JP2002134142A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンプレッサの消費電力を低下させるととも
に、コンプレッサの騒音を低減させる燃料電池システム
を提供する。 【解決手段】 燃料電池システムにおいて、燃料電池
（３）から排出する排改質ガスを燃焼器（５）に導入す
る通路（９）と燃料電池（３）から排出する排空気を燃
焼器（５）に導入する通路（１１）を設け、これら通路
の少なくとも一方に設置されるエゼクタ（１３、２５）
を備え、このエゼクタ（１３、２５）を介して蒸発器
（６）から排出する排気ガスを燃焼器（５）に導入す
る。このため蒸発器（６）下流の排気ガスの熱量の一部
を燃焼器（５）を介して蒸発器（６）に再供給すること
ができ、原燃料を気化するために必要な熱量を節約し、
燃料電池システムの効率を向上することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池システム
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料電池システムとして
は特開平１１−２３８５２０号公報に記載のものがあ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの従来
技術では、燃料電池上流に設けたエゼクタを用いて燃焼
器の燃焼ガスを燃料電池に供給する構成となっており、
コンプレッサで発生した空気圧力をエゼクタで消費して
いまい、燃料電池への供給圧力がコンプレッサの吐出圧
力より低下し、燃料電池運転圧力を維持するためにはエ
ゼクタの圧力低下分だけコンプレッサ吐出圧力を上昇さ
せて運転する必要があった。このためコンプレッサの消
費電量が増大し、システムの効率が低下するばかりか、
コンプレッサが発生する騒音が大きくなるという問題が
あった。

【０００４】そこで本発明は、このような問題を解決す
る、燃料電池システムを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、炭化水素
系燃料と水とからなる原燃料ガスと空気とから改質ガス
を生成する改質器と、改質ガスと空気とから発電する燃
料電池と、前記燃料電池から排出する排改質ガスと排空
気とを燃焼させる燃焼器と、この燃焼ガスにより原燃料
を気化し、気化した原燃料ガスを前記改質器に供給する
蒸発器と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電
池から排出する排改質ガスを燃焼器に導入する通路と燃
料電池から排出する排空気を前記燃焼器に導入する通路
を設け、これら通路の少なくとも一方に設置されるエゼ
クタを備え、このエゼクタを介して蒸発器から排出され
る排気ガスの一部を前記燃焼器に導入するように構成し
た。

【０００６】第２の発明は、第１の発明において、燃料
電池に空気を供給するコンプレッサと、エゼクタに前記
排気ガスとは別に空気を供給する空気供給器と、を備え
た。

【０００７】第３の発明は、第２の発明において、燃料
電池の出力が所定出力より低下した時に、エゼクタから
燃焼器に供給される排気ガスを空気供給器からの空気に
切り替える。

【０００８】第４の発明は、第２の発明において、燃料
電池の出力が予め決められた基準値より大きくなった
ら、エゼクタから燃焼器に供給される排気ガスを空気供
給器からの空気に切り替える。

【０００９】第５の発明は、第２の発明において、前記
燃焼器内の燃焼温度が基準値を超えたときに、前記エゼ
クタから前記燃焼器に供給される排気ガスを前記空気供
給器からの空気に切り替える。

【００１０】第６の発明は、第５の発明において、前記
燃焼器の出口温度を検出する温度センサを備え、この温
度センサの出力から燃焼器内の燃焼温度を推定する。

【００１１】第７の発明は、第５の発明において、前記
エゼクタの上流に排改質ガス及び排空気の圧力を検出す
る圧力センサとを備え、前記圧力センサの出力から排改
質ガス及び排空気の少なくとも一方の流量を推定し、こ
の推定値に基づき燃焼器内の燃焼温度を推定し、この推
定温度が基準値を超えたら、前記エゼクタから前記燃焼
器に供給される排気ガスを前記空気供給器からの空気に
切り替える。

【００１２】第８の発明は、第１から第７の発明のうち
いずれか一つにおいて、前記エゼクタをバイパスするバ
イパス通路と、前記バイパス通路に設けられた圧力調整
弁とを備える。

【００１３】

【発明の効果】第１の発明では、燃料電池システムにお
いて、燃料電池から排出する排改質ガスを燃焼器に導入
する通路と燃料電池から排出する排空気を燃焼器に導入
する通路を設け、これら通路の少なくとも一方にエゼク
タを設置し、このエゼクタを介して蒸発器から排出する
排気ガスを燃焼器に導入するようにしたので、蒸発器下
流の排気ガスの熱量の一部を燃焼器を介して蒸発器に再
供給することができるので、原燃料を気化するために必
要な熱量を節約し、燃料電池システムの効率を向上する
ことができる。

【００１４】排気ガスの一部を燃焼器に供給するので、
コンプレッサから燃料電池を介して燃焼器に供給される
空気流量を少なくでき、コンプレッサの消費電力を低減
でき、またコンプレッサの回転を低下できるため、コン
プレッサの発生する騒音を低減できる。

【００１５】第２の発明では、燃料電池に空気を供給す
るコンプレッサと、エゼクタに空気を供給する空気供給
器とを備えたので、第１の発明の効果に加えて、燃焼器
に排空気、排改質ガスまたは排気ガスより温度の低い空
気を供給できるので、燃焼器の過昇温を防止できる。

【００１６】第３の発明では、燃料電池の出力が所定出
力より低下した時に、エゼクタから燃焼器に供給される
排気ガスを空気供給器からの空気に切り替えるので、燃
料電池が消費する改質ガスが減った場合、改質器の応答
遅れにより改質ガス中の水素量の減少が燃料電池の消費
水素量の減少に対して遅れ、燃焼器に流入する排水素量
が増加するが、これに見合った空気量をコンプレッサの
最大供給空気量を超えて供給できるので、燃焼器の過昇
温を防止できる。

【００１７】第４の発明では、燃料電池の出力が予め決
められた基準値より大きくなったとき、エゼクタから燃
焼器に供給される排気ガスを空気供給器からの空気に切
り替えるので、燃料電池の出力が大きい時、コンプレッ
サの回転速度を抑えることができ、コンプレッサの発生
する騒音を抑制できる。

【００１８】第５の発明では、前記燃焼器内の燃焼温度
が基準値を超えたときに、前記エゼクタから前記燃焼器
に供給される排気ガスを前記空気供給器からの空気に切
り替えるので、燃焼器の過昇温を防止することができ
る。

【００１９】第６の発明では、前記燃焼器の出口温度を
検出する温度センサを備え、この温度センサの出力から
燃焼器内の燃焼温度を推定するので、燃焼器が過昇温と
なりそうなときのみエゼクタから比較的低温の空気を燃
焼器に供給し、それ以外のときは排気ガスを再利用でき
るので、排気ガスの排熱を再利用する機会が増加し、シ
ステムの効率を向上できる。

【００２０】第７の発明では、前記エゼクタの上流に排
改質ガス及び排空気の圧力を検出する圧力センサとを備
え、前記圧力センサの出力から排改質ガス及び排空気の
少なくとも一方の流量を推定し、この推定値に基づき燃
焼器内の燃焼温度を推定し、この推定温度が基準値を超
えたら、前記エゼクタから前記燃焼器に供給される排気
ガスを前記空気供給器からの空気に切り替えるので、燃
焼器に流入する排改質ガスの流量を高応答で検出でき、
排気ガスと空気との切り替えを応答よく行うことがで
き、燃焼器の過昇温を防止できる。

【００２１】第８の発明では、前記エゼクタをバイパス
するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられた圧
力調整弁とを備えるので、最高効率点でエゼクタの出力
特性を合わせることができ、燃料電池システムの最高効
率点での効率を向上できるとともに、定格運転時に燃料
電池スタックの運転圧を必要以上に高くならないように
できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１に本発明における燃料電池シ
ステムの構成を示す。

【００２３】燃料電池システムは炭化水素系燃料（例え
ば、メタノール）と水からなる原燃料ガスから水素リッ
チの改質ガスを生成する改質器１と、改質ガスが供給さ
れる一酸化炭素除去器２（以下、一酸化炭素をＣＯと示
す）と、ＣＯ除去器２で所定ＣＯ濃度以下にＣＯ濃度を
低減された改質ガスが供給されるアノード極と、コンプ
レッサ４から酸化剤としての空気（すなわち酸素）が供
給されるカソード極とから構成される燃料電池スタック
３と、燃料電池スタック３から排出される排改質ガスと
排空気とが供給され、燃焼する燃焼器５と、燃焼器５か
ら燃焼ガスを導入し、原燃料のメタノールと水を気化さ
せ、気化した原燃料ガスを改質器１に供給する蒸発器６
と、蒸発器６に原燃料のメタノールと水を供給するメタ
ノールタンク７と水タンク８から構成される。

【００２４】このような構成において、蒸発器６から改
質器１に蒸発、気化した原燃料ガスが導入され、改質器
１に充填された触媒との間で部分酸化反応が促進され、
改質器１の温度が急速に高温となり、改質ガスを生成す
る。改質ガスはＣＯ除去器２に供給されて、ＣＯ除去器
２の触媒とＣＯの選択酸化反応を生じ、ＣＯ除去器２は
昇温するとともに、ＣＯ濃度を十分低下させた改質ガス
を燃料電池スタック３に供給する。燃料電池スタック３
にはコンプレッサ４からの空気も導入され、これらより
燃料電池スタック３が発電作用を生じる。この発電を行
った後の余剰の排改質ガスと排空気は燃焼器５に供給さ
れて燃焼され、蒸発器６を加熱する。蒸発器６には、メ
タノールタンク７と水タンク８からメタノールと水が供
給されて、これらが燃焼器５からの熱によって気化さ
れ、気化した燃料ガスは改質器１に供給され、排気ガス
は大気中に放出される。

【００２５】ところで前記燃料電池スタック３から排出
された排改質ガスと排空気とはそれぞれ独立して燃焼器
５に供給されるようになっており、このため排改質ガス
を燃焼器５に供給する通路９を設け、その通路９の途中
には排改質ガスの圧力を調整する圧力調整弁１０が設置
されている。また同様に通路１１は燃料電池スタック３
から排出された排空気を燃焼器５に供給する通路であ
り、その通路１１の途中には排空気の圧力を調整する圧
力調整弁１２が設置される。

【００２６】そして圧力調整弁１２と燃焼器５の間には
エゼクタ１３が設置され、エゼクタ１３には蒸発器６か
ら排出される排気ガスが通路１４を介して導入される。
またエゼクタ１３には空気供給器１８から空気も通路１
５を介して導入される。

【００２７】空気供給器１８は、例えば、フィルターと圧
力損失の小さな配管の組み合わせで構成され、空気の導
入は、あくまでもエゼクタによる負圧により行われるも
のである。

【００２８】通路１４、１５にはそれぞれ開閉弁１６、
１７が設置されており、排気ガスまたは空気の導入を決
めるための開閉弁１６、１７の開閉制御はコントローラ
２０によって行われ、このコントローラ２０による開閉
弁１６、１７の開閉制御は、燃料電池スタック３の出力
を制御する出力調整装置３０の制御内容に応じて決定さ
れる。

【００２９】すなわち、コントローラ２０の指示によ
り、通常運転時には開閉弁１６を開く一方で開閉弁１７
を閉じ、これにより排気ガスをエゼクタ１３に導入す
る。これに対して出力調整装置３０の指示で燃料電池ス
タック３の出力を改質器１の時間当たりの改質ガス減少
幅以上に低減させる場合には、開閉弁１６を閉じ、開閉
弁１７を開いて、エゼクタ１３への排気ガスの供給を停
止し、空気をエゼクタ１３に供給する。

【００３０】このように構成され、次に作用を説明す
る。

【００３１】通常運転時には開閉弁１７が閉じ、開閉弁
１６が開くことで、蒸発器６からの排出ガスを通路１４
を介してエゼクタ１３に還流し、エゼクタ１３より燃焼
器５に供給することで、排気ガスに残存する熱量を再利
用することができる。

【００３２】燃焼器５から排出される燃焼ガスの温度は
燃料電池システムで使用される原燃料（例えば、メタノ
ールや水など）の沸点より高い温度となる。一方、燃焼
器５に流入する燃料電池スタック３からの排改質ガスと
排空気は燃料電池運転温度以下に設定する必要があるた
め比較的低温となる。しかし、燃料電池システムで発電
に使用する燃料流量によっては、燃焼器５での発熱量が
大きくなるため、蒸発器６で気化熱を奪われた後の排気
ガスであっても、排気ガス温度は排空気の温度よりも高
くなり、このように温度の高い排気ガスを燃焼器５に供
給することで熱の再利用が可能となり、燃料電池システ
ムの効率を向上することができる。

【００３３】燃料電池システムの運転には燃料電池スタ
ック３が所定出力を発生させるのに必要な運転圧になる
ように、コンプレッサ４から供給される空気の圧力と改
質ガスの圧力を維持しなければならないため、エゼクタ
１３で排気ガスおよび空気の導入のために消費される圧
力はこの運転圧でまかなうことができる。これにより燃
料電池スタック３の上流にエゼクタを設けた場合に比べ
て、余計に圧力を上昇させる必要がない。

【００３４】ただし、エゼクタ１３の圧力損失が小さ
く、エゼクタ１３入口の圧力が燃料電池スタック３の運
転圧に達しない場合には、圧力調整弁１２を絞ることに
より燃料電池スタック３の運転圧を確保することができ
る。

【００３５】燃焼器５を触媒反応器とした場合には、燃
焼反応は触媒の耐熱反応温度以下で行わなければならな
い。そのため、燃料電池スタック３の排改質ガスを燃焼
器５の触媒耐熱温度以下で燃やすため、理論空燃比より
も多くの空気を燃焼器５に供給する必要がある。このた
めに排空気に蒸発器６の排気ガスまたは空気供給器１８
からの空気を供給すればよく、またこの結果コンプレッ
サ４の消費電力を低減することができるばかりか、コン
プレッサ４の回転数を下げることで、コンプレッサ４の
発生する騒音を低減することもできる。

【００３６】改質器１の時間当たりの改質ガスの減少幅
より燃料電池スタック３の出力低減に伴う改質ガスの消
費幅を減少させる場合（急減速時など）には、燃焼器５
に供給される排改質ガスが増加する。そのため燃焼器５
はそれまでよりリッチな燃焼状態となるために温度が上
昇し、触媒の耐熱温度上限に近づくが、この場合には、
開閉弁１６を閉じ、開閉弁１７を開くことでエゼクタ１
３を介して排気ガスの代わりに空気を導入し、これによ
り燃焼器５での燃焼に用いる空気流量をコンプレッサ４
の吐出流量を変化させなくても増加させ、燃焼をリーン
化し、さらに排気ガスから空気供給に切り替えるので、
温度の低い空気を燃焼器５に供給することになり、燃焼
器５が触媒の耐熱温度限を超えて過昇温することを防ぐ
ことができる。

【００３７】次に図２に示す第２の実施形態を説明す
る。

【００３８】これは第１の実施形態に対して、燃料電池
スタック３から排出される排改質ガスを燃焼器５に導入
する通路９にもエゼクタ２５を設けたものである。

【００３９】エゼクタ２５は通路９に設けられる圧力調
整弁１０の下流に設けられ、蒸発器６の排気ガスと空気
供給器１８の空気が供給される。排気ガスは通路１４か
ら分岐した通路２１から供給され、空気は通路１５から
分岐した通路２２からエゼクタ２５に供給される。さら
に通路２１には開閉弁２３が設置され、通路２２にも開
閉弁２４が設置され、これら開閉弁２３、２４はコント
ローラ２０によってその開閉が制御される。

【００４０】開閉弁２３、２４の開閉は、前記開閉弁１
６、１７の制御内容と同様であり、以下のようにコント
ローラ２０によって制御される。

【００４１】つまり通常運転時には開閉弁１６、２３を
開き、開閉弁１７、２４を閉じ、排気ガスをエゼクタ１
３、２５に導入する。出力調整装置３０の指示により、
燃料電池スタック３の出力を改質器１の時間当たりの改
質ガス減少幅以上に低減させる場合には、開閉弁１６、
２３を閉じ、開閉弁１７、２４を開いて、空気をエゼク
タ１３、２５に供給する。

【００４２】このような構成とすることで、排空気と排
改質ガスの両方の運転圧力を利用して、燃焼器５に供給
する排気ガスまたは空気供給器１８からの空気流量を増
加することができる。

【００４３】排空気側と排改質ガス側に設けたエゼクタ
１３、２５の圧力損失のバランスを調整することによ
り、燃料電池スタック３に加わる空気と改質ガスの圧力
差を燃料電池スタック３が許容する圧力差内に収めるこ
とができ、発電効率を向上させられる。

【００４４】次に図３に示す第３の実施形態について説
明する。

【００４５】これは第２の実施形態に対して、エゼクタ
１３、２５をバイパスする通路２７、３１を設け、これ
ら通路に圧力調整弁２８、３２を設置したものである。
エゼクタ１３、２５の出力特性は燃料電池スタック３の
定格運転以外、例えば、定格運転より低い負荷の最も効
率のよい運転状態付近に合わせる。

【００４６】エゼクタ１３、２５の圧力損失により燃料
電池スタック３に加わる空気および改質ガスの圧力が所
定出力発生のために必要な圧力を越えた場合に、バイパ
ス流路２７、３１の圧力調整弁２８、３２は開度を大き
くし、燃料電池スタック３の運転圧が必要以上に高くな
らないように制御する。

【００４７】このように構成することで、定格運転時以
外での運転点（例えば、最高効率点）にエゼクタ１３、
２５の出力特性を合わせることができるので燃料電池シ
ステムの最高効率点での効率を向上することができる。

【００４８】燃料電池スタック３の運転圧が必要な運転
圧以上に高くならないように制御されるので、コンプレ
ッサ４の吐出圧力を余分に上昇させることがなく、コン
プレッサ４の消費電力の増加を抑制できる。

【００４９】図４に示す第４の実施形態は、第１の実施
形態に対して、燃焼器５から排出される燃焼ガスの温度
を検出し、コントローラ２０に出力する温度センサ３３
を設けたものである。

【００５０】コントローラ２０は温度センサ３３の出力
値から推定した燃焼器５内の燃焼温度と触媒の耐熱温度
限とを比較し、燃焼温度が耐熱温度限に近づいた場合に
開閉弁１６を閉じ、開閉弁１７を開き、エゼクタ１３に
空気が供給されるように制御する。

【００５１】このような構成とすることで、燃焼器５内
の燃焼温度が過昇温となる場合にのみエゼクタ１３から
比較的低温の空気を導入するので、他の運転状態におい
ては第１の実施形態より燃焼器５の耐熱温度限直前まで
蒸発器６の排気ガスを再利用でき、蒸発器６の排熱を再
利用する機会が増加し、システムの効率を向上すること
ができる。

【００５２】図５に示す第５の実施形態について説明す
る。

【００５３】これは第２の実施形態に対して圧力制御弁
１０とエゼクタ２５の間に排改質ガスの圧力を検出し、
コントローラ２０に出力する圧力センサ３４を設置した
ものである。

【００５４】コントローラ２０は圧力センサ３４の出力
値から燃焼器５に流入する排改質ガスの流量を推定し、
改質ガスの流量とその時にコンプレッサ４から供給され
ている空気流量（図示はしないが、コンプレッサ４の回
転速度と改質器１への反応用空気供給量に基づきコント
ローラ２０により推定される）から燃焼器５の燃焼温度
を演算する。この演算結果より、触媒の耐熱温度限に近
づいていることを察知したら、排気導入の通路１４の開
閉弁１６を閉じ、空気導入の通路１５の開閉弁１７を開
きエゼクタ１３に空気が供給されるように制御する。

【００５５】なお本実施形態において空気流量はコンプ
レッサ４の回転速度と改質器１への反応用空気供給量か
ら求めるとしたが、これはコンプレッサ４が体積型コン
プレッサを前提とした場合であり、エゼクタ１３直前の
圧力を圧力センサ等を用いて検出し、この検出値から空
気流量を算出することもできる。

【００５６】また、逆に改質ガス流量も原燃料の流量か
ら算出することができるため、通路９、１１に圧力セン
サを持たなくても燃焼器５の燃焼温度を演算することが
できる。

【００５７】このような構成により、燃料電池スタック
３の出力に関係なく燃焼器５に流入する排改質ガスの流
量（すなわち排水素の流量）を圧力センサ３４によって
応答よく検出できるため、通路１４、１５の切り替えを
応答よく行うことができ、燃焼器５の過昇温を効果的に
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態の構成図である。

【図２】 同じく第２の実施形態の構成図である。

【図３】 同じく第３の実施形態の構成図である。

【図４】 同じく第４の実施形態の構成図である。

【図５】 同じく第５の実施形態の構成図である。

【符号の説明】

１ 改質器 ２ ＣＯ除去器 ３ 燃料電池スタック ４ コンプレッサ ５ 燃焼器 ６ 蒸発器 １３ エゼクタ １４ 通路 １５ 通路 １６ 開閉弁 １７ 開閉弁 ２０ コントローラ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炭化水素系燃料と水とからなる原燃料ガス
   と空気とから改質ガスを生成する改質器と、 改質ガスと空気とから発電する燃料電池と、 前記燃料電池から排出する排改質ガスと排空気とを燃焼
   させる燃焼器と、 この燃焼ガスにより原燃料を気化し、気化した原燃料ガ
   スを前記改質器に供給する蒸発器と、を備えた燃料電池
   システムにおいて、 前記燃料電池から排出する排改質ガスを前記燃焼器に導
   入する通路と前記燃料電池から排出する排空気を前記燃
   焼器に導入する通路を設け、これら通路の少なくとも一
   方に設置されるエゼクタを備え、 このエゼクタを介して前記蒸発器から排出される排気ガ
   スの一部を前記燃焼器に導入するように構成したことを
   特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】前記燃料電池に空気を供給するコンプレッ
   サと、 前記エゼクタに前記排気ガスとは別に空気を供給する空
   気供給器とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記燃料電池の出力が所定出力より低下し
   た時に、前記エゼクタから前記燃焼器に供給される排気
   ガスを前記空気供給器からの空気に切り替えることを特
   徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】前記燃料電池の出力が予め決められた基準
   値より大きくなったら、前記エゼクタから前記燃焼器に
   供給される排気ガスを前記空気供給器からの空気に切り
   替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池シス
   テム。
5. 【請求項５】前記燃焼器内の燃焼温度が基準値を超えた
   ときに、前記エゼクタから前記燃焼器に供給される排気
   ガスを前記空気供給器からの空気に切り替えることを特
   徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】前記燃焼器の出口温度を検出する温度セン
   サを備え、 この温度センサの出力から燃焼器内の燃焼温度を推定す
   ることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システ
   ム。
7. 【請求項７】前記エゼクタの上流に排改質ガス及び排空
   気の圧力を検出する圧力センサとを備え、 前記圧力センサの出力から排改質ガス及び排空気の少な
   くとも一方の流量を推定し、この推定値に基づき燃焼器
   内の燃焼温度を推定し、この推定温度が基準値を超えた
   ら、前記エゼクタから前記燃焼器に供給される排気ガス
   を前記空気供給器からの空気に切り替えることを特徴と
   する請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】前記エゼクタをバイパスするバイパス通路
   と、前記バイパス通路に設けられた圧力調整弁とを備え
   たことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記
   載の燃料電池システム。