第二触媒バーナ１８Ａ
の間に流量制御弁６３で流量配分されて導かれる。

【００５８】上記第一触媒バーナ１８Ａと第二触媒バー
ナ１８Ｂとで燃焼させられた水素、二酸化炭素、一酸化
炭素、水蒸気、及びメタノールの混合ガスは高温燃焼排
ガスとなり、ターボコンプレッサ１１のタービン１１Ｔ
に導かれ、ターボコンプレッサ１１のコンプレッサ１１
Ｃを駆動すると共にターボコンプレッサ１１のタービン
出口から上記のように燃料改質器２５へ供給される。

【００５９】また、コルゲート型熱交換器３０は、ター
ボコンプレッサ１１のタービン１１Ｔ出口排ガスの一部
を分離しこれを冷却して排気するために設けている。流
量調整弁３１は分離する排ガス量を調整するものであ
る。

【００６０】なお、燃料改質器２５に用いた各触媒は、
性能さえ満たせば、上記触媒に限定されるものではな
く、他の触媒でも構わない。

【００６１】図３は本発電装置の冷却系を示す。水タン
ク７１内の冷却水は、ポンプ７２により、図２でも示し
た熱交換器５７，２７，３０の順で送られ、ターボコン
プレッサ１１のタービン１１Ｔ出口排ガスにより加熱さ
れて加湿器３３に送られる。ここで加湿水として一部蒸
発除去され、温度が下がった後固体高分子式燃料電池本
体１６の冷却を行い続いてラジエータ７３で冷却され、
水タンク７１に戻る。

【００６２】図４は本発電装置の冷却系を示す。水タン
ク８１内の冷却水は、ポンプ８２により、熱交換器５８
に送られ改質ガスを冷却し自らは加熱されてセレクトオ
キソ反応器６１のシェル側に導かれ、該反応器６１を適
温に保ち続いてラジエータ８３で冷却され水タンク８１
に戻る。

【００６３】図５は本発電装置の電気系を示す。固体高
分子式燃料電池本体１６の直流出力電流の一部を並列回
路で取り出し、これを直流電力変換器９１に入力し、そ
の出力を６０Ａｈ−２４Ｖバッテリ９２へバッテリが充
電される向きに入力した。

【００６４】上記バッテリ９２の直流出力は、２４Ｖで
駆動できる補機９２ａと、直流電力変換器９３へつなが
れ、直流電力変換器９３の出力は１２Ｖで駆動できる補
機９３ａへつながれた。

【００６５】ここで、直流電力変換器９１は入力電圧範
囲が６０〜３０Ｖで出力電圧は２７Ｖであり、内部に出
力のオン、オフスイッチを持つ。バッテリ９２の電圧を
センサ９４でモニタし、バッテリ９２の電圧が２２Ｖ以
下になったら、直流電力変換器９１の内部出力スイッチ
をオンにしてバッテリ９２の充電を行いバッテリ９２の
電圧が２５Ｖになったら直流電力変換器９１の内部出力
スイッチをオフにする操作を行った。この操作はシーケ
ンサ制御とした。直流電力変換器９３の入力範囲は２０
〜３０Ｖで、出力電圧は１２Ｖである。

【００６６】上記発電装置を運転した結果を参考として
以下に示す。図３及び４に示す冷却水ポンプ７２，８２
をオンにし、図２に示すルーツ式スーパーチャージャ１
５を駆動する直流モータ１４のスイッチをオンにし、空
気を１２００ l/minで供給した。このとき電磁弁２２は
開いており電磁弁２１は閉じている。

【００６７】流量制御弁５２，５３はあらかじめターボ
コンプレッサ１１のコンプレッサ出口空気量が１５００
l/minのとき流量制御弁５２を通る空気流量が１０００
ni/min、流量制御弁５３を通る空気流量が５００ni/min
となるように調整しておいた。続いて、ポンプ６２のス
イッチをオンにしメタノール２３を８０cc/min供給し
た。供給メタノールは流量制御弁６３で第一触媒バーナ
１８Ａ手前に２０cc/min、第一触媒バーナ１８Ａと第二
触媒バーナ１８Ｂの間に６０cc/minとなるよう調整し
た。

【００６８】着火装置としては、図６に示すように第一
触媒バーナ１８Ａ手前のメタノール供給口６４の直後に
通電式セラミック製グロープラグ６５を設け、流量制御
弁６３により制御されたメタノール２３の一部を着火さ
せた。この燃焼ガス温度は約１４０度でありこれで第一
触媒バーナ１８Ａの触媒部が昇温し、第一触媒バーナ１
８Ａの触媒部が１２０度になった時点で第一触媒バーナ
１８Ａ手前に２０cc/minで供給したメタノールは全量燃
焼始めた。

【００６９】これにより第一触媒バーナ１８Ａ出口の燃
焼ガスの温度は２００度に達し、この燃焼ガスで第二触
媒バーナ１８Ｂの触媒が昇温し、第二触媒バーナ１８Ｂ
の触媒が１２０度になった時点で第一触媒バーナ１８Ａ
と第二触媒バーナ１８Ｂの間に６０cc/minで供給したメ
タノールが全量燃焼開始し、第二燃焼バーナ１８Ｂの出
口燃焼ガス温度が急激に上昇した。

【００７０】第二燃焼バーナ１８Ｂの出口燃焼ガス温度
の上昇と共に、ターボコンプレッサ１１の回転数が上昇
し、タービン１１Ｔに入る燃焼ガスの温度が８００度に
なったとき、ターボコンプレッサ１１の回転数が１８万
３千rpm となり、ここで電磁弁２１を開き、一方の電磁
弁２２を閉じ、直流モータ１４のスイッチを切る操作を
瞬時に行ったところ、ターボ過給機１１が自立回転始
め、ターボコンプレッサ１１のコンプレッサは約１６０
０ni/min、1.９２atm で空気供給を始めた。

【００７１】ここでポンプ６２を調節しメタノール２３
の流量を減らし、メタノール流量７５cc/ min で回転数
１７万３千rpm ，１５００ni/min，1.９atm で空気供給
始めた。

【００７２】この時点でターボ過給機１１のタービンへ
の燃焼ガスの温度は７３０度であり、タービン出口排ガ
ス温度は６００度であった。これを全量改質装置２５に
供給し、改質器２５Ａの触媒温度が３８０度を示した
時、ポンプ５５でメタノール対水がモル比で１対２のメ
タノール水５６を、メタノールが３００mol/h となるよ
う供給した。

【００７３】供給されたメタノール水５６は熱交換器２
８で５２０度まで昇温され、改質器２５Ａに導かれ、改
質され水素、二酸化炭素、一酸化炭素、水蒸気の混合ガ
スとなり、また温度が３４０度まで下がった。一酸化炭
素濃度は、3.５％である。この混合ガスはＣＯシフト反
応器２５Ｂへ導かれる。

【００７４】この時点でＣＯシフト反応器２５Ｂの触媒
部の平均温度は２８０度であり、ここで一酸化炭素濃度
は６２００ppm まで下がり、冷却器５８で５７度まで下
げられ、セレクトオキソ反応器６１に導かれる。

【００７５】ここでコンプレッサ５９のスイッチをオン
にし、流量制御弁６０を徐々に開き空気流量が４2.５ni
/minになったところで、セレクトオキソ反応器６１の出
口混合ガス中の一酸化炭素濃度が最低値の３ppm を示し
た。

【００７６】これを固体高分子式燃料電池本体１６の燃
料極１６Ｂに導いたところ、固体高分子式燃料電池本体
１６の初期電圧は５3.４Ｖを示した。固体高分子式燃料
電池本体１６の燃料極１６Ｂを出た混合ガスはターボコ
ンプレッサ１１のコンプレッサ１１Ｃから供給された空
気と一体になり、気水分離器５４をへて第一触媒バーナ
１８Ａに導かれ混合ガス中の水素ガスが燃焼を開始し
た。

【００７７】第一触媒バーナ１８Ａの出口温度、第二触
媒バーナ１８Ｂの出口温度共に上昇し、ターボコンプレ
ッサ１１の回転が上昇したため、流量調整バルブ６２を
閉じポンプ６２を調整してメタノール２３の供給量を減
らし、第二触媒バーナ１８Ｂの出口温度を７３０度とし
て再びターボコンプレッサ１１の回転数を１７万３千rp
m とした。

【００７８】この時点で図４で示した冷却水の加湿器３
３の入口温度は９８度であり、十分な加湿水が得られる
状態になったので、図５の電子負荷器９５を操作し、固
体高分子式燃料電池本体１６から電流を取出したとこ
ろ、３００Ａ，３3.６Ｖで１００８０kwとなった。この
時点では直流電力変換器９１の内部スイッチはオフであ
り、バッテリ充電は行われていない。このときバッテリ
でまかなう補機動力は６２０Ｗであった。固体高分子式
燃料電池本体１６が発電を始めると水素が消費されるの
でバーナに供給される水素量が減りバーナ出口温度が下
がり、ターボコンプレッサ１１の回転が下がり始めたの
でポンプ６２を調整し、メタノール２３の流量を７０cc
/minにし、再びターボコンプレッサ１１の回転数を１７
万３千rpm とした。

【００７９】上記操作による発電装置要素各部の状態は
再現性のあるものであり、発電装置として十分に実用性
のあるものであった。

【００８０】

【発明の効果】本発明は、実施例でも明らかなように、
燃料電池発電装置の起動工程に要する電力を著しく低
減した。大電力を要する電気駆動コンプレッサを用い
ないので燃料電池出力に対する補機動力の割合を、低減
出来た。ターボコンプレッサのタービン排ガスのみを
改質に必要な熱源とするので、バーナ及び原燃料供給系
が単純である。以上の効果から、可搬式発電装置、車両
駆動用電源、商用電源のない地域での定置式発電装置等
に好適であることがわかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の発電システムの概略図である。

【図２】本発明の一実施例に係る発電システムのフロー
図である。

【図３】本発明の一実施例に係るシステムの冷却系図で
ある。

【図４】本発明の一実施例に係るシステムの冷却系図で
ある。

【図５】本発明の一実施例に係るシステムの電気系図で
ある。

【図６】本発明の一実施例と係るシステムの燃焼系の図
である。

【符号の説明】

１１ターボコンプレッサ１２エアクリーナ１５スーパーチャージャ１６燃料電池本体１６Ａ空気極１６Ｂ空気極１８触媒燃焼バーナ２３原燃料（例えば、メタノール）２４着火装置２５燃料改質器２５Ａ，２５Ｂ反応器２７冷却器２８蒸発器３０冷却器３１流量調整バルブ３３加湿器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小向真宏神奈川県相模原市田名3000番地エム・エイチ・アイさがみハイテック株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料を水素配合の多い燃料ガスに改質
して燃料電池に供給する燃料改質器と、該改質された燃
料ガスが供給される水素極及び空気が供給される空気極
を有する燃料電池本体とを備えた燃料電池発電装置にお
いて、上記燃料電池本体へ空気を供給し、且つ上記燃料改質器
へ改質に必要な熱量を供給するターボコンプレッサ及び
バーナ装置を具備したことを特徴とする燃料電池発電装
置。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池発電装置におい
て、上記ターボコンプレッサで燃料電池本体への空気供給を
行うに際し、上記燃料電池本体からの残空気と残水素と
を上記バーナ装置へ導き燃焼させ、この高温燃焼ガスで
上記ターボコンプレッサを駆動し、且つ該ターボコンプ
レッサからの排ガスを上記燃料改質器に供給し、改質用
熱源とすることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項３】請求項１及び２記載の燃料電池発電装置
において、上記ターボコンプレッサの起動装置が、システムに搭載
したバッテリで駆動するブロアであることを特徴とする
燃料電池発電装置。
【請求項４】請求項１〜３記載の燃料電池発電装置に
おいて、上記バーナ装置手前に着火装置を設け、原燃料の燃焼を
開始させることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】請求項１〜４記載の燃料電池発電装置に
おいて、上記バーナ装置に原燃料の一部を供給し、上記燃料電池
本体からの残水素と合せて燃焼させることを特徴とする
燃料電池発電装置。
【請求項６】原燃料を水素配合の多い燃料ガスに改質
して燃料電池本体に供給する燃料改質器と、該改質され
た燃料ガスが供給される水素極及び空気が供給される空
気極を有する燃料電池本体とを備え、燃料電池発電を行
う発電システムにおいて、発電起動時には、ターボコンプレッサ及びバーナ装置並
びに起動装置を用いて起動すると共に上記燃料電池本体
へ空気を供給し且つ上記改質器へ改質に必要な熱量を供
給し、上記ターボコンプレッサの自立回転移行後は上記
起動装置を停止し、上記改質器の触媒温度が作動温度に
達した時点で原燃料を改質して、上記燃料電池本体で発
電することを特徴とする燃料電池を用いた発電システ
ム。