(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原料燃料と水とから水素リッチなガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料の供給量を制御する燃焼量制御弁と、前記燃焼量制御弁と前記燃焼部とを接続する連通部と、前記高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記水素生成器で生成される不完全な生成ガスの少なくとも一方のガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記合流部と前記燃焼量制御弁との間の圧力を前記燃焼量制御弁に導く導圧管と、を備えた発電装置。
【請求項２】
さらに合流部と導圧管との間に開閉弁を設けた請求項１記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスまたは水素生成器から排出される所望の組成外の不完全な生成ガスを、水素生成器を加熱するための燃料ガスとして利用する高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下に、従来の高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置について図３を用いて説明する。１は高分子電解質型燃料電池部であり、空気極２と燃料極３とが高分子電解質膜９（例えば、デュポン社製；ナフィオン１１７）を挟んで配置されている。空気極２の上流側は空気を供給するファン４に連通されており、燃料極３の上流側は切替弁５を経て水素生成器６に連通されている。水素生成器６には燃焼部７が隣接して設けられており、燃焼部７で発生する熱で水素生成器６を加熱する構成となっている。燃焼部７の上流側には燃焼量制御弁８が設けられている。天然ガスやメタノールなどの原料燃料および、水蒸気改質反応に必要な原料水が水素生成器６に供給され、燃焼部７に燃焼量制御弁８を経由して燃料が供給されると、燃焼部７で発生する燃焼熱により水素生成器６を所定の温度に昇温する。水素生成器６が所定温度でない間は、生成ガス中にＣＯなどの被毒成分が多く含まれ、所望の組成外の不完全な生成ガスとなっている。この不完全な生成ガスは燃料極３に供給せずに切替弁５を経て外部に排出していた。
【０００３】
また、水素生成器６が所定温度に昇温され、所望の組成の生成ガスを得ると切替弁５を動作させて生成ガスを燃料極３に供給し、高分子電解質型燃料電池１による発電が開始される。燃料極３に供給された生成ガスは、発電によって大部分の水素が消費された後、水素を含むオフガスとして燃料極３から外部に排出されるようになっていた。
【０００４】
このように、従来の高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置では、起動時などに水素生成器６が所定温度でない場合には、生成ガスを燃料極用の燃料として利用することはできず、このガスを外部に排出しており、何らかの着火源によって発火する可能性があるという問題点があった。
【０００５】
さらに、燃料極３から排出されるオフガスには発電によって消費されなかった水素が含まれているので、そのまま排出するとやはり何らかの着火源によって発火するという可能性があったり、着火せずとも、生成された水素の一部が外部に排出されているので、発電装置の運転効率が低下するという問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の有する問題点を解決することを課題とし、水素を含むガスを外部にそのまま排出しない構成の、不適切な着火の可能性が無く、運転効率の高い発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の本発明は、炭化水素系の原料燃料と水とから水素リッチなガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う高分子電解質型燃料電池と、前記水素生成器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料の供給量を制御する燃焼量制御弁と、前記燃焼量制御弁と前記燃焼部とを接続する連通部と、前記高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスおよび前記水素生成器で生成される不完全な生成ガスの少なくとも一方のガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記合流部と前記燃焼量制御弁との間の圧力を前記燃焼量制御弁に導く導圧管と、を備えた発電装置を構成したことを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の本発明は、さらに合流部と導圧管との間に開閉弁を設けた請求項１記載の発電装置を構成したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の本発明によると、燃料極から排出されたオフガスおよび水素生成器で生成される不完全な生成ガスの少なくとも一方のガス（以下、オフガス等）は、連通部に設けられた合流部から燃料に混入され燃焼部に供給される。その際、オフガス等の混入によって合流部の下流のガス流量が増加するので、流路抵抗が大きくなり燃焼量制御弁の下流側の圧力が上昇し、燃焼量制御弁の開度が減少するので、ここを通過する燃料ガス量が小さくなるが、導圧管によって合流部と燃焼量制御弁との間の圧力を燃焼量制御弁に導いているので、ここの圧力上昇が燃焼量制御弁の開度を大きくするように作用し、燃料ガス量を一定に維持することができる。
【００１０】
逆にオフガス等の量が減少した場合には、燃焼量制御部と合流部との圧力が低下するので燃焼量制御弁の開度が増加し、燃焼量制御弁を通過する燃料ガス量が大きくなるが、導圧管によって燃焼量制御弁と合流部との間の圧力を燃焼量制御弁に導いているので、ここの圧力低下が燃焼量制御弁の開度を小さくするように作用し、燃料ガス量を一定に維持することができる。
【００１１】
つまり、合流部に混入されるオフガス等の量が増加あるいは減少しても燃料ガス量を所定量に保持でき、燃焼部での燃焼状態を安定に維持することができるので、オフガス等を外部に排出することなく燃焼部に供給することができる。
【００１２】
オフガス等が外部に排出されないので、水素を含んだ可燃性のガスが発火する可能性を無くすことができ、しかも燃料電池を用いた発電装置の運転効率を向上させることができる。
【００１３】
また、請求項２記載の本発明によると、運転停止時には開閉弁を閉止し、合流部と導圧管及び燃焼量制御弁を遮断する。
【００１４】
この開閉弁を設けない場合には、オフガス等は水蒸気を多く含んでいるので、運転を停止し燃料ガスの供給を停止すると、経路内のオフガス等が導圧管及び燃焼量制御弁に拡散し、温度の低下とともにオフガス等に含まれる水蒸気が結露する。結露水は導圧管及び燃焼量制御弁に溜まるので、運転再開時に燃料の流れに脈動が生じ、燃焼部での燃焼状態が著しく不安定となるという新たな問題点を生じていた。
【００１５】
しかし、開閉弁によって運転停止時に合流部と、導圧管及び燃焼量制御弁とを遮断するので、導圧管及び燃焼量制御弁へのオフガス等の拡散を無くすことで結露水が生じることを防止でき、運転の停止と再開を繰り返しても燃焼部の燃焼状態を安定にできる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置の構成図である。図において、図３で示した従来の高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置と同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図３のものに準ずるものとする。燃焼部７の上流側には燃焼量制御弁８が設けられている。燃焼量制御弁８と燃焼部７とは連通部１０で接続されている。連通部１０には合流部１１が設けられ、その合流部１１には燃料極３から排出されるオフガス、または水素生成器６から不完全に生成される生成ガス（オフガス等）が混入されている。合流部１１の上流側には導圧管１２が設けられている。制御部１３と燃焼量制御弁８とは信号線１４で接続されている。燃焼量制御弁８の内部には逆ロート形状の弁体１５がダイヤフラム１６によって保持されており、開口部１７と弁体１５によって構成される隙間１８が燃料ガス流路となる。弁体１５の上部にはマグネット１９が固定され、マグネット１９の上方には空間を隔てて鉄心２０及びコイル２１が設けられている。ダイヤフラム１６の上部空間は導圧管１２によって燃焼量制御弁８の下流側に連通されている。
【００１８】
次に動作、作用について説明する。制御部１３から信号線１４を経て制御電流がコイル２１に供給され、鉄心２０にマグネット１９と反発する磁力が生じ、マグネット１９が所定の力で下方におしさげられ、弁体１５と開口部１７との間に燃料ガス流量を規定する隙間１８が形成される。燃料ガスは、燃焼量制御弁８の燃料ガス入り口から流入し、隙間１８を流れ燃料ガス出口に連通された連通部１０から合流部１１を経て燃焼部７に供給される。オフガス等は、連通部１０に設けられた合流部１１から燃料ガスに混入され燃焼部６に供給される。オフガス等の混入によって、合流部１１の下流のガス流量が増加するので、流路抵抗が大きくなり燃焼量制御弁８の下流側の圧力が上昇し弁体１５が上方に押し上げられ、隙間１８が減少するので、燃焼ガス量が減少する。しかしながら導圧管１２によって燃焼量制御弁８の下流側の圧力上昇が、ダイヤフラム１６の上部空間に伝達されるので、ダイヤフラム１６が下方に歪み弁体１５が下方に移動するので、隙間１８が広くなり、燃焼ガス量が減少することを抑止でき、燃料ガス量を一定に維持することができる。
【００１９】
逆にオフガス等の量が減少した場合には燃焼量制御部８の下流側の圧力が低下するが、導圧管１２によって燃焼量制御弁８の下流側の圧力低下がダイヤフラム１６の上部空間に伝達され、隙間１８が小さくなるので、燃料ガス量を一定に維持することができる。つまり、合流部１１に混入されるガス量が増加あるいは減少しても燃料ガス量を所定量に保持でき、燃焼部７での燃焼状態を安定に維持することができるので、オフガス等を外部に排出することなく燃焼部７に供給することができる。オフガス等が外部に排出されないので、水素を含んだ可燃性のガスが発火する可能性を無くすことができ、発電装置の運転効率を向上させることができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の異なる実施の形態である高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置の構成図である。（実施の形態１）と異なる点は合流部１１と導圧管１２との間に開閉弁３０を設けたところである。なお（実施の形態１）と同一符号のものは同一構成を有し、説明は省略する。
【００２１】
次に動作、作用について説明する。運転停止時には開閉弁３０を閉止し、合流部１１と導圧管１２及び燃焼量制御弁８を遮断する。オフガス等は水蒸気を多く含んでいるので、通常に運転を停止したり、何らかの原因で運転を停止したりしたときに、燃料ガスの供給が停止すると、オフガス等が、導圧管１２及び燃焼量制御弁８の内部のダイヤフラム１６などに拡散し、温度の低下とともに含まれる水蒸気が結露する。結露水は導圧管１２及びダイヤフラム１６などに溜まるので、コイル２１に供給される制御電流が一定であっても、隙間１８が一定とならず変動するため、運転再開時に燃料ガスの流れが脈動などの不安定な流れとなり、燃焼部７での燃焼状態が著しく不安定となる。しかしながら、開閉弁３０を閉止することによって運転停止時に合流部１１と導圧管１２及び燃焼量制御弁８を遮断することができるので、導圧管１２及び燃焼量制御弁８へのオフガス等の拡散を無くすことができ、結露水が生じることを防止できるので、運転の停止と再開を繰り返しても燃焼部７の燃焼状態を安定にできる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃焼量制御弁の下流側の圧力変化を燃焼量制御弁に導く導圧管を設けているので、合流部に混入されるガス量が増加あるいは減少しても燃料ガス量を所定量に保持でき、燃焼部での燃焼状態を安定に維持することができ、燃料極からのオフガスまたは水素生成器から不完全に生成される生成ガス（オフガス等）を外部に排出することなく燃焼部に供給することができる。オフガス等が外部に排出されないので、水素を含んだ可燃性のガスが発火する可能性を無くすことができ、発電装置の運転効率を向上させることができる。
【００２３】
また、合流部と導圧管との間に開閉弁を設けているので、運転停止時に開閉弁を閉止し合流部と、導圧管及び燃焼量制御弁とを遮断することができるので、導圧管及び燃焼量制御弁への、オフガス等の拡散を無くすことができ、これらのガス中に含まれる水蒸気による結露水が生じることを防止できるので、運転の停止と再開を繰り返しても燃焼部の燃焼状態を安定にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置の構成図
【図２】本発明の異なる実施の形態である高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置の構成図
【図３】従来の高分子電解質型燃料電池を用いた発電装置の構成図
【符号の説明】
１  高分子電解質型燃料電池
２  空気極
３  燃料極
４  ファン
５  切替弁
６  水素生成器
７  燃焼部
８  燃焼量制御弁
９  高分子電解質膜
１０  連通部
１１  合流部
１２  導圧管
１５  弁体
１６  ダイヤフラム
１７  開口部
１８  隙間
１９  マグネット
２０  鉄心
２１  コイル
【図１】
0003680671.tif 000002
【図２】
0003680671.tif 000003
【図３】
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