JP2000323161A - 燃料電池用燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質ガスの生成量を、負荷変動に応じて直ち
に変動させることが可能な燃料電池用燃料改質装置を提
供する。 【解決手段】 水及び燃料の混合液を加熱加圧状態で貯
留する副蒸発器６と、改質ガス生成量の増加要求に応じ
て、加熱加圧状態の混合液を補助燃料蒸気として蒸発器
３に供給させる制御手段とを備えた燃料改質装置１を採
用する。加熱加圧状態の混合液を蒸発器３に供給する
と、混合液の圧力が急激に低下するために混合液が減圧
蒸発されて新たな燃料ガスである補助燃料蒸気が生成す
る。かかる燃料改質装置１によれば、改質ガス生成量の
増加要求がされたときに、改質ガスの増加の要求以前よ
りも燃料ガス量を大きくでき、これによって改質ガスの
生成量を増加させることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスから改質
ガスを生成する燃料電池用燃料改質装置に関するもので
あり、特に、改質ガスの増加の要求に応じて、直ちに改
質ガスを増加できる燃料電池用燃料改質装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型の燃料電池は、アノード及
びカソードで高分子電解質膜を挟んでなるスタックセル
を具備してなるもので、アノードに水素、カソードに酸
素をそれぞれ供給して電気化学反応を起こして発電する
ようになっている。また従来から、前記の燃料電池の水
素供給源としては、燃料改質装置が用いられている。こ
の燃料改質装置は、炭化水素またはアルコール系の燃料
と水を気化して燃料ガスを生成し、これを改質触媒を用
いて改質することにより、水素を含む改質ガスを生成す
るものである。この燃料電池と燃料改質装置により、燃
料電池システムが構成される。

【０００３】この従来の燃料電池システムを図面を参照
して説明する。図７には従来の燃料電池システム１０１
の構成図を示す。この燃料電池システム１０１は、燃料
電池１０２と、燃料改質装置１０３と、２次電池１１１
とから構成されている。燃料電池１０２は、固体高分子
型のもので、高分子電解質膜をアノード及びカソードで
挟んでなる複数のスタックセルが積層されて構成されて
いる。燃料改質装置１０３は、燃料電池１０２に水素を
含む改質ガスを供給するものである。２次電池１１１
は、燃料電池１０２によって発電された電力を充電して
おくもので、例えば鉛電池、ニッケル水素電池、リチウ
ムイオン電池等からなるものである。また、この燃料電
池システム１０１（２次電池１１１）には、負荷装置１
１２が接続されている。

【０００４】燃料改質装置１０３は、燃焼ガスを生成す
る燃焼器１０４と、前記燃焼ガスの熱により燃料と水の
混合液を蒸発させて燃料ガスを生成する蒸発器１０５
と、図示しない改質触媒を備えて燃料ガスをこの改質触
媒により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器
１０６とを主体として構成されている。また蒸発器１０
５には、水と燃料の混合液が充填された混合液タンク１
０７が取り付けられていて、蒸発器１０５に水及び燃料
を供給できるようになっている。燃料としては、例えば
メタノールが用いられる。また、燃焼器１０４には、燃
料電池１０２から未反応ガスを含む排ガスが供給され、
この排ガスを燃焼することによって、燃焼ガスを生成で
きるようになっている。

【０００５】この燃料電池システム１０１においては、
燃料改質装置１０３で改質ガスを生成し、この改質ガス
を燃料電池１０２のアノードに供給して発電を行い、発
電された電力を一時的に２次電池１１１に充電し、負荷
装置１１２の負荷量に応じた電力を、この２次電池１１
１から負荷装置１１２に供給する。

【０００６】上記の燃料電池システム１０１では、２次
電池１１１にある程度の電力を充電しておき、負荷装置
１１２の負荷量に応じた電力を、２次電池１１１から負
荷装置１１２に供給するように構成されているので、２
次電池１１１が電力のバッファとしての役割を担い、負
荷量が急激に増加した場合でも、安定して電力を供給す
ることができる。

【０００７】ところで、上記の燃料電池システム１０１
の２次電池１１１は、バッファとしての役割を果たすの
で大きな充電容量を確保する必要があるため、その大き
さ及び重量が大きくなり、そのため燃料電池システム１
０１自体が大型化してしまうという問題があった。

【０００８】この問題を解決するためには、２次電池１
１１を必要としないか、若しくは小型で小容量な２次電
池を備えた燃料電池システムが求められるが、それのた
めには、燃料電池１０２の発電量を負荷変動に直ちに追
従させる必要があり、これを実現するには、燃料電池１
０２の発電量が主として改質ガスの供給量に支配される
ことに鑑みて、燃料改質装置１０３における改質ガスの
生成量を、負荷変動に応じて直ちに変動させることが必
要となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで燃料電池用燃
料改質装置１０３においては、改質ガスの生成量は燃料
ガスの生成量に依存するので、負荷量の変動に応じて改
質ガスの生成量を変動させるためには、負荷量の変動に
応じて燃料ガスの生成量を変動させる必要がある。しか
し、従来の燃料改質装置１０３の蒸発器１０５は、通常
運転時には、燃料電池１０２の排ガスを燃焼して生成し
た燃焼ガスを熱源としていて、燃焼ガスの生成量が原燃
料の生成量とほぼ平衡となるように一定であるため、負
荷量の変動に応じて燃料ガスの生成量を変動させるのが
困難であるという課題があった。

【００１０】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、改質ガスの生成量を、負荷変動に
応じて直ちに変動させることが可能な燃料電池用燃料改
質装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成を採用した。本発明の燃料電
池用燃料改質装置は、水及び燃料を蒸発させて燃料ガス
を生成する蒸発器（実施形態では蒸発器３）と、前記燃
料ガスを改質して改質ガスを生成する改質器（実施形態
では改質器４）とを具備してなり、水及び燃料の混合液
を加熱加圧状態で貯留する副蒸発器（実施形態では副蒸
発器６、５６）と、前記改質ガス生成量の増加要求に応
じて、前記加熱加圧状態の混合液を減圧蒸発させて生成
した補助燃料蒸気を前記蒸発器に供給させる制御手段と
を備えてなるものである。

【００１２】加熱加圧状態の混合液を制御弁を介して蒸
発器に供給すると、混合液の圧力が急激に低下するため
に混合液が減圧蒸発されて補助燃料蒸気が生成し、この
補助燃料蒸気が蒸発器に供給される。従って、かかる燃
料改質装置によれば、改質ガス生成量の増加要求に応じ
て、副蒸発器から補助燃料蒸気（燃料ガス）を追加して
供給するので、改質ガスの増加の要求以前よりも燃料ガ
ス量が大きくなり、これによって改質ガス及び燃焼ガス
の生成量を増加させることが可能になる。

【００１３】また、前記副蒸発器は、１または１以上の
副蒸発部（実施形態では副蒸発部７、７Ａ、７Ｂ、７
Ｃ）を具備してなるものであり、この副蒸発部は、加熱
媒体を通過させる加熱通路（実施形態では加熱通路３
１）と、蓄熱材が充填されると共に該加熱通路に隣接し
て設けられた蓄熱室（実施形態では蓄熱室３２）と、前
記混合液を貯留すると共に前記蓄熱室に隣接して設けら
れた混合液室（実施形態では混合液室３３）とを備えて
おり、前記制御手段は、前記の各混合液室の出口側にそ
れぞれ設けられた少なくとも１以上の制御弁（実施形態
では制御弁２５、７１、７２、７３）と、改質ガス生成
量の増加要求の信号が入力されたときに、該信号の要求
値に基づいて、前記制御弁の一部若しくは全部を開かせ
ることにより、前記蒸発器への前記補助燃料蒸気の供給
量を調整する調整部（実施形態では調整部２２、６２）
とを備えなることが好ましい。

【００１４】かかる副蒸発器においては、加熱媒体が加
熱通路を通過する際に、この加熱媒体と蓄熱材との間で
熱交換が行われ、蓄熱材が加熱される。また、蓄熱材と
混合液との間で熱交換が行われて混合液が加熱され、こ
の混合液が加熱加圧の状態で貯留される。このようにし
て、蓄熱材を介して加熱媒体と混合液とが熱交換するこ
とにより、混合液を加熱媒体の熱によって効率的に加熱
することが可能となる。また、かかる制御手段によれ
ば、要求される改質ガスの生成量に応じて、前記制御弁
の一部若しくは全部を開かせることにより、補助燃料蒸
気を蒸発器に供給する際に、新たに追加する補助燃料蒸
気の量を、作動させる制御弁の数により調整することが
可能となり、これにより改質ガスの要求量に応じた量の
燃料ガスを生成することが可能となる。

【００１５】また、本発明の燃料電池用燃料改質装置に
おいては、前記蒸発器に加熱媒体を生成する燃焼器（実
施形態では燃焼器２）が備えられ、前記加熱媒体が前記
蒸発器を経て前記副蒸発器に導入されるように構成され
ている。これにより、燃焼器で生成した加熱媒体を、副
蒸発部で再利用することができ、燃料改質装置の熱効率
を向上させることができる。

【００１６】また、前記蒸発器は、前記副蒸発器から供
給された補助燃料蒸気を加熱するように構成されてい
る。これにより、副蒸発器から供給された混合液は、減
圧蒸発されると同時に蒸発器によって加熱されるので、
高温の燃料ガスとすることができる。

【００１７】また、前記制御手段は、前記蓄熱材の温度
を検出する温度検出器（実施形態では温度計２７）と、
前記蓄熱材の温度が蓄熱上限温度に達したときに、前記
制御弁の一部若しくは全部を開かせる温度制御部（実施
形態では温度制御部２３）とを備えていてもよい。かか
る制御手段によれば、前記蓄熱材の温度が蓄熱上限温度
に達したときに、混合液を蒸発器に供給すると同時に新
たな混合液が副蒸発器に供給され、この新たな混合液の
温度は蓄熱材の温度よりも低いので蓄熱材が冷却される
ので、蓄熱材の過度な温度上昇を防止することが可能に
なる。このとき、蒸発器に供給する水及び燃料の量を、
副蒸発器から供給される補助燃料蒸気分を減じた量とす
ることにより、燃料が節約されて燃料改質装置の効率が
低下することがない。

【００１８】更に、副蒸発器の入口側には、混合液導入
通路（実施形態では混合液導入管３３Ｆ、５６Ｂ、５６
Ｃ、５６Ｄ及び導入管５６Ｈ）が設けられると共に該混
合液導入通路の途中に逆止弁（実施形態ではチェックバ
ルブ２６、７４、７５、７６）が設けられている。そし
て前記制御手段は、前記混合液導入通路に設けられて前
記逆止弁より上流側に位置する加圧器（実施形態ではポ
ンプ２８）と、前記副蒸発器内部の温度に基づいて、前
記加圧器を制御して前記混合液導入通路内の圧力を調整
する圧力制御部（実施形態では圧力制御部２４）とを備
えてなる。

【００１９】逆止弁は、副蒸発器からの混合液の逆流を
防ぐものであり、加圧器の圧力を副蒸発器内の圧力より
高くしたときに、逆止弁が開いて混合液を副蒸発器に供
給することができる。従って、副蒸発器内部の温度に応
じて、加圧器より下流側の混合液導入通路内の圧力を調
整することによって、副蒸発器内の圧力を調整すること
になり、副蒸発器内部の温度が変化しても、副蒸発器へ
の混合液の供給が可能になる。また、圧力制御部は、制
御弁が開いて副蒸発器から混合液の全量が放出された後
に、新たな混合液を副蒸発器内部に供給するように加圧
器を制御することが好ましい。これにより、副蒸発器か
らの補助燃料蒸気の供給量を、常に一定に保つことがで
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態で
ある燃料電池用燃料改質装置を図面を参照して説明す
る。図１には本発明の第１の実施形態である燃料電池用
燃料改質装置１の構成図を示し、図２〜図５には、燃料
改質装置１に備えられた副蒸発器の詳細構造を示す。

【００２１】図１において、この燃料改質装置１は、原
料ガスを改質して改質ガスを生成するもので、燃焼ガス
（加熱媒体）を生成する燃焼器２と、前記燃焼ガスの熱
により燃料と水の混合液を蒸発させて燃料ガスを生成す
る蒸発器３と、燃料ガスを改質して水素を含む改質ガス
を生成する改質器４と、副蒸発器６と、制御手段である
制御装置２１を主体として構成されている。

【００２２】燃焼器２には図示しない燃焼用触媒が備え
られている。燃焼用燃料が燃焼器２に供給されると、こ
の燃焼用燃料が燃焼用触媒上にて燃焼されて高温の燃焼
ガスが生成される。この燃焼ガスは蒸発器３に供給され
る。

【００２３】蒸発器３には、図示しない噴射装置が取り
付けられ、この噴射装置には配管を介して混合液タンク
５が取り付けられている。混合液タンク５には燃料と水
の混合液が充填されている。燃料としては、例えばメタ
ノールが用いられる。噴射装置から蒸発器３内に噴射さ
れた混合液が、燃焼ガスの熱により蒸発されて燃料ガス
が生成される。燃焼ガスは混合液と熱交換することにな
り、その温度が低下されて蒸発器３から排出される。

【００２４】改質器４には、図示しない改質触媒が備え
られており、この改質触媒は３００℃以上に加熱されて
いて、燃料ガスが空気中の酸素と共にこの改質器４に供
給されると、改質触媒上にて以下の反応式（１）〜
（３）に示される反応が進行して、改質ガスが生成す
る。

【００２５】 ＣＨ₃ＯＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ３Ｈ₂ ＋ ＣＯ₂ …（１） ＣＨ₃ＯＨ ＋ ２Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ＋ ＣＯ₂ …（２） ＣＨ₃ＯＨ → ２Ｈ₂ ＋ ＣＯ …（３）

【００２６】反応式（１）は、燃料であるメタノールと
水による改質反応であって水素（Ｈ ₂）が生成し、反応
式（２）は、メタノールの酸化反応であって水（Ｈ
₂Ｏ）が生成し、反応式（３）は、メタノールの分解反
応であり、微量の一酸化炭素（ＣＯ）が副成する。改質
反応（反応式（１））は吸熱反応であって外部からの熱
の供給が必要とされ、メタノールの酸化（反応式
（２））により発生する酸化熱によりこれを補う。この
ようにして、水素、水蒸気及び微量の一酸化炭素を含む
改質ガスが生成する。なお、図示しないが、改質器４の
下流側に一酸化炭素除去器を設置して、副成した一酸化
炭素を酸化して二酸化炭素とすることにより、改質ガス
中の一酸化炭素を除去することが好ましい。

【００２７】改質器４の下流側には、燃料電池１１が接
続されている。この燃料電池１１は、固体高分子型のも
ので、高分子電解質膜をアノード及びカソードで挟んで
なる複数のスタックセルが積層されて構成されている。
生成された改質ガスは、燃料電池１１のアノードに供給
され、同時にこの燃料電池１１のカソードには空気（酸
素）が供給されて、酸素と水素の電気化学反応が進行し
て発電が行われる。

【００２８】また、燃料電池１１から排出された未反応
ガスを含む排ガスは、燃焼器２に供給され、燃焼器２に
てこの排ガスを燃焼することによって、燃焼ガスを生成
できるように構成されている。

【００２９】燃料電池１１には例えばモータ等の負荷装
置１２が接続されており、燃料電池１１で発電された電
力がこの負荷装置１２に供給されて、負荷装置１２が作
動するようになっている。

【００３０】副蒸発器６は、水及び燃料の混合液を加熱
加圧状態で貯留するもので、副蒸発部７を具備してなる
ものである。図２〜図５に示すように、副蒸発部７に
は、加熱通路３１と、蓄熱室３２と、混合液室３３とが
備えられている。

【００３１】図２において、混合液室３３は、蓄熱室３
２を縦断する複数の混合液配管３３Ａ…と、蓄熱室３２
の図中下側に設けられて混合液配管３３Ａ…の各一端３
３Ｂ…と連通する下部混合液タンク３３Ｃと、蓄熱室３
２の図中上側に設けられて混合液配管３３Ａ…の各他端
３３Ｄ…と連通する上部混合液タンク３３Ｅとから構成
されている。また、下部混合液タンク３３Ｃには混合液
導入管３３Ｆが接続され、上部混合液タンク３３Ｅには
補助蒸気導出管３３Ｇが接続されている。また、図１及
び図２に示すように、混合液導入管３３Ｆの上流側には
混合液タンク５が接続され、補助蒸気導出管３３Ｇの下
流側には、制御弁２５及び蒸発器３が接続されている。

【００３２】混合液は、混合液導入管３３Ｆから混合液
室３３に供給されて、混合液が下部混合液タンク３３
Ｃ、混合液配管３３Ａ…、上部混合液タンク３３Ｅの順
に充填されるように構成されている。

【００３３】また、図２において、加熱通路３１は、蓄
熱室３２及び上部混合液タンク３３Ｅを縦断する複数の
加熱配管３１Ａ…と、下部混合液タンク３３Ｃの図中下
側に設けられて加熱配管３１Ａ…の各一端３１Ｂ…と連
通する下部加熱タンク３１Ｃと、上部混合液タンク３３
Ｅの図中上側に設けられて加熱配管３１Ａ…の各他端３
１Ｄ…と連通する上部加熱タンク３１Ｅとから構成され
ている。下部混合液タンク３３Ｃには複数の通過孔３３
Ｈ…が設けられており、加熱配管３１Ａ…は、この通過
孔３３Ｈ…を貫通して下部加熱タンク３１Ｃに接続され
ている。また、下部加熱タンク３１Ｃには加熱媒体導出
管３１Ｆが接続され、上部加熱タンク３２Ｅには加熱媒
体導入管３１Ｇが接続されている。また、図１及び図２
に示すように、加熱媒体導入管３１Ｇの上流側には蒸発
器３が接続されている。

【００３４】蒸発器３から排出された燃焼ガスは、加熱
媒体導入管３１Ｇを経て加熱通路３１に導入されて、上
部加熱タンク３１Ｅ、加熱配管３１Ａ…、下部加熱タン
ク３１Ｃの順に通過するように構成されている。

【００３５】更に図２に示すように、蓄熱室３２は、上
部混合液タンク３３Ｅと下部混合液タンク３３Ｃに挟ま
れた主蓄熱室３２Ａと、下部混合液タンク３３Ｃと下部
加熱タンク３１Ｃとの間に設けられた副蓄熱室３２Ｂと
からなり、主蓄熱室３２Ａと副蓄熱室３２Ｂは、下部混
合液タンク３３Ｃの通過孔３３Ｈ…により連通されてい
る。また、主蓄熱室３２Ａには蓄熱材導入管３２Ｃが取
り付けられており、外部から蓄熱材を充填できるように
なっている。

【００３６】蓄熱材としては、例えば、水酸化カリウム
と水酸化ナトリウムの混合物、シリコンオイル等といっ
たものが用いられる。

【００３７】補助蒸気導出管３３Ｇの途中には制御弁２
５が設けられており、この制御弁２５は、制御装置２１
の調整部２２及び温度制御部２３に接続されている。ま
た、混合液導入管３３Ｆの途中には、加圧器であるポン
プ２８が設けられ、ポンプ２８の下流側にはチェックバ
ルブ２６（逆止弁）が設けられ、ポンプ２８は、制御装
置２１の圧力制御部２４に接続されている。チェックバ
ルブ２６は、副蒸発器６（混合液室３３）からの混合液
の逆流を防ぐもので、混合液室３３の圧力が低下したと
きに、チェックバルブ２６が開いて混合液が混合液室３
３に供給される。

【００３８】更に、副蒸発器６には、蓄熱材の温度を検
出する温度検出器である温度計２７が取り付けられてお
り、この温度計２７は温度制御部２３及び圧力制御部２
４に接続されている。これら制御弁２５、ポンプ２８、
調整部２２、温度制御部２３及び圧力制御部２４によ
り、制御手段が構成されている。

【００３９】調整部２２は、改質ガス生成量の増加要求
の信号が入力されたときに、該信号の要求値に基づい
て、制御弁２５を開かせて、加熱加圧状態の混合液を減
圧蒸発させて補助燃料蒸気とし、この補助燃料蒸気を蒸
発器３に供給させる。また、温度制御部２３は、蓄熱材
の温度が蓄熱上限温度に達したときに、制御弁２５を開
かせて、加熱加圧状態の混合液を蒸発器３に供給させ
る。蓄熱上限温度は蓄熱材の種類により異なるが、１５
０〜２５０℃の範囲とされる。更に、圧力制御部２４
は、制御弁２５の開閉状態及び蓄熱材の温度に基づい
て、ポンプ２８を制御してポンプ２８より下流側の混合
液導入管３３Ｆ内の混合液の圧力を調整する。また、圧
力制御部２４は、制御弁２５が開いて副蒸発器６から混
合液の全量が放出された後に、新たな混合液を副蒸発器
６内部に供給するようにポンプ２８を制御するように構
成されている。

【００４０】次に、この燃料電池用燃料改質装置１の動
作を説明する。まず、混合液を混合液タンク５から蒸発
器３に供給し、この混合液を、燃焼器２から蒸発器３に
供給された燃焼ガスの熱で蒸発させて燃料ガスを生成す
る。

【００４１】蒸発器で生成された燃料ガスは、改質器４
に導入され、改質器４に備えられた改質触媒上にて上記
の反応式（１）〜（３）に示される改質反応が進行し
て、水素を含む改質ガスが生成する。改質ガスは、燃料
電池１１のアノードに供給され、燃料電池１１にて発電
が行われる。発電によって得られた電力は、負荷装置１
２に供給されて、負荷装置１２を駆動させる。

【００４２】また混合液を、混合液タンク５から混合液
導入管３３Ｆ、ポンプ２８及びチェックバルブ２６を経
て副蒸発器６の混合液室３３に充填する。混合液室３３
の圧力は、圧力制御部２４によりポンプ２８を制御する
ことにより行う。このときの圧力は、１０ｋＰａ〜２Ｍ
Ｐａの範囲とすることが好ましい。

【００４３】同時に、蒸発器３から排出された燃焼ガス
を、加熱導入管３１Ｇを経て副蒸発器６の加熱通路３１
を通過させ、加熱導出管３１Ｆから排出する。燃焼ガス
が加熱通路３１を通過する際に、蓄熱室３２に充填され
た蓄熱材との間で熱交換が行われ、蓄熱材が加熱され
る。更に、蓄熱材と混合液との間で熱交換が行われるこ
とにより混合液が加熱されて、混合液が加熱加圧状態と
なる。このときの混合液の温度は、１３０〜２３０℃の
範囲であることが好ましく、混合液の圧力は、１０ｋＰ
ａ〜２ＭＰａの範囲であることが好ましい。

【００４４】ここで、負荷装置１２に大きな負荷が加わ
ると、燃料電池１１から負荷装置１２に供給する電力を
増量する必要が生じる。そのためには燃料改質装置１に
おいて改質ガス生成量を増加させる必要がある。本発明
の燃料改質装置１においては、負荷量の変動により改質
ガス生成量の増加要求があったときには、制御装置２１
の調整部２２にその要求信号が入力される。すると、調
整部２２から制御弁２５に対して動作信号が送られ、制
御弁２５が「開」の状態になる。これにより、混合液室
３３に加熱加圧状態で貯留されていた混合液が、補助蒸
気導出管３３Ｇにおいて減圧蒸発されて補助燃料蒸気と
なり、この補助燃料蒸気が蒸発器３に供給される。補助
燃料蒸気が混合液室３３から補助蒸気導出管３３Ｇに供
給されると、混合液の圧力が急激に低下するために混合
液が減圧蒸発される。この補助燃料蒸気が蒸発器３にお
いて再加熱され、新たな燃料ガスが生成する。制御弁２
５が開いて混合液の全量が放出された後においては、圧
力制御部２４によりポンプ２８が作動して、新たな混合
液が副蒸発器内部に供給される。

【００４５】このようにして、蒸発器３において通常に
生成される燃料ガスに加えて、副蒸発器６から蒸発器３
に供給された補助燃料蒸気により燃料ガスが生成するの
で、燃料ガスの量を、制御装置２１に増加信号が入力さ
れる以前よりも一時的に増加させることが可能となり、
これにより改質ガスの生成量を一時的に増加することが
できる。これにより、負荷装置１２に大きな負荷が加わ
ったときに、直ちに燃料電池１１の発電量を増加させる
ことが可能となって、燃料改質装置１の負荷応答性を高
くすることができる。従って、本発明の燃料改質装置１
を燃料電池システムに採用した場合は、従来の燃料電池
システムのように、電力のバッファである大容量の２次
電池を備える必要が無く、燃料電池システムを小型化す
ることができる。

【００４６】また、蓄熱材を介して燃焼ガスと混合液と
が熱交換することにより、混合液を燃焼ガスの熱によっ
て効率的に加熱することが可能となる。更に燃焼ガス
は、蒸発器３に導入されて水と燃料を蒸発させた後に、
副蒸発部７の加熱通路３１に導入するので、加熱媒体を
副蒸発器６で再利用することができ、燃料改質装置１の
熱効率を向上させることができる。

【００４７】また、蒸発器３は、副蒸発器６から供給さ
れた加熱加圧状態の混合液を加熱するように構成されて
いるので、副蒸発器６から供給された混合液は、減圧蒸
発されると同時に蒸発器３によって加熱され、高温の燃
料ガスとすることができ、燃料改質装置１の熱効率を向
上させることができる。

【００４８】また、負荷装置１２の負荷量が一定のまま
長時間経過すると、混合液が加熱加圧状態で副蒸発器６
に長時間貯留されることになる。この間も、燃焼ガスは
副蒸発器６に供給され続けるため、副蒸発器６内部の蓄
熱材の温度が次第に上昇する。そして、温度計２７によ
り検出される蓄熱材の温度が蓄熱上限温度を超えると、
制御装置２１の温度制御部２３から制御弁２５に対して
動作信号が送られ、制御弁２５が「開」の状態になる。
これにより、混合液室３３に加熱加圧状態で貯留されて
いた混合液が、補助蒸気導出管３３Ｇを経て蒸発器３に
噴き出されると共に、混合液の減圧蒸発によって蓄熱材
が冷却されて、副蒸発器６の温度が蓄熱上限温度より低
くなって、蓄熱材の過度な温度上昇を防止することが可
能となり、副蒸発器６の過度な温度上昇を防止できる。
このような状態は、燃料電池の高負荷運転時に発生しや
すく、副蒸発器６の過度な温度上昇が起きた場合に、蒸
発器３に直接供給される燃料の量を、副蒸発器６から供
給される補助燃料蒸気量より減じた値とすることができ
る。

【００４９】ところで、改質ガスの増加の要求時期はラ
ンダムである場合が多く、そのため混合液が混合液室に
貯留される貯留時間は必ずしも一定ではなく、従って、
蓄熱材の温度が常に変動することになる。よって、この
状態で常に一定量の混合液を混合液室に充填するには、
副蒸発器６内部の蓄熱材の温度によって混合液の充填圧
を変更する必要がある。本発明の燃料改質装置１では、
新たな混合液を混合液室３３に供給する際には、副蒸発
器６内部（蓄熱材）の温度によって、ポンプ２８を制御
してポンプ２８の下流側の混合液導入管３３Ｆの圧力を
調整する。例えば、蓄熱材の温度が高いときは混合液導
入管３３Ｆの圧力を高くし、蓄熱材の温度が低いときは
混合液導入管３３Ｆの圧力を低くする。

【００５０】ポンプ２８の下流側の混合液導入管３３Ｆ
にはチェックバルブ２６が設けられているので、混合液
室３３の圧力は、ポンプ２８より下流側の混合液導入管
３３Ｆの圧力と等しくなり、蓄熱材の温度に応じて混合
液導入管３３Ｆの圧力を調整することにより、混合液室
３３の圧力を調整することができ、混合液室３３に充填
する混合液の量を、蓄熱材の温度に係わらず常に一定に
することができる。

【００５１】次に、本発明の第２に実施形態である燃料
改質装置５１を、図５および図６を参照して説明する。
なお、これらの図において、前述した図１〜図４に示し
た構成要素と同一の構成要素には、同一符号を付してそ
の説明を簡潔に行うか若しくはその説明を省略する。

【００５２】この燃料改質装置５１には、３つの副蒸発
部７Ａ、７Ｂ、７Ｃを備えた副蒸発器５６が備えられて
いる。図６に示すように、この副蒸発器５６は、３つの
副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃが積層されて構成されてい
る。これらの副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、前述した燃
料改質装置１における副蒸発部７と同一の構造を有する
ものである。この副蒸発器５６には、蒸発器３から燃焼
ガスを導入する加熱導入管５６Ａと、各副蒸発部７Ａ、
７Ｂ、７Ｃに混合液を導入する混合液導入管５６Ｂ、５
６Ｃ、５６Ｄと、各副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃから混合
液を蒸気の状態で導出する補助蒸気導出管５６Ｅ、５６
Ｆ、５６Ｇとが接続されている。また、各補助蒸気導出
管５６Ｅ、５６Ｆ、５６Ｇと蒸発器３とを接続する導出
管５６Ｊと、混合液タンク５と混合液導入管５６Ｂ、５
６Ｃ、５６Ｄを接続する導入管５６Ｈが備えられてい
る。

【００５３】また、各補助蒸気導出管５６Ｅ、５６Ｆ、
５６Ｇの途中には、制御弁７１、７２、７３が設けら
れ、各制御弁７１、７２、７３は、制御装置６１の調整
部６２及び温度制御部２３に接続されている。また、導
入管５６Ｈの途中には加圧器であるポンプ２８が設けら
れ、ポンプ２８は制御装置６１の圧力制御部２４に接続
されている。また、ポンプ２８より下流側の混合液導入
管５６Ｂ、５６Ｃ、５６Ｄには、逆止弁であるチェック
バルブ７４、７５、７６がそれぞれ設けられている。こ
れらのチェックバルブ７４、７５、７６は、前述したチ
ェックバルブ２６と同一のものである。

【００５４】調整部６２は、改質ガス生成量の増加要求
の信号が入力されたときに、該信号の要求値に基づい
て、チェックバルブ７４、７５、７６の一部若しくは全
部を開かせることにより、蒸発器３への補助燃料蒸気の
供給量を調整する。

【００５５】更に、副蒸発器５６には、副蒸発器５６内
部の蓄熱材の温度を検出する温度検出器である温度計２
７が取り付けられており、この温度計２７は温度制御部
２３及び圧力制御部２４に接続されている。これら制御
弁７１、７２、７３、ポンプ２８、調整部６２、温度制
御部２３及び圧力制御部２４により、制御手段が構成さ
れている。

【００５６】次に、この燃料改質装置５１の動作を、副
蒸発器５６の動作を中心に説明する。混合液を、混合液
タンク５から、ポンプ２８及びチェックバルブ７４、７
５、７６を経て副蒸発器６の各副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７
Ｃの各混合液室に充填する。混合液の充填圧は、圧力制
御部２４によりポンプ２８を制御することにより行う。
このときの充填圧は、１０ｋＰａ〜２ＭＰａの範囲とす
ることが好ましい。

【００５７】同時に、蒸発器３から排出された燃焼ガス
を、加熱導入管５６Ａを経て副蒸発器５６の加熱通路を
通過させる。燃焼ガスが加熱通路を通過する際に、蓄熱
材との間で熱交換が行われて蓄熱材が加熱される。そし
て、蓄熱材と混合液室に充填された混合液との間で熱交
換が行われることにより混合液が加熱されて、混合液が
加熱加圧状態となる。このときの混合液の温度は、１３
０〜２３０℃の範囲であることが好ましく、混合液の圧
力は、１０ｋＰａ〜２ＭＰａの範囲であることが好まし
い。

【００５８】負荷量の変動により改質ガス生成量の増加
要求があったときには、制御装置６１の調整部６２にそ
の要求信号が入力される。この要求信号には、負荷の大
きさによって、「１」、「２」、「３」のいずれかの要
求値が具備されている。ここでは、負荷の大きさが大き
いほど要求値が大きくなるように設定されている。調整
部６２は入力された要求信号に基づいて、要求値が例え
ば「１」の場合は、制御弁７１のみを「開」の状態と
し、要求値が「２」の場合は、２つの制御弁７１、７２
を「開」の状態とし、要求値が「３」の場合は、全ての
制御弁７１、７２、７３を「開」の状態とするように、
各制御弁７１、７２、７３に対して動作信号を送る。

【００５９】これにより、各副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃ
に加熱加圧状態で貯留されていた混合液の一部若しくは
全部が、補助蒸気導出管５６Ｅ、５６Ｆ、５６Ｇにおい
て減圧蒸発されて補助燃料蒸気となり、この補助燃料蒸
気が蒸発器３に供給される。補助燃料蒸気が各副蒸発部
７Ａ、７Ｂ、７Ｃから補助蒸気導出管５６Ｅ、５６Ｆ、
５６Ｇに供給されると、混合液の圧力が急激に低下する
ために混合液が減圧蒸発されて補助燃料蒸気となる。こ
の補助燃料蒸気が蒸発器３において再加熱され、新たな
燃料ガスが生成する。

【００６０】このようにして、蒸発器３において通常に
生成される燃料ガスに加えて、副蒸発器５６から蒸発器
３に供給された補助燃料蒸気により燃料ガスが生成する
ので、燃料ガスの量を、制御装置６１に増加信号が入力
される以前よりも一時的に増加させることが可能とな
り、これにより改質ガスの生成量を一時的に増加するこ
とができる。これにより、負荷装置１２に大きな負荷が
加わったときに、直ちに燃料電池１１の発電量を増加さ
せることが可能となって、燃料改質装置５１の負荷応答
性を高くすることができる。従って、本発明の燃料改質
装置５１を燃料電池システムに採用した場合は、従来の
燃料電池システムのように、電力のバッファである大容
量の２次電池を備える必要が無く、燃料電池システムを
小型化することができる。

【００６１】特に、上記の燃料改質装置５１では、要求
される改質ガスの量に応じて、制御弁７４、７５、７６
の一部若しくは全部を開かせることにより補助燃料蒸気
を蒸発器３に供給するので、新たに追加する補助燃料蒸
気の量を、作動させる制御弁の数により調整することが
可能となり、これにより改質ガスの要求量に応じた量の
燃料ガスを生成することができる。

【００６２】また、蓄熱材を介して燃焼ガスと混合液と
が熱交換することにより、混合液を燃焼ガスの熱によっ
て効率的に加熱することが可能となる。更に燃焼ガス
は、蒸発器３に導入されて水と燃料を蒸発させた後に、
副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃに導入されるので、加熱媒体
を副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃで再利用することができ、
燃料改質装置５１の熱効率を向上させることができる。

【００６３】また、蒸発器３は、補助燃料蒸気を加熱す
るように構成されているので、副蒸発器５６から供給さ
れた混合液は、減圧蒸発されると同時に蒸発器３によっ
て加熱され、高温の燃料焼ガスとすることができ、燃料
改質装置５１の熱効率を向上させることができる。

【００６４】また、副蒸発器５６内部の蓄熱材の温度が
蓄熱上限温度を超えると、制御装置６１の温度制御部２
３から制御弁７１、７２、７３の一部若しくは全部に対
して動作信号が送られ、制御弁７１、７２、７３の一部
若しくは全部が「開」の状態になる。これにより、各副
蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃに加熱加圧状態で貯留されてい
た混合液の一部若しくは全部が、蒸発器３に噴き出され
ると共に、混合液の減圧蒸発によって蓄熱材が冷却され
て、副蒸発器５６の温度が蓄熱上限温度より低くなっ
て、蓄熱材の過度な温度上昇を防止することが可能とな
り、副蒸発器５６の過度な温度上昇を防止できる。この
ような状態は、燃料電池の高負荷運転時に発生しやす
く、副蒸発器５６の過度な温度上昇が起きた場合に、蒸
発器３に直接供給される燃料の量を、副蒸発器５６から
供給される補助燃料蒸気量より減じた値とすることがで
きる。

【００６５】ところで、改質ガスの供給量の増加の要求
時期はランダムである場合が多く、そのため混合液が副
蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃに貯留される貯留時間は必ずし
も一定ではなく、従って、蓄熱材の温度が常に変動する
ことになる。また、要求信号が入力されたときに動作す
る副蒸発部の数は、動作信号の要求値によって変わるの
で、これによっても蓄熱材の温度が常に変動することに
なる。

【００６６】この状態で常に一定量の混合液を各副蒸発
部７Ａ、７Ｂ、７Ｃに充填するには、蓄熱材の温度によ
って混合液の充填圧を変更する必要がある。この燃料改
質装置５１では、新たな混合液を副蒸発部７Ａ、７Ｂ、
７Ｃに供給する際には、蓄熱材の温度によって、ポンプ
２８を制御してポンプ２８より下流側の混合液導入管７
４、７５、７６の圧力を調整する。例えば、蓄熱材の温
度が高いときは混合液導入管７４、７５、７６の圧力を
高くし、蓄熱材の温度が低いときは混合液導入管７４、
７５、７６の圧力を低くする。このようにすることで、
各副蒸発部７Ａ、７Ｂ、７Ｃに充填する混合液の量を、
蓄熱材の温度に係わらず常に一定にすることができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
用燃料改質装置は、混合液を加熱加圧状態で貯留する副
蒸発器と、改質ガス生成量の増加要求に応じて、前記の
混合液を補助燃料蒸気として前記蒸発器に供給させる制
御手段とを備えているので、改質ガス生成量の増加要求
があったときに、副蒸発器から燃料ガスを追加して供給
することになり、改質ガスの生成量を増加させることが
可能となり、燃料電池の負荷量の変動に対する応答性を
高くすることができる。従って、本発明の燃料改質装置
を燃料電池システムに採用した場合は、従来の燃料電池
システムのように、電力のバッファである大容量の２次
電池を備える必要が無く、燃料電池システムを小型化す
ることができる。

【００６８】また、本発明の燃料電池用燃料改質装置
は、加熱媒体を生成する燃焼器が備えられ、加熱媒体が
前記蒸発器を経て前記副蒸発器に導入されるように構成
されているので、加熱媒体を副蒸発器で再利用すること
ができ、燃料改質装置の熱効率を向上させることができ
る。

【００６９】また、前記蒸発器は、補助燃料蒸気を加熱
するように構成されているので、副蒸発器から供給され
た補助燃料蒸気を、高温の燃料ガスとすることができ、
燃料改質装置の熱効率を向上させることができる。

【００７０】また、前記制御手段は、加圧器と、副蒸発
器内部の温度に基づいて、前記加圧器を制御する圧力制
御部とを備えており、副蒸発器内部の温度に応じて、加
圧器より下流側の混合液導入通路内の圧力を調整するこ
とによって混合液室内の圧力を調整することができ、副
蒸発器内部の温度が変化しても、副蒸発器への混合液の
供給量を常に一定にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態である燃料電池用燃
料改質装置の構成を示す構成図である。

【図２】 図１に示す燃料改質装置の副蒸発器の正面断
面図である。

【図３】 図１に示す燃料改質装置の副蒸発器の上面断
面図である。

【図４】 図１に示す燃料改質装置の副蒸発器の側面断
面図である。

【図５】 本発明の第２の実施形態である燃料電池用燃
料改質装置の構成を示す構成図である。

【図６】 図５に示す燃料改質装置の副蒸発器の正面断
面図である。

【図７】 従来の燃料電池用燃料改質装置を具備する燃
料電池システムの構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１、５１…燃料電池用燃料改質装置、２…燃焼器、３…
蒸発器、４…改質器、６、５６…副蒸発器、７、７Ａ、
７Ｂ、７Ｃ…副蒸発部、１１…燃料電池、１２…負荷装
置、２２、６２…調整部（制御手段）、２３…温度制御
部（制御手段）、２４…圧力制御部（制御手段）、２
５、７１、７２、７３…制御弁（制御手段）、２６、７
４、７５、７６…チェックバルブ（逆止弁）、２７…温
度計（温度検出器（制御手段））、２８…ポンプ（加圧
器（制御手段））、３１…加熱通路、３２…蓄熱室、３
３…混合液室、３３Ｆ、５６Ｂ、５６Ｃ、５６Ｄ…混合
液導入管（混合液導入通路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 裕次 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 立原 隆宏 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 KK05 KK41 MM09 MM16

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水及び燃料を蒸発させて燃料ガスを生成
   する蒸発器と、前記燃料ガスを改質して水素を含む改質
   ガスを生成する改質器とを具備してなる燃料電池用燃料
   改質装置であって、 水及び燃料の混合液を加熱加圧状態で貯留する副蒸発器
   と、 前記改質ガス生成量の増加要求に応じて、前記加熱加圧
   状態の混合液を減圧蒸発させて生成した補助燃料蒸気を
   前記蒸発器に供給させる制御手段とを備えてなることを
   特徴とする燃料電池用燃料改質装置。
2. 【請求項２】 前記蒸発器には加熱媒体を生成する燃焼
   器が備えられ、前記加熱媒体が前記蒸発器を経て前記副
   蒸発器に導入されるように構成されたことを特徴とする
   請求項１に記載の燃料電池用の燃料改質装置。
3. 【請求項３】 前記蒸発器は、前記副蒸発器から供給さ
   れた前記補助燃料蒸気を加熱するように構成されたこと
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の燃料改質装
   置。
4. 【請求項４】 前記副蒸発器の入口側に、混合液導入通
   路が設けられると共に該混合液導入通路の途中に逆止弁
   が設けられ、 前記制御手段は、前記混合液導入通路に設けられて前記
   逆止弁より上流側に位置する加圧器と、 前記副蒸発器内部の温度に基づいて、前記加圧器を制御
   して前記混合液導入通路内の圧力を調整する圧力制御部
   とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池
   用燃料改質装置。