JP2789201B2 - 燃料電池用改質装置の冷却装置 - Google Patents

燃料電池用改質装置の冷却装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃料電池用改質装置の冷却装置に関するもの
である。
〔従来の技術〕
燃料電池システムは例えばメタノールと水とを混合さ
せた原料を水素ガスに改質する改質装置と、この改質装
置で発生した水素ガスと空気中の酸素とを電気化学的に
反応させて電気エネルギに変換する燃料電池本体などか
ら構成されている。
ところで、このような燃料電池システムにおいては、
運転停止後、改質装置は放熱によって温度が徐々に低下
する。このため、改質装置中の気体状態にあるメタノー
ルおよび水が凝縮して液体になり、それに伴って改質装
置系統内が負圧レベルが高い状態になる。その結果、弁
類の締りが不十分であったり、配管等のシール状態が不
十分であったりすると、外気を吸い込む場合があり、改
質装置内の改質用の触媒が外気中に含まれる酸素によっ
て酸化されてしまい、改質能力が低下するようになる。
この触媒は一般に耐熱性が悪く、高温時に酸化されると
その熱によって著しく劣化してしまう。
このため、従来、燃料電池システムの停止時に、改質
装置系統内へ窒素ガスなどの不活性ガスを触媒温度が低
下するまでパージし続けることによって、触媒が酸化す
るのを防止するようにしている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、このような構造では、不活性ガスを溜めてお
くボンベなど特別な装置が必要になるために、装置が複
雑になるという不具合があった。本発明はこのような事
情に鑑みなされたもので、構造が複雑になることなく、
改質用の触媒の酸化を防止することができる燃料電池用
改質装置の冷却装置を提供するものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係る改質装置の冷却装置は、原料を気化させ
触媒に導いて水素ガスに改質するとともに燃料電池本体
に接続された原料通路と、上流側の送風装置によって外
部から導入されたバーナで加熱された加熱ガスを前記原
料通路を加熱するように流す加熱通路とを有する改質装
置を備えた燃料電池において、前記原料通路に原料を供
給する原料供給装置と、前記バーナに燃料を供給する燃
料供給装置とを、気化された原料ガスの化学反応によっ
て吸熱現象によって起こるように燃料電池の停止冷却時
にそれぞれ供給量を徐々に減少させる構成とするととも
に、前記加熱通路の出口に切換弁を介して燃料電池本体
と冷却用の送風装置とを接続し、前記冷却用の送風装置
を燃料電池の停止冷却時に作動させて加熱通路に空気を
燃料電池運転時より多く送風する構成としたものであ
る。
〔作用〕
本発明においては、原料が触媒層で化学反応するとき
に発生する吸熱作用を利用して触媒を冷却することがで
きるとともに、熱気が溜り易い加熱通路の出口側を冷却
用の送風装置によって換気して強制空冷によって触媒を
効率よく冷却することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図により詳細に説明する。
第1図は本発明に係る燃料電池用改質装置の冷却装置の
第1の実施例が備えられた燃料電池システムを示す構成
図、第2図は改質装置の拡大断面図、第3図は四方弁を
示す構成図、第4図は要部が拡大して示す構成図であ
る。
これらの図において符号1で示すものは改質装置を示
し、それぞれ有底円筒状の内部空間を有しかつ有底円筒
状に形成された内ケース1aおよび外ケース1bと、外ケー
ス1bの外側を覆うカバー1cなどから構成されている。外
ケース1bは開口部を下方へ向けて内ケース1aに被冠さ
れ、これらの部材の内部空間は開口縁付近において互い
に連通されている。また、これらケースの内部空間には
後述する原料を化学反応させる触媒からなる触媒層2が
設けられている。触媒としては例えば銅系,銅−亜鉛
系,銅−クロム系触媒などを用いることができる。
3は内外ケースの下方に配設された気化器で、中央部
は内ケース1aの開口部内に臨むようにコイルに巻回され
ている。この気化器3の入口側は改質装置入口弁4およ
び供給ポンプ5を備えた原料供給管路6を経てメタノー
ルと水とを所定の比率で混合した原料を溜めた原料タン
ク7に接続され、出口側は前記触媒層2の入口側にあた
る内ケース1aの内部空間の項部に接続されている。前記
改質装置入口弁4、供給ポンプ5、原料供給管路6およ
び原料タンク7が本発明に係る原料供給装置を構成して
いる。また、触媒層2の出口側にあたる外ケース1bの内
部空間の項部は、後述する水素供給管路で燃料電池本体
16に接続されている。すなわち、気化器3と内外ケース
とによって原料を気化させて触媒層2に導いて水素ガス
に改質させると共に、燃料電池本体16に接続された原料
通路Aが形成されている。
前記気化器3の下方には水素バーナ8およびメタノー
ルバーナ9が配設されている。メタノールバーナ9はバ
ーナ入口弁11およびバーナポンプ12を備えた燃料供給管
路13を経てメタノールを溜めた燃料タンク14に接続され
ている。前記バーナ入口弁11、バーナポンプ12および燃
料供給管路13が本発明に係る燃料供給装置を構成してい
る。
ここで、バーナ上方の空間と内外ケース間に形成され
た空間とは、内外ケース1aの頂部を貫通する連絡管1dで
連通されており、内外ケース間に間に形成された空間
と、カバー1cで外ケース1bの外側に形成された空間とは
外ケース1bの開口縁付近で互いに連通されている。した
がって、メタノールバーナ9等で加熱された加熱ガス
は、内ケース1aの内側から内外ケース間を経て外ケース
1bの外側を流れた後に、外部に排出されるように流れ
る。すなわち、内外ケース1a,1bおよびカバー1cによっ
て、加熱ガスを前記原料通路Aを加熱するように流す加
熱通路Bが形成されている。
15は前記加熱通路Bの入口側と出口側に設けられこの
加熱通路Bに外気を供給するバーナブロワである。これ
らのバーナブロワ15は、正逆転機能および耐熱性を有す
るものが用いられており、加熱通路Bの出口側に位置す
るバーナブロワ15は加熱通路Bの出口に三方切換弁41を
介して接続されている。この加熱通路Bの出口側のバー
ナブロワ15が本発明に係る冷却用の送風装置を構成して
いる。燃料電池の運転時には、第4図中に実線で示す方
向へ空気が流れるように加熱通路Bの入口側のバーナブ
ロワ15のみを作動させ、停止冷却時には、第4図中に破
線および鎖線で示す方向へ空気が流れるように両バーナ
ブロワ15を作動させる。
16は燃料電池本体であり、陽極と陰極との間に電解質
を介在させた電池セルを多数個積層して構成されてお
り、陽極の入口側は酸素入口弁17、セルブロワ18、四方
弁19が備えられた酸素供給管路20で前記三方切換弁41
(改質装置1の燃焼空気出口側)に接続されている。四
方弁19は第3図に拡大して示すように、燃料電池本体16
を昇温させるときは破線で示すようにセルブロワ18に改
質装置1で加熱された加熱ガスを供給し、冷却時には外
気をセルブロワ18に供給するように酸素供給管路20を切
り換えるものである。一方、陰極の入口側は水素入口弁
21およびリザーブタンク22が備えられた水素供給管路23
で触媒層2の出口側に接続されている。24は陽極の出口
側に接続された排気管路で、酸素出口弁25を介して大気
中に開放されている。26は陰極の出口側に接続された水
素回収管路であり、燃料電池本体16で反応しなかった水
素を熱源として利用するために前記改質装置1へ戻すも
のであり、リン酸回収器27および水素出口弁28を介して
前記水素バーナ8に接続されている。29はバイパス弁30
を有するバイパス管路で、水素出口弁28の出口側と前記
リザーブタンク22との間を互いに連通している。
なお、31は燃料電池本体16の出力側にダイオード32を
介して接続された負荷としてモータ、33はモータ31と同
様に接続されたバッテリである。
このように構成された燃料電池システムにおいては、
バーナポンプ12で加圧されたメタノールがメタノールバ
ーナ9に供給され、バーナブロワ15で供給される外気に
よって燃焼する。このため、この燃焼によって加熱ガス
が発生し、加熱ガスは加熱通路Bを気化器3および触媒
層2を加熱しながら流れて、燃料電池本体16に供給され
る。一方、原料タンク7内のメタノールと水とが混合さ
れた原料は気化器3へ供給され、ここで気化されて触媒
層2に送られ、触媒によって化学反応して水素と炭酸ガ
スを主成分とするガスに改質され改質ガスとなった後に
燃料電池本体16へ供給される。そして、燃料電池本体16
において、改質ガス中の水素ガスとセルブロワ18により
供給される空気中の酸素とが触媒によって電気化学反応
し、電気エネルギが発生する。
燃料電池システムを停止する場合は、先ず第1の時点
において、供給ポンプ5およびバーナポンプ12の停止装
置を開始し、これらポンプが停止操作開始後ある一定の
時間経過後に停止するようにポンプ出力を段階的あるい
は連続的に徐々に低下させ、気化器3に供給される原料
およびメタノールバーナ9に供給されるメタノールの供
給量を徐々に少なくする。このとき、メタノールバーナ
9による発熱量は小さく抑えながら、次式に示すように
気化された原料ガスが化学反応する時に発生する吸熱作
用を利用して、触媒層2を冷却する。
CO3OH+H2O→3H2+CO2−11.8Kcal このような操作と同時に三方切換弁41を冷却側に切換
えるとともに加熱通路Bの出口側のバーナブロワ15を作
動させ、このバーナブロワ15と加熱通路Bの入口側のバ
ーナブロワ15とによって第4図中に破線および鎖線で示
す方向に空気が流れるようにする。この状態では、加熱
通路Bに空気が燃料電池運転時より多く送風される。な
お、四方弁19は冷却側とし、外気を供給して燃料電池本
体16を冷却する。
バーナブロワ15による冷却を行いながらある時間経過
した第2の時点で、バイパス弁30を開いて水素入口弁21
および水素出口弁28を閉じ、改質ガスを水素バーナ8に
供給するようにする。そして、さらにある時間経過した
第3の時点において、供給ポンプ5およびバーナポンプ
12を完全に停止し、改質装置入口弁4およびバーナ入口
弁11を閉じる。第3の時点までの時間は、最大で触媒層
2の温度が原料をほどんど化学反応させない温度にまで
低下するまでの時間である。この温度は通常110〜180℃
程度である。すなわち、何らかの理由で空気が改質装置
1内に侵入し、触媒層2が酸化発熱反応するようなこと
があっても、触媒層2が使用温度範囲の上限側の臨界温
度を越えて著しく劣化するようなことがないような安全
温度である。詳述すれば、この安全な温度の最高値は通
常運転温度(効率の良い使用温度の上限付近)よりも20
〜50℃低い温度であり、最低値は使用温度の下限よりも
約20℃低い温度である。さらに、改質装置1から水素の
発生がなくなった第4の時点において、バイパス弁30を
閉じる。この状態でバーナブロワ15はそのまま運転をし
続け、触媒層2の温度が触媒活性温度領域よりも低くな
った第5の時点においてバーナブロワ15を停止し、セル
温度が所定の温度にまで低下した時点でセルブロワ18を
停止し、燃料電池システムの停止操作を終了する。停止
操作終了後の改質装置1は、改質装置入口弁4と水素入
口弁21とバイパス弁30とによって密閉されているため
に、流入する空気は全く生じないかあってもきわめて少
量であり、酸化発熱によって生じる劣化はなく、終了後
の保存も問題はない。
上述したように構成した燃料電池用改質装置の冷却装
置は、原料が触媒層2で化学反応するときに発生する吸
熱作用を利用して触媒を冷却することができるととも
に、熱気が溜り易い加熱通路Bの出口側をバーナブロワ
15によって換気し、強制空冷によって触媒の相対的に高
温になる部位を効率よく冷却することができる。
したがって、吸熱反応を利用して原料通路A内で触媒
を冷却することができるとともに、高温部を効率よく冷
却する強制空冷によって原料通路Aの外柄から触媒を冷
却することができる。この結果、触媒層2の温度を速や
かに活性温度領域以下に下げることができる。
本発明に係る冷却装置は第5図および第6図に示すよ
うに構成することができる。
第5図および第6図は本発明に係る燃料電池用改質装
置の冷却装置の他の実施例を示す改質装置の構成図であ
る。第6図に示す第2の実施例においては、加熱通路B
の両側にそれぞれ三方切換弁41,41を介してバーナブロ
ワ15,15を設けると共に、出口側のバーナブロワ15の送
風能力を大きくしたものである。図中実線は運転時にお
ける空気の流れを示し、破線は停止冷却時の空気の流れ
を示す。この実施例によれば、バーナブロワ15に耐熱性
を持たせることなく、冷却風を加熱通路Bの出口側から
入口側へ流すことができる。
第6図は第3の実施例を示し、2台のバーナブロワ15
のうち一方を加熱通路Bの出口側に三方切換弁41を介し
て設けると共に、加熱通路Bの中央部に停止冷却時のみ
に使用する排気口42を設けたものである。このようにす
れば、図中実線で運転時における空気の流れを示し、破
線で停止冷却時の空気の流れを示すように、触媒層2を
両側から冷却することができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明に係る燃料電池用改質装置
の冷却装置は、原料を気化させ触媒に導いて水素ガスに
改質するとともに燃料電池本体に接続された原料通路
と、上流側の送風装置によって外部から導入されバーナ
で加熱された加熱ガスを前記原料通路を加熱するように
流す加熱通路とを有する改質装置を備えた燃料電池にお
いて、前記原料通路に原料を供給する原料供給装置と、
前記バーナに燃料を供給する燃料供給装置とを、気化さ
れた原料ガスの化学反応によって吸熱現象が起こるよう
に燃料電池の停止冷却時にそれぞれ供給量を徐々に減少
させる構成とするとともに、前記加熱通路の出口に切換
弁を介して燃料電池本体と冷却用の送風装置とを接続
し、前記冷却用の送風装置を燃料電池の停止冷却時に作
動させて加熱通路に空気を燃料電池運転時より多く送風
する構成としたため、、吸熱反応を利用して原料通路内
で触媒を冷却することができるとともに、高温部を効率
よく冷却する強制空冷によって原料通路の外側から触媒
を冷却することができる。
したがって、従来の燃料電池システムに簡単な変更を
施すだけで、停止時に速やかに触媒を冷却し保存するこ
とができるから、構造が複雑になることなく、触媒の改
質能力が低下するのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る燃料電池用改質装置の冷却装置の
第1の実施例が備えられた燃料電池システムを示す構成
図、第2図は改質装置の拡大断面図、第3図は四方弁を
示す構成図、第4図は要部を拡大して示す構成図、第5
図および第6図は第2および第3の実施例を示す改質装
置の構成図である。 1……改質装置、2……触媒層、3……気化器、4……
改質装置入口弁、5……供給ポンプ、6……原料供給管
路、7……原料タンク、9……メタノールバーナ、11…
…バーナ入口弁、12……バーナポンプ、13……燃料供給
管路、14……燃料タンク、15……バーナブロワ、16……
燃料電池本体、41……三方切換弁、A……原料通路、B
……加熱通路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−227374(JP,A) 特開 昭62−66578(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/24 C01B 3/32 - 3/48

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原料を気化させ触媒に導いて水素ガスに改
    質するとともに燃料電池本体に接続された原料通路と、
    上流側の送風装置によって外部から導入されバーナで加
    熱された加熱ガスを前記原料通路を加熱するように流す
    加熱通路とを有する改質装置を備えた燃料電池におい
    て、前記原料通路に原料を供給する原料供給装置と、前
    記バーナに燃料を供給する燃料供給装置とを、気化され
    た原料ガスの化学反応によって吸熱現象が起こるように
    燃料電池の停止冷却時にそれぞれ供給量を除々に減少さ
    せる構成とするとともに、前記加熱通路の出口に切換弁
    を介して燃料電池本体と冷却用の送風装置とを接続し、
    前記冷却用の送風装置を燃料電池の停止冷却時に作動さ
    せて加熱通路に空気を燃料電池運転時より多く送風する
    構成としたことを特徴とする燃料電池用改質装置の冷却
    装置。
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