JP2001023659A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、必要な時に必要な熱量を短時間で
取り出すことができ、燃料改質部の応答性及び効率を向
上することができる燃料電池システムを提供することに
ある。 【解決手段】 選択酸化反応器７（選択酸化触媒）の直
後から分岐してバイパス回路１５を設けると共にこのバ
イパス回路１５に流量制御バルブ１９を設け、選択酸化
反応器７から出て来る改質ガスを燃料電池スタック９を
通さずに直接燃焼器１１に供給できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料改質器の応答
性及び効率を向上することができる燃料電池システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池システムとしては、例え
ば、特開平７−１９２７４２号公報に開示されたシステ
ムが知られている。

【０００３】これは、燃料電池の負荷変動、特に加速時
等の負荷増加に直ちに追従できるように、燃料電池スタ
ックへの過剰な改質ガス量の供給に伴って燃料電池スタ
ックから排出される過剰な排改質ガスを燃焼させ、その
排改質ガスの燃焼から必要な熱量だけを取り出すように
したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃料電池システムにあっては、燃料電池スタ
ックから排出される過剰な排改質ガスに対して常にある
程度余剰の熱量を持たせておかなければならず、余った
分は外部に捨てなければならないため、必要な時に必要
な熱量を短時間で取り出すことができず、効率があまり
良くなく、燃料改質部の応答性及び効率の点で問題があ
った。なお、排熱回収をしても、やはり効率分は低下す
る。

【０００５】本発明は、上記に鑑みなされたもので、そ
の目的としては、必要な時、例えば、加速時等の負荷増
加時に、必要な熱量を短時間で取り出すことができ、燃
料改質部の応答性及び効率を向上することができる燃料
電池システムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、燃料を改質して改質ガスを生
成する燃料改質部と、燃料改質部で生成された改質ガス
と空気とを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電
池スタックから排出される余剰の排改質ガスと排空気と
を燃焼反応させる燃焼器と、燃焼器から排出される排気
ガスの熱を回収して燃料と水とを蒸発させる蒸発器とを
備える燃料電池システムにおいて、前記燃料改質部で生
成された改質ガスを前記燃料電池スタックを通さずに直
接前記燃焼器に導くバイパス回路と、前記バイパス回路
を通る改質ガスの流量を制御する流量制御弁とを有する
ことを要旨とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記バイパス回路は、前記燃料改質部に含ま
れ、選択酸化触媒を充填して成る触媒層を有する選択酸
化反応器の直後から分岐して設けたことを要旨とする。

【０００８】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記バイパス回路は、前記燃料改質部に含まれ
るシフト反応器の直後から分岐して設けたことを要旨と
する。

【０００９】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記バイパス回路は、前記燃料改質部に含ま
れ、改質触媒を充填して成る触媒層を有する前記燃料改
質器の直後から分岐して設けたことを要旨とする。

【００１０】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記バイパス回路は、前記燃料改質部と前記燃
料電池スタックとの間に設けられた水素分離膜の直前か
ら分岐して設けたことを要旨とする。

【００１１】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、バイパ
ス回路に設けられた流量制御弁を開き、燃料改質部で生
成された改質ガスを燃料電池スタックを通さずに直接燃
焼器に導くことで、必要な時に必要な熱量を短時間で取
り出すことができ、燃料改質部の応答性及び効率を向上
することができる。

【００１２】また、請求項２記載の本発明によれば、バ
イパス回路を選択酸化反応器（選択酸化触媒）の直後か
ら分岐して設けることで、請求項１記載の発明と同じ効
果が得られる、すなわち、必要な時に必要な熱量を短時
間で取り出すことができ、燃料改質部の応答性及び効率
を向上することができる。

【００１３】また、請求項３記載の本発明によれば、バ
イパス回路をシフト反応器の直後から分岐して設けるこ
とで、請求項１記載の発明と同じ効果が得られる、すな
わち、必要な時に必要な熱量を短時間で取り出すことが
でき、燃料改質部の応答性及び効率を向上することがで
きる。

【００１４】また、請求項４記載の本発明によれば、バ
イパス回路を燃料改質器（改質触媒）の直後から分岐し
て設けることで、請求項１記載の発明と同じ効果が得ら
れる、すなわち、必要な時に必要な熱量を短時間で取り
出すことができ、燃料改質部の応答性及び効率を向上す
ることができる。

【００１５】また、請求項５記載の本発明によれば、バ
イパス回路を水素分離膜の直前から分岐して設けること
で、請求項１記載の発明と同じ効果が得られる、すなわ
ち、必要な時に必要な熱量を短時間で取り出すことがで
き、燃料改質部の応答性及び効率を向上することができ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１７】(第１の実施の形態)図1は、本発明の第１
の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図で
ある。なお、この燃料電池システムは、燃料電池自動車
などの移動体に搭載されるシステムである。

【００１８】図１において、燃料改質部１は、燃料改質
器３、シフト反応器５及び選択酸化反応器７から成る。
燃料改質器３は、改質触媒を充填して成る触媒層を有し
ており、メタノールや石油系の燃料（ここでは、メタノ
ールを例にとって説明する）を水を用いて水蒸気改質
し、水素を多量に含む改質ガスを生成する。燃料改質器
３で生成された改質ガスは、シフト反応器５に送られ、
改質ガス中に残留する一酸化炭素と水をシフト反応させ
て二酸化炭素と水素を生成した後、選択酸化反応器７に
送られる。選択酸化反応器７は、選択酸化触媒を充填し
て成る触媒層を有しており、圧縮機から供給される空気
を用いてメタノールの部分酸化による改質を行う。そし
て、燃料改質部１で生成された改質ガスは、燃料電池ス
タック９に送られる。

【００１９】燃料電池スタック９は、燃料改質部１から
の改質ガスと圧縮機からの空気とを用いて、詳しくは改
質ガス中の水素と空気中の酸素とを用いて電力を発生す
る。このとき、燃料電池スタック９に供給された改質ガ
スと空気は、燃料電池スタック９内ですべて消費される
わけではなく、一部を残して排出され、余剰の排改質ガ
ス及び排空気としてすべて燃焼器１１に送られる。

【００２０】燃焼器１１は、燃料電池スタック９から排
出される余剰の排改質ガスと排空気とを燃焼反応させ
る。このとき、図示しないが、場合によっては、燃料電
池スタック９からの排改質ガスと排空気は、圧縮機から
の空気や燃料であるメタノールと一緒に燃焼される。そ
して、燃焼器１１で生成された排気ガスは、蒸発器１３
に送られる。

【００２１】蒸発器１３は、燃焼器１１から排出される
排気ガスの熱を回収してメタノールと水を蒸発させる。
すなわち、燃焼器１１における燃焼反応の熱は、排気ガ
スによって蒸発器１３に運ばれ、メタノールと水を蒸発
させるために再利用される。そして、蒸発器１３で蒸発
されたメタノールと水はそれぞれメタノール蒸気、水蒸
気となって燃料改質部１内の燃料改質器３に送られる。

【００２２】ここで、第１の実施の形態では、燃料改質
部１で生成された改質ガスを燃料電池スタック９を通さ
ずに直接燃焼器１１に導くために、選択酸化反応器７の
改質ガス出口と燃焼器１１の改質ガス入口との間にバイ
パス回路１５を設けて、選択酸化反応器７から出て来る
改質ガスを直接燃焼器１１に供給することができるよう
にしている。選択酸化反応器７から燃料電池スタック９
に送られる改質ガスの流量は、第１の流量制御バルブ１
７によって調整され、選択酸化反応器７から直接燃焼器
１１に供給される、つまり、バイパス回路１５を通る改
質ガスの流量は、第２の流量制御バルブ１９によって調
整される。

【００２３】バッテリ２１は、燃料電池スタック９によ
って発電された余剰電力や燃料電池自動車が減速する際
の駆動モータ系２３による回生電力を蓄積するととも
に、駆動モータ系２３で消費される走行電力や、圧縮
機、燃料改質部１、燃焼器１１等で消費される補機電力
などを賄うのに十分な発電が燃料電池スタック９によっ
て行われなかった場合には放電して駆動モータ系２３や
補機（圧縮機、燃料改質部１、燃焼器１１等）に給電
し、不足電力を補う。これらの電力の配分は、電力制御
装置２５によって行われる。コントローラ２７は、前記
流量制御バルブ１７，１９による改質ガスの流量、及
び、電力制御装置２５による電力配分を制御する。

【００２４】次に、作用を説明する。

【００２５】定常運転時は、第１の流量制御バルブ１７
を開き、かつ、第２の流量制御バルブ１９を閉じて、選
択酸化反応器７から出て来る改質ガスをすべて燃料電池
スタック９に送るようにしているが、加速時等負荷が増
加する時は、第２の流量制御バルブ１９をも開くこと
で、燃料電池スタック９への改質ガスの供給量を減少さ
せて燃料電池スタック９からの電力の取出し（発電量）
を一時制限し、その分の改質ガスをバイパス回路１５を
通じて直接燃焼器１１へ送るようにしている。これによ
り、燃焼器１１での発熱量が増加し、蒸発器１３でのメ
タノールと水の蒸発が迅速に行われるようになり、燃焼
改質部１（特に燃料改質器３）の応答性が向上する。な
お、このとき、燃料電池スタック９からの電力取出し量
（発電量）は一時減少するが、その分はバッテリ２１で
補うことができる。

【００２６】この結果、第１の実施の形態に関する効果
としては、選択酸化反応器７（選択酸化触媒）の直後か
ら分岐してバイパス回路１５を設けると共にこのバイパ
ス回路１５に流量制御バルブ１９を設け、選択酸化反応
器７から出て来る改質ガスを燃料電池スタック９を通さ
ずに直接燃焼器１１に供給できるようにすることで、必
要な時、例えば、加速時等の負荷増加時に、必要な熱量
を短時間で取り出すことができ、燃料改質部１（特に燃
焼改質器３）の応答性及び効率を向上することができ
る。

【００２７】（第２の実施の形態）図２は、本発明の第
２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００２８】第２の実施の形態の特徴は、図２に示すよ
うに、燃料改質部１で生成された改質ガスを燃料電池ス
タック９を通さずに直接燃焼器１１に導くために、シフ
ト反応器５の改質ガス出口と燃焼器１１の改質ガス入口
との間にバイパス回路２９を設けて、シフト反応器５か
ら出て来る一酸化炭素濃度が減少した改質ガスを直接燃
焼器１１に供給できるようにしたことである。燃料改質
部１から燃料電池スタック９に送られる改質ガスの流量
は、第１の流量制御バルブ３１によって調整され、シフ
ト反応器５から直接燃焼器１１に供給される、つまり、
バイパス回路２９を通る改質ガスの流量は、第２の流量
制御バルブ３３によって調整される。

【００２９】なお、このときの作用は、第１の実施の形
態において説明した内容と同様であるので、その説明を
省略することとする。

【００３０】この結果、第２の実施の形態に関する効果
は、上述した第１の実施の形態に関する効果と同様に、
シフト反応器５の直後から分岐してバイパス回路２９を
設けると共にこのバイパス回路２９に流量制御バルブ３
３を設け、シフト反応器５から出て来る一酸化炭素濃度
が減少した改質ガスを燃料電池スタック９を通さずに直
接燃焼器１１に供給できるようにすることで、必要な
時、例えば、加速時等の負荷増加時に、必要な熱量を短
時間で取り出すことができ、燃料改質部１（特に燃焼改
質器３）の応答性及び効率を向上することができる。

【００３１】（第３の実施の形態）図３は、本発明の第
３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００３２】第３の実施の形態の特徴は、図３に示すよ
うに、燃料改質部１で生成された改質ガスを燃料電池ス
タック９を通さずに直接燃焼器１１に導くために、燃料
改質器３の改質ガス出口と燃焼器１１の改質ガス入口と
の間にバイパス回路３５を設けて、燃料改質器３から出
て来る改質ガスを直接燃焼器１１に供給できるようにし
たことである。燃料改質部１から燃料電池スタック９に
送られる改質ガスの流量は、第１の流量制御バルブ３７
によって調整され、燃料改質器３から直接燃焼器１１に
供給される、つまり、バイパス回路３５を通る改質ガス
の流量は、第２の流量制御バルブ３９によって調整され
る。

【００３３】なお、このときの作用は、第１の実施の形
態において説明した内容と同様であるので、その説明を
省略することとする。

【００３４】この結果、第３の実施の形態に関する効果
は、上述した第１の実施の形態に関する効果と同様に、
燃料改質器３（改質触媒）の直後から分岐してバイパス
回路３５を設けると共にこのバイパス回路３５に流量制
御バルブ３９を設け、燃料改質器３から出て来る改質ガ
スを燃料電池スタック９を通さずに直接燃焼器１１に供
給できるようにすることで、必要な時、例えば、加速時
等の負荷増加時に、必要な熱量を短時間で取り出すこと
ができ、燃料改質部１（特に燃焼改質器３）の応答性及
び効率を向上することができる。

【００３５】（第４の実施の形態）図４は、本発明の第
４の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第４の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００３６】第４の実施の形態の特徴は、図４に示すよ
うに、燃料改質部１で生成された改質ガスを燃料電池ス
タック９を通さずに直接燃焼器１１に導くために、燃料
改質部１と燃料電池スタック９の間に設けられた水素分
離膜４１の直前、すなわち、燃料改質部１の改質ガス出
口と燃焼器１１の改質ガス入口との間にバイパス回路４
３を設けて、燃料改質部１から出て来る改質ガスを直接
燃焼器１１に供給できるようにしたことである。燃料改
質部１から燃料電池スタック９に送られる改質ガスの流
量は、第１の流量制御バルブ４５によって調整され、燃
料改質部１から直接燃焼器１１に供給される、つまり、
バイパス回路４３を通る改質ガスの流量は、第２の流量
制御バルブ４７によって調整される。

【００３７】なお、このときの作用は、第１の実施の形
態において説明した内容と同様であるので、その説明を
省略することとする。

【００３８】この結果、第４の実施の形態に関する効果
は、上述した第１の実施の形態に関する効果と同様に、
水素分離膜４１の直前から分岐してバイパス回路４３を
設けると共にこのバイパス回路４３に流量制御バルブ４
７を設け、燃料改質部１から出て来る改質ガスを燃料電
池スタック９を通さずに直接燃焼器１１に供給できるよ
うにすることで、必要な時、例えば、加速時等の負荷増
加時に、必要な熱量を短時間で取り出すことができ、燃
料改質部１（特に燃焼改質器３）の応答性及び効率を向
上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 燃料改質部 ３ 燃料改質器 ５ シフト反応器 ７ 選択酸化反応器 ９ 燃料電池スタック １１ 燃焼器 １３ 蒸発器 １５，２９，３５，４３ バイパス回路 １７，３１，３７，４５ 第１流量制御バルブ １９，３３，３９，４７ 第２流量制御バルブ（流量制
御弁） ４１ 水素分離膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を改質して改質ガスを生成する燃料
   改質部と、 燃料改質部で生成された改質ガスと空気とを用いて発電
   する燃料電池スタックと、 燃料電池スタックから排出される余剰の排改質ガスと排
   空気とを燃焼反応させる燃焼器と、 燃焼器から排出される排気ガスの熱を回収して燃料と水
   とを蒸発させる蒸発器とを備える燃料電池システムにお
   いて、 前記燃料改質部で生成された改質ガスを前記燃料電池ス
   タックを通さずに直接前記燃焼器に導くバイパス回路
   と、 前記バイパス回路を通る改質ガスの流量を制御する流量
   制御弁とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記バイパス回路は、 前記燃料改質部に含まれ、選択酸化触媒を充填して成る
   触媒層を有する選択酸化反応器の直後から分岐して設け
   たことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記バイパス回路は、 前記燃料改質部に含まれるシフト反応器の直後から分岐
   して設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池シ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記バイパス回路は、 前記燃料改質部に含まれ、改質触媒を充填して成る触媒
   層を有する前記燃料改質器の直後から分岐して設けたこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記バイパス回路は、 前記燃料改質部と前記燃料電池スタックとの間に設けら
   れた水素分離膜の直前から分岐して設けたことを特徴と
   する請求項１記載の燃料電池システム。