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技術 燃料電池発電機

出願人 パナソニック電工株式会社
発明者 高谷昌宏
出願日 2001年10月26日 (19年2ヶ月経過) 出願番号 2001-329518
公開日 2003年5月9日 (17年7ヶ月経過) 公開番号 2003-132920
状態 未査定
技術分野 水素、水、水素化物 水素、水、水素化物 燃料電池(本体) 燃料電池(システム)
主要キーワード 圧力変動分 カセットボンベ 調整温度 燃料電池発電機 チュービングポンプ 調圧器 弾性体製 原料ガス供給配管
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この項目の情報は公開日時点(2003年5月9日)のものです。
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課題

改質器の反応を安定化させるために、改質器へ供給する水の供給流量を安定化することのできる燃料電池発電機を提供する。

解決手段

原料ガスを供給するボンベ1と、水を貯える水タンク4と、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器6と、改質ガスを導入して発電する燃料電池7とを備えていると共に、上記水タンク4と水タンク側配管8aを介して連結され、かつ、上記改質器6と改質器側配管8bを介して連結された水ポンプとを備えてなる燃料電池発電機において、上記改質器側配管8bに絞り機構10を有している燃料電池発電機。

概要

背景

燃料電池発電機は、原料ガス改質して得られる水素豊富改質ガス及び空気を夫々電極に導入し、一対の電極間電気化学反応に基づく発電を行うものである。近年、この燃料電池発電機は、発電効率が高く、大気汚染物質の排出が少なく、また、騒音も少ないものとして、各種用途に採用されている。これに伴って、燃料電池発電機は、可搬型一般家庭で用いる小型のものが注目されている。

上記燃料電池発電機の一例を図4に示す。上記燃料電池発電機は、原料ガスを供給するボンベ21としてブタンガスカセットボンベと、水を貯える水タンク24と、原料ガスと水から改質ガスを生成する改質器26と、電極を対とした複数のセルからなる燃料電池27を備える。また、上記原料ガスは、調圧器22でカセットボンベから供給されるガスの圧力を調整し、流量調整バルブ23を有する原料ガス供給配管を通って、改質器26に供給される。上記改質器26は、原料ガスと水タンク24から供給される水とで、水蒸気改質反応を行い改質ガスを生成し、改質ガス供給配管26fを介して燃料電池27に改質ガスを供給する。

上記改質器26には、改質部26c及び、これに連接するシフト反応部26d及び、選択酸化反応部26eで触媒を用いて各種の反応が行われる。改質器26では、この反応を良好に行うために、温度調整が行われ、上記改質部26cは、原料ガスの種類によって規定されるが、原料ガスにブタンを用いた場合、良好な水蒸気改質反応を行うために600〜800℃に加熱される。また、改質部26cに連接したシフト反応部26dは、200〜300℃程度に、選択酸化反応部26eは120〜180℃程度に温度調整される。

上記燃料電池27は、複数のセルからなり、上記1組のセルは、固体高分子膜を有し、固体型高分子膜の片側の電極に改質ガスが、他の側の電極に空気(酸素)が供給されて発電が行われる。

上記燃料電池発電機は、水タンク24の水を改質器26に供給するために、水タンク24と水タンク側配管28aを介して連結され、かつ、改質器26と改質器側配管28bを介して連結された水ポンプ25を備えている。

水ポンプ25から、改質器26に供給される水の供給流量SXは、水ポンプ25の出口部25bの圧力をPXとし、改質器26の水導入部26aの圧力をPYとすると、その差圧ΔPに依存した値になる。従って、この差圧ΔPが一定であれば、常に、安定した基準の水の供給流量S0に保つことができる。ところが、改質器26の水導入部26aの圧力PYは、改質器26における水蒸気改質反応の反応状態で影響を受け、特に、改質器26の各反応部の調整温度等の変動に伴って、水導入部26aの圧力PYも変動する傾向にあった。また、燃料電池27は、改質器26に直列に配されているので、燃料電池27の外部出力の状況、すなはち、燃料電池27で消費される改質ガス中水素量の変化等にも影響を受けて、圧力PYも変動する傾向にあった。そして、改質器26の水導入部16aの圧力PYが変動する結果、水ポンプ25の出口部25bと改質器26の水導入部16aの差圧ΔPが変動し、改質器26に供給される水の供給流量を安定に保つことができないという問題が生じていた。

改質器26に供給される水の供給流量を安定に保つことができないと、改質器26での水蒸気改質反応が低下する傾向を生じ、生成される改質ガスの絶対量や改質ガス中の水素濃度の低下等を招くので、その結果、燃料電池発電機で十分な外部出力を得ることができなくなる場合があるという問題を生じていた。

概要

改質器の反応を安定化させるために、改質器へ供給する水の供給流量を安定化することのできる燃料電池発電機を提供する。

原料ガスを供給するボンベ1と、水を貯える水タンク4と、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器6と、改質ガスを導入して発電する燃料電池7とを備えていると共に、上記水タンク4と水タンク側配管8aを介して連結され、かつ、上記改質器6と改質器側配管8bを介して連結された水ポンプとを備えてなる燃料電池発電機において、上記改質器側配管8bに絞り機構10を有している燃料電池発電機。

目的

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、改質反応を安定化させるため、改質器へ供給する水の供給流量を安定に保つことのできる燃料電池発電機を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

原料ガスを供給するボンベと、水を貯える水タンクと、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを導入して発電する燃料電池とを備えていると共に、上記水タンクと水タンク側配管を介して連結され、かつ、上記改質器と改質器側配管を介して連結される水ポンプとを備えてなる燃料電池発電機において、上記改質器側配管に絞り機構を有していることを特徴とする燃料電池発電機。

請求項2

上記絞り機構が流量調整バルブであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電機。

請求項3

上記絞り機構がオリフィスであることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電機。

請求項4

上記絞り機構が、上記水ポンプと上記絞り機構の間の配管よりも細い配管からなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池発電機。

請求項5

上記水ポンプが、プランジャーポンプであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の燃料電池発電機。

請求項6

上記水ポンプと上記絞り機構との間にある配管の一部を、弾性体製の配管で形成していることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池発電機。

請求項7

上記水ポンプと上記絞り機構との間の配管に、分岐させた拡張部を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池発電機。

技術分野

0001

本発明は、原料ガスを供給するボンベと、水を貯える水タンクと、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスを導入して発電する燃料電池を備える燃料電池発電機に関するものである。

背景技術

0002

燃料電池発電機は、原料ガスを改質して得られる水素豊富な改質ガス及び空気を夫々電極に導入し、一対の電極間電気化学反応に基づく発電を行うものである。近年、この燃料電池発電機は、発電効率が高く、大気汚染物質の排出が少なく、また、騒音も少ないものとして、各種用途に採用されている。これに伴って、燃料電池発電機は、可搬型一般家庭で用いる小型のものが注目されている。

0003

上記燃料電池発電機の一例を図4に示す。上記燃料電池発電機は、原料ガスを供給するボンベ21としてブタンガスカセットボンベと、水を貯える水タンク24と、原料ガスと水から改質ガスを生成する改質器26と、電極を対とした複数のセルからなる燃料電池27を備える。また、上記原料ガスは、調圧器22でカセットボンベから供給されるガスの圧力を調整し、流量調整バルブ23を有する原料ガス供給配管を通って、改質器26に供給される。上記改質器26は、原料ガスと水タンク24から供給される水とで、水蒸気改質反応を行い改質ガスを生成し、改質ガス供給配管26fを介して燃料電池27に改質ガスを供給する。

0004

上記改質器26には、改質部26c及び、これに連接するシフト反応部26d及び、選択酸化反応部26eで触媒を用いて各種の反応が行われる。改質器26では、この反応を良好に行うために、温度調整が行われ、上記改質部26cは、原料ガスの種類によって規定されるが、原料ガスにブタンを用いた場合、良好な水蒸気改質反応を行うために600〜800℃に加熱される。また、改質部26cに連接したシフト反応部26dは、200〜300℃程度に、選択酸化反応部26eは120〜180℃程度に温度調整される。

0005

上記燃料電池27は、複数のセルからなり、上記1組のセルは、固体高分子膜を有し、固体型高分子膜の片側の電極に改質ガスが、他の側の電極に空気(酸素)が供給されて発電が行われる。

0006

上記燃料電池発電機は、水タンク24の水を改質器26に供給するために、水タンク24と水タンク側配管28aを介して連結され、かつ、改質器26と改質器側配管28bを介して連結された水ポンプ25を備えている。

0007

水ポンプ25から、改質器26に供給される水の供給流量SXは、水ポンプ25の出口部25bの圧力をPXとし、改質器26の水導入部26aの圧力をPYとすると、その差圧ΔPに依存した値になる。従って、この差圧ΔPが一定であれば、常に、安定した基準の水の供給流量S0に保つことができる。ところが、改質器26の水導入部26aの圧力PYは、改質器26における水蒸気改質反応の反応状態で影響を受け、特に、改質器26の各反応部の調整温度等の変動に伴って、水導入部26aの圧力PYも変動する傾向にあった。また、燃料電池27は、改質器26に直列に配されているので、燃料電池27の外部出力の状況、すなはち、燃料電池27で消費される改質ガス中水素量の変化等にも影響を受けて、圧力PYも変動する傾向にあった。そして、改質器26の水導入部16aの圧力PYが変動する結果、水ポンプ25の出口部25bと改質器26の水導入部16aの差圧ΔPが変動し、改質器26に供給される水の供給流量を安定に保つことができないという問題が生じていた。

0008

改質器26に供給される水の供給流量を安定に保つことができないと、改質器26での水蒸気改質反応が低下する傾向を生じ、生成される改質ガスの絶対量や改質ガス中の水素濃度の低下等を招くので、その結果、燃料電池発電機で十分な外部出力を得ることができなくなる場合があるという問題を生じていた。

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、改質反応を安定化させるため、改質器へ供給する水の供給流量を安定に保つことのできる燃料電池発電機を提供することにある。

課題を解決するための手段

0010

請求項1に係る発明の燃料電池発電機は、原料ガスを供給するボンベと、水を貯える水タンクと、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを導入して発電する燃料電池とを備えていると共に、上記水タンクと水タンク側配管を介して連結され、かつ、上記改質器と改質器側配管を介して連結された水ポンプとを備えてなる燃料電池発電機において、上記改質器側配管に絞り機構を有していることを特徴としている。

0011

請求項2に係る発明の燃料電池発電機は、請求項1記載の燃料電池発電機において、上記絞り機構が流量調整バルブであることを特徴としている。

0012

請求項3に係る発明の燃料電池発電機は、請求項1記載の燃料電池発電機において、上記絞り機構がオリフィスであることを特徴としている。

0013

請求項4に係る発明の燃料電池発電機は、請求項1記載の燃料電池発電機において、上記絞り機構が、上記水ポンプと上記絞り機構との間の配管よりも細い配管からなることを特徴としている。

0014

請求項5に係る発明の燃料電池発電機は、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の燃料電池発電機において、上記水ポンプが、プランジャーポンプであることを特徴としている。

0015

請求項6に係る発明の燃料電池発電機は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池発電機において、上記水ポンプと上記絞り機構との間の配管の一部を、弾性体製の配管で形成していることを特徴している。

0016

請求項7に係る発明の燃料電池発電機は、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の燃料電池発電機において、上記水ポンプと上記絞り機構との間にある配管に、分岐させた拡張部を備えることを特徴としている。

発明を実施するための最良の形態

0017

本発明を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施の形態を示した、燃料電池発電機を模式的に示したブロック図である。

0018

上記燃料電池発電機は、原料ガスを供給するボンベ1と、水を貯える水タンク4と、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器6と、水タンクの水を改質器6に供給する水ポンプ5と、電極を対とした複数のセルからなる燃料電池7を備える。

0019

上記原料ガスは、例えば、ブタンガス、プロパンガスメタンガス液化石油ガス等の炭化水素系の気体灯油軽油ガソリン等の炭化水素系の液体メタノールエタノール等のアルコール系燃料が挙げられる。この原料ガスを貯蔵したボンベ1としては、入手が容易で取り扱いの便宜性から、ブタンガスを貯蔵した可搬型のブタンカセットボンベが好適である。ボンベ1に貯蔵された上記原料ガスは、調圧器2でガスの圧力が調整され、気化した状態で原料ガス供給配管へ送られる。上記原料ガス供給配管は、配管中に原料ガスの供給を調整する流量調整バルブ3を設けおり、上記原料ガスは、原料ガス供給配管及び、改質器6の原料ガス導入部6bを通って、改質器6に供給される。

0020

上記改質器6は、上記原料ガスが供給され、また、同時に水タンク4から水が供給され、原料ガスと水とで水蒸気改質反応がなされ、水素に富んだ改質ガスを生成するものである。生成した改質ガスは、改質ガス供給配管6fを介して燃料電池7に供給される。

0021

上記燃料電池7は、複数のセルからなり、上記1組のセルは、固体型高分子膜を有し、固体型高分子膜の片側の電極に改質ガスが、他の側の電極に空気(酸素)が供給されて発電を行う。

0022

水ポンプ5は、水タンク4と水タンク側配管8aを介して連結されおり、また、改質器6と改質器側配管8bを介して連結されている。そして、本発明の燃料電池発電機は、上記改質器側配管8bの配管中に絞り機構10を有するものである。

0023

上記改質器6に供給される水の供給流量SXは、水ポンプ5の出口部5bの圧力PXと、改質器6の水導入部6aの圧力PYとの差圧ΔP(=PX−PY)に依存する値となる。もし、圧力PYが基準の圧力P0で安定であれば、差圧ΔPは変動しないので、改質器6に供給される水の供給流量SXは、基準の水の供給流量S0で安定になる。ところが、圧力PYが、改質器6の中でおこる水蒸気改質反応の反応条件の変化等により、PY=P0±αに変動すると、その差圧ΔP[=PX−(P0±α)]も変動することとなり、その結果、差圧ΔPの変動率に応じて、水の供給流量SXも基準の供給流量S0から変動して、安定しないことになる。

0024

ここで、圧力PYの圧力変動分αに比べ、差圧ΔPを十分に大きくすることができれば、その結果、差圧ΔPの変動率を小さくすることができる。差圧ΔPを大きくするためには、水ポンプ5の出口部5bの圧力PXを大きくすれば良いが、圧力PXを大きくするのみでは、水の供給流量SXが基準の供給流量S0より多くなってしまう。そこで、本発明では、圧力PXを大きくして、差圧ΔPを大きくすると共に、絞り機構10を用いて、改質器側配管8bの配管を絞ることで、水の供給流量SXが基準の供給流量S0となるようにしている。

0025

上記絞り機構10としては、改質器側配管8bの途中に流量調整バルブを設けても良い。流量調整バルブは、絞り具合を簡便に調整できる点で好ましく、さまざまな規格のものが汎用されており、入手が容易であるので好ましい。

0026

また、改質器側配管8bの途中に挿入して流路を絞ることのできる、小さな穴を開けたオリフィスを用いても良い。穴の径は、絞り機構10と水ポンプ5との間にある配管の管径より小さな径が選ばれる。オリフィスは、構造が簡単で、安価である点で好ましい。

0027

その他、絞り機構と水ポンプとの間にある配管の管径より小さな径の配管を用いることもできる。絞り機構として、上記配管を用いる場合は、流調バルブ開口径やオリフィスの穴径に比べ、大きな管径にすることができ、目詰まり等が起こり難いので好ましい。

0028

上記水ポンプとしては、プランジャーポンプ、ロータリーポンプチュービングポンプ等を用いることができる。その中でも、プランジャーポンプを用いるのが、圧力をより高圧にすることができるので、好ましい。

0029

また、プランジャーポンプ等のように、脈動を有するポンプを使用する場合には、図2に示すように、水ポンプと絞り機構との間にある改質器側配管の一部にフッ素系ゴムシリコンゴム等の弾性体でできた配管11を用いることもできる。これにより、水ポンプの脈動を弾性体でできた配管11が吸収する傾向にあるので、水ポンプの脈動の影響を低減させる効果の点で、好ましい。

0030

また、図3に示すように、水ポンプと絞り機構との間にある改質器側配管に分岐させた拡張部12を設けても良い。この拡張部内の水が、ポンプの脈動を吸収する傾向にあるので、ポンプの脈動の影響を低減させる効果の点で好ましい。

0031

次に、本発明の原理についてさらに説明する。

0032

一例として、以下の仮定のもとで、検討する。
(1)改質器の水導入部圧力PYの基準の圧力P0をP0=5.5MPaとし、改質器内の改質反応条件の変動等によって、PYがP0±1.5MPa変動すると仮定する。
(2)ポンプの出口部圧力PXは、絞り機構がない場合PX=10MPaで、絞り機構を用いることで、PX=50MPaに高くできると仮定する。

0033

上記条件において、差圧ΔPの変動率を見積った結果を表1に示す。

0034

0035

表1から、明らかのように、絞り機構10を用いれば、水ポンプの出口部5bの圧力PXを高くすることができ、改質器6の水導入部6aにおける圧力PYの圧力変動分よりも、差圧ΔPを十分に大きくすることができるので、その結果、差圧ΔPの変動率を、抑えることができる。

0036

改質器に供給する水の供給流量SXは、差圧ΔPに依存する値なので、差圧ΔPの変動率を抑えることにより、水の供給流量SXの変動も低減し、改質器6への水の供給流量を安定化させることが可能となる。

発明の効果

0037

請求項1〜7に係る発明の燃料電池発電機は、原料ガスを供給するボンベと、水を貯える水タンクと、原料ガスと水から水素に富んだ改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを導入して発電する燃料電池とを備えていると共に、上記水タンクと水タンク側配管を介して連結され、かつ、上記改質器と改質器側配管を介して連結された水ポンプとを備えてなる燃料電池発電機において、上記改質器側配管に絞り機構を有しているので、上記改質器に供給する水の供給流量を安定化させることが可能な燃料電池発電機となる。

図面の簡単な説明

0038

図1本発明の一実施の形態を、模式的に示したブロック図である。
図2本発明の別の実施の形態を、模式的に示したブロック図である。
図3本発明のさらに別の実施の形態を、模式的に示したブロック図である。
図4本発明の従来例を、模式的に示したブロック図である。

--

0039

1ボンベ
4水タンク
5水ポンプ
6改質器
7燃料電池
8a 水タンク側配管
8b 改質器側配管
10 絞り機構

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