JPS63158759A

JPS63158759A - 燃料電池発電システムの運転方法

Info

Publication number: JPS63158759A
Application number: JP61303956A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Mizuno; 裕水野; Toru Goto; 後藤　亨; Tomio Yasuma; 富男安間
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1986-12-22
Filing date: 1986-12-22
Publication date: 1988-07-01

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】〔発明の技術分野〕本発明は、燃料供給部を小型化可能にすると共に、消費
電力の負荷変動に対する発電応答性を良好にし、しかも
常に発電効率を最大に維持できる燃料電池発電システム
の運転方法に関するものである。

〔従来技術〕

通常、燃料電池は、主としてメタノールと水との混合燃
料を水素に改質反応させる改質装置と、この改質装置で
生成した水素を空気と反応させて発電を行う電池セルと
から構成される装の燃料電池の電池セルに負荷を連続す
ることにより発電システムが構成されている。

上記改質装置は混合燃料を蒸発させる蒸発器と触媒を充
填した反応器とを有し、これらはバーナ等の加熱器によ
って加熱されるようになっている。そのため、加熱器に
は燃焼用燃料の供給装置が設けられ、かつ燃焼効率を上
げるため、この燃焼用燃料供給装置には、通常予熱器や
気化器等が設けられている―そのため、燃焼用燃料供給
装置は大型化し、上記改質用の燃料供給装置を含めると
かなり大きな装置にならざるをえなくなっている。

また、上記燃料電池の発電システムでは、電力消費部で
大きな負荷上昇があったとき、改質装置の水素供給量を
直ちに増加させることができないため、直ぐ電力を上げ
るように応答することができず、常時安定した運転をす
ることが難しいという問題があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述のような問題を解消し、燃料供給
部を小型化すると共に、消費電力の負荷変動に対する発
電応答性を速くし、しかも常に発電効率を最大に維持で
きる燃料電池システムの運転方法を提供することにある
。

〔発明の構成〕

上記目的を達成するための本発明は、燃料タンクと水タ
ンクから供給ポンプを介して混合燃料を取り出し、この
混合燃料を加熱器を備えた改質装置で水素に改質し、こ
の水素を電池セルで空気と反応させて発電を行り負荷へ
供給する燃料電池発電システムにおいて、前記電池セル
の水素側の排出路を前記加熱器に連結すると共に、この
排出路に前記改質装置から電池セルに至る水素供給路か
ら分岐させたバイパス路を連結し、かつこのバイパス路
と前記水素供給路の電池セルへの入口とにそれぞれ流量
調節バルブ　　　　　・を設け、改質装置から供給する
水素量を電池セルで消費される以上に過剰にすると共に
、前記両流量調節バルブの調節により電池セルめ水素利
用率η。（電池セルに供給される水素量Ｆ。

に対する電池セルで消費された水素量Ｆ、の比率）を発
電効率を最大にする範囲に維持しながら、電池セルから
未反応のまま排出された水素と前記バイパス路に分流さ
れた水素とを前記加熱器で燃焼させ、改質装置の自己改
質反応の加熱に供することを特徴とするものである。

〔実施例〕

第１図は本発明による燃料電池の発電システムを示すも
のである。１は燃料供給部、２は改質装置、３は電池セ
ル、４は電力を消費する負荷である。

燃料供給部１にはメタノールを貯溜したタンク５と水を
貯溜したタンク６とが設けられ、それぞれに供給ポンプ
７．８が設けられている。

供給ポンプ７はタンク５のメタノールを改質装置２の加
熱器（バーナ）９に供給し、また供給ポンプ８はタンク
５のメタノールとタンク６の水とを取り出して混合し、
これらを混合燃料として改質装置２に供給するようにな
っている。

改質装置２は蒸発器１０と触媒を充填した反応器１１を
有し、蒸発器１０の下部に加熱器９を設けている。蒸発
器１０には上記供給ポンプ８から混合燃料が供給され、
その混合燃料を加熱器９によって蒸発させ、次いでこれ
を反応器１１で水素ガスに改質させるようになっている
。

電池セル３は公知のものと同様の構造であって、図示し
ない陰極と陽極との間に電解質マトリックスを介在させ
て構成されている。この構成において、陰極側に水素を
供給すると共に、陽極側に空気を供給し、上記水素と空
気の酸素を反応させて電気エネルギと水を発生するよう
になっている。このように電池セル３で発電された電力
は負荷４に供給される。

上記改質装置２と電池セル３との間を接続する水素供給
路２１には、バッファーとして中間タンク２８が接続さ
れている。また、電池セル３から排出路２２が加熱器９
に接続されている。

また、水素供給路２１からは、中間タンク２８を介して
バイパス路２３が分岐し、上記排出路２２の途中に連通
している。このバイパス路２３と、中間タンク２８以後
の水素供給路２２とには、それぞれ流量調節バルブ２５
．２４が設けられている。

このような水素供給路には、改質装置２から改質水素が
発電に消費される水素量を超えた過剰量Ｆ０で供給され
、かつ流量調節バルブ２４゜２５を介することにより電
池セル３側へは水素量Ｆｔで、バイパス路２３側へは水
素量Ｆ、となるように分流されるようにしである。電池
セル３に供給された水素量Ｆ２は、発電のためにＦｇの
水素量が消費され、残量のＦ３を未反応のまま排出路２
２に排出し、この残量Ｆ３と上記バイパス路２３に分流
した水素ＩＰ＋　とが合流して加熱器９に循環するよう
になっている。

この三路から供給されたＦｌとＦ、の水素は加熱器９で
燃焼し、蒸発器１０や反応器１１の加熱に供される。

また、上述した発電装置には、供給ポンプ７゜８および
流ｉｔｖ／４節バルブ２４．２５を駆動制御する制御装
置１２が設けられ、第２図に示すようなフローチャート
によって運転されるようになっている。

この制御装置１２のＣＰＵ　（中央処理装置）１８には
、負荷側から、その負荷４に接続した電圧計１３および
電流計１４から電圧Ｖ、電流■の負荷信号が入力回路１
５を介して入力している。また、燃料電池側から、反応
器１１に設けた温度センサ１６から温度信号ＴＩが、中
間タンク２８から中間タンク圧力Ｐアが、電池セル３か
らセル温度Ｔ６．セル圧力Ｐｃｔ電池セル内差圧Δｐｃ
（水素と酸素との差圧）がそれぞれ入力回路１７を介し
て入力するようにしである。これらの信号に基づいて負
荷りが算出され、それから必要水素量が演算される。そ
して、この演算により駆動回路１９．２０を介して供給
ポンプ７．８が、また駆動回路２６．２７を介して流量
調節バルブ２４．２５がそれぞれ駆動される。上記発電
システムは、このように制御装置１２により運転される
。

上記運転システムにおいて、メタノール用の供給ポンプ
７は主として運転開始時や、急激な負荷上昇時にのみ駆
動され、常時は停止状態になっている。これに対し、混
合燃料用の供給ポンプ８は常時駆動され、かつ負荷の変
動に応じて計算された量を改質装置２に送り、常に過剰
量の改質水素量Ｆ０が生成されるようにしている。また
、改質水素の生成量は反応器１１の温度によっても変化
するため、温度センサ１６が検出した温度信号Ｔｉによ
っても供給ポンプ８による混合燃料の供給量を増減する
ようにしている。

また、流量調節バルブ２４．２５の駆動制御は、電池セ
ル３側へ分流される水素量Ｆ２を調節するためのもので
、その電池セル３での水素利用率ηＨＺｉｚ　（水素量
Ｆ２に対する発電に消費される水素ｊｉ　Ｆ　ｇの比率
；Ｆｇ／Ｆｚ）が、常に発電効率ηｅを最大に維持する
範囲になるようにし、その残りをバイパス路２３へ分流
するようにしている。このような運転をするための水素
利用率ηＨ□としては、０．５０−０．９０の範囲が好
ましい。

上記燃料電池発電システムは上述のように運転されるた
め、メタノール用の供給ポンプ７は、主として運転開始
時および急激な負荷上昇時にのみ駆動され、あるいは必
要により反応器１１の温度制御のために駆動され、常時
は運転されることはない。

上述した発電システムの運転方法によると、少なくとも
定常運転時には、改質装置が自己改質反応によって生成
した水素だけを燃料として運転が行われ、従来装置のよ
うに独立に設けた燃料供給源から燃料供給をしない。し
たがって、従来の大容量の燃焼用燃料供給装置は不要で
あり、またそれに付属する予熱部や気化部も不要である
ため、全体を小型化することができる。

また、この小型化によって可搬性を向上し、車両等にも
簡単に積載することができるようになる。

また、加熱器に対する燃料には従来装置のようにメタノ
ール等を使用せず、水素を燃料とするため排ガスのない
クリーンな燃焼を行わせることができる。

また、上記運転方法では、電池セルに対し発電に必要な
最低量を超える過剰な水素が絶えず供給されるため、負
荷に変動があっても水素利用率η。を上昇させるだけの
対応で直ちに発電応答し、電力を上げることができる。

また、電池セルへの水素供給路をバイパス路で電池セル
側と加熱器側とに分岐すると共に、それぞれ流量調節バ
ルブによって分流量を調節するようにし、それによって
加熱器に対する水素供給とは独立に電池セルに対する水
素供給量を一定の水素利用率になるように設定している
ため、その発電効率を常に最大にして運転することがで
きる。

〔発明の効果〕

本発明は、上述したように燃料タンクと水タンクから供
給ポンプを介して混合燃料を取り出し、この混合燃料を
加熱器を備えた改質装置で水素に改質し、この水素を電
池セルで空気と反応させて発電を行い負荷へ供給する燃
料電池発電システムにおいて、前記電池セルの水素側の
排出路を前記加熱器に連結すると共に、この排出路に前
記改質装置から電池セルに至る水素供給路から分岐させ
たバイパス路を連結し、かつこのバイパス路と前記水素
供給路の電池セルへの入口とにそれぞれ流量調節バルブ
を設け、改質装置から供給する水素量を電池セルで消費
される以上に過剰にすると共に、前記両流量調節バルブ
の調節により電池セルの水素利用率η。

（電池セルに供給される水素量Ｆ２に対する電池セルで
消費された水素量Ｆｇの比率）を発電効率を最大にする
範囲に維持しながら、電池セルから未反応のまま排出さ
れた水素と前記バイパス路に分流された水素とを前記加
熱器で燃焼させ、改質装置の自己改質反応の加熱に供す
るようにしたものである。

したがって、加熱器に対して特別大損かりな燃焼用燃料
供給装置およびそれに伴う予熱部や気化部等の付属装置
が不要となり、全体を小型化することができる。また、
電池セルに絶えず過剰の水素が供給されているため、大
きな負荷変動があっても直ちに発電応答して電力を上げ
ることができ、しかも一定の水素利用率に維持している
ことにより、常に発電効率を最大にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための燃料電池発電スステム
を示す図、第２図は同発電システムの運転フローチャー
ト図である。２・・・改質装置、　３・・・電池セル、　４・・・負
荷、５・・・（メタノール用）タンク、　　６・・・（
水用）タンク、　７，８・・・供給ポンプ、　９・・・
加熱器、１０・・・蒸発器、　１１・・・反応器、　１
２・・・制御装置、　１３・・・電圧計、　１４・・・
電流計、２１・・・水素供給路、　２２・・・排出路、
　２３・・・バイパス路、　２４．２５・・・流量調節
バルブ。第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃料タンクと水タンクから供給ポンプを介して混
合燃料を取り出し、この混合燃料を加熱器を備えた改質
装置で水素に改質し、この水素を電池セルで空気と反応
させて発電を行い負荷へ供給する燃料電池発電システム
において、前記電池セルの水素側の排出路を前記加熱器
に連結すると共に、この排出路に前記改質装置から電池
セルに至る水素供給路から分岐させたバイパス路を連結
し、かつこのバイパス路と前記水素供給路の電池セルへ
の入口とにそれぞれ流量調節バルブを設け、改質装置か
ら供給する水素量を電池セルで消費される以上に過剰に
すると共に、前記両流量調節バルブの調節により電池セ
ルの水素利用率η＿Ｈ＿Ｚ（電池セルに供給される水素
量Ｆ＿２に対する電池セルで消費された水素量Ｆｇの比
率）を発電効率を最大にする範囲に維持しながら、電池
セルから未反応のまま排出された水素と前記バイパス路
に分流された水素とを前記加熱器で燃焼させ、改質装置
の自己改質反応の加熱に供することを特徴とする燃料電
池発電システムの運転方法。
（２）電池セルの水素利用率η＿Ｈ＿Ｚが、０．５０−
０．９０である特許請求の範囲第１項記載の燃料電池発
電システムの運転方法。