JP2003007319A

JP2003007319A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003007319A
Application number: JP2001189442A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Shoji; 忠庄子; Yasukazu Iwasaki; 靖和岩崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-22
Filing date: 2001-06-22
Publication date: 2003-01-10

Abstract

(57)【要約】【課題】特殊な耐熱仕様を必要としない循環ブロアを有
する燃料電池システム。【解決手段】燃料の供給により発電する固体電解質の燃
料電池１と、燃料電池１のアノード排ガスを冷却する一
次冷却装置４と、一次冷却されたアノード排ガスの少な
くとも一部をさらに冷却する二次冷却装置５と、二次冷
却されたアノード排ガスを含むガスを循環ブロア９を介
して燃料電池１に供給する循環系ライン１６と、燃料電
池１に供給される燃料を一次冷却装置４での熱交換によ
り気化する燃料供給ライン１４と、を備える燃料電池シ
ステムおいて、二段階の冷却システムを設置することに
より冷却システムの後段に特殊な耐熱仕様を必要としな
い循環ブロア９を設置できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシステムを循環するアノ
ード排ガスの流量が制御可能な燃料電池システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素を改質することにより、水素リ
ッチな改質ガスを得て、燃料電池用の燃料とする方法が
ある。炭化水素から電気を得るまでの化学式は以下のよ
うになり、(１)から(３)までが改質反応、(４)が燃料電
池内で起こる水素の酸化反応である。

【数式１】

【０００３】(１)と(２)の反応では、水を反応原料とし
て用いており、(４)では反応生成物として水が得られ
る。また、燃料電池内の反応は湿潤状態でなければ非効
率なため、実際には上記反応に要求される以上の水が必
要となる。よって、燃料電池システムでは，必要な水を
燃料電池の排ガスから可能な限り再利用することが求め
られている。

【０００４】特開平7-230816号では、アノード排ガスを
燃料電池のアノード側の出口直後で循環系ラインと排出
系ラインに分岐する構造をとっている。分岐された循環
系ラインのアノード排ガスは都市ガス中に含まれるC₂以
上の炭化水素を改質するプレリフォーマーの熱源に使用
され、水蒸気、燃料の都市ガスと混合してプレフォーマ
ーを通り燃料電池へと供給される。

【０００５】また、特開平11-233129号では、固体電解
質型燃料電池発電（以下SOFC）システムにおいて、供給
燃料ガスと混合したアノード排ガスから、熱交換器と凝
縮器を用いて余分な水蒸気を分離する手段がとられてい
る。燃料ガスの水蒸気改質に必要な水蒸気は分離されず
にアノード排ガス中に含まれる。

【０００６】

【発明が解決しようとしている問題点】特開平7-230816
号では、アノード排ガスの一部を断熱型プレリフォーマ
ーの熱源に利用するために、リサイクルガス流量制御弁
を介して、リサイクルガスを約1000℃という高温のまま
インジェクターに供給している。しかし、現実的には、
1000℃まで耐熱性のある流量制御弁は可能であったとし
ても非常に高価となり、工業製品として容易に用いるこ
とはできない。また、前記従来技術の場合には流量制御
弁からでたガスは、燃料ガスおよび水蒸気とともにイン
ジェクターから噴霧される。この場合においても、アノ
ード循環ガス温度は約1000℃であり、インジェクターが
高温に耐えられないこと、また、同時に噴霧する他のガ
スが100℃前後であり、アノード循環ガスとは900℃程度
の温度差が予想され、熱応力からもインジェクターの性
能が低下する可能性がある。

【０００７】さらに特開平7-230816号では、アノード排
ガスから断熱型プレリフォーマーで必要な熱量だけを摂
取している。すなわち、アノード排ガスから循環系へ供
給される流量は、断熱型プレフォーマーの要求熱量を基
準として決められる。そのため、燃料の水蒸気改質へ再
利用する水蒸気量は任意に設定することはできない。そ
の結果、外部水源から得た水を気化させて水蒸気改質用
に供給しなければならず、燃料電池システムとしての水
収支が悪いという問題がある。

【０００８】また、特開平11-233129号では、循環ブロ
アは低温で使用できるが、凝縮器を使用するため供給燃
料として液体燃料を使用しようとすると、水と一緒に燃
料も凝縮されるので、液体燃料は適用できないという問
題がある。

【０００９】本発明はこれらの問題を解決することを目
的とする。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】第１の発明は、燃料の
供給により発電する固体電解質の燃料電池と、前記燃料
電池のアノード排ガスを冷却する一次冷却装置と、一次
冷却されたアノード排ガスの少なくとも一部をさらに冷
却する二次冷却装置と、二次冷却されたアノード排ガス
を含むガスを循環ブロアを介して前記燃料電池を供給す
る循環系ラインと、前記燃料電池に供給される燃料を前
記一次冷却装置での熱交換により気化する燃料供給ライ
ンと、を備える。

【００１１】第２の発明は。第１の発明において、前記
燃料電池を改質して水素リッチなガス燃料として前記燃
料電池に供給する改質器を備える。

【００１２】第３の発明は、第１および２の発明におい
て、前記循環ブロアが前記アノード循環ガスの流量を調
整する。

【００１３】第４の発明は、第１から３の何れか１つの
発明において、前記アノード循環ガスの流量に含まれる
水蒸気量が前記改質器内における水蒸気改質反応に必要
な量となるように前記アノード循環ガスの流量を調整す
る。

【００１４】第５の発明は、第１から４の何れか一つの
発明において、前記二次冷却装置を、前記燃料電池のカ
ソードに供給する空気と前記アノード循環ガスとの間で
熱交換をする熱交換器とする。

【００１５】第６の発明は、第１から５のいずれか一つ
の発明において、前記改質装置に供給する空気の量を調
整する改質空気ブロアを設置する。

【００１６】第７の発明は、第６の発明において、前記
燃料電池の負荷の増加に対し、前記燃料ポンプと前記循
環ブロアおよび前記燃料電池に供給する空気量を調整す
る燃料電池空気ブロアによる流量を増加する。

【００１７】第８の発明は、第７の発明において、前記
改質器の温度が低下したときに、前記改質空気ブロアに
より前記改質器に空気を供給する。

【００１８】

【作用及び効果】第１の発明によれば、二段階の冷却シ
ステムによりアノード排ガスの少なくとも一部であるア
ノード循環ガスを冷却することにより、冷却システムの
後段ではアノード循環ガスの冷却が進み、特殊な耐熱仕
様をとらない循環ブロアを設置できる。また、アノード
排ガスの一次冷却装置で燃料電池に供給される燃料を熱
交換することで、燃料に気化するための十分な熱を与え
ることができ、燃料電池システムの熱効率が向上する。

【００１９】第２の発明によれば、燃料電池の外部に改
質器が存在する燃料電池システムにおいて、第１の発明
の効果を得ることができる。

【００２０】第３の発明によれば、循環ブロアにより循
環系ラインを流れるアノード排ガスの流量を調整するこ
とで、ガス中に含まれる水蒸気量を任意に調整すること
ができる。それにより、アノード排ガスの一部であるア
ノード循環ガス中の水蒸気を有効に再利用することがで
き、燃料電池システムの水収支を向上することができ
る。

【００２１】第４の発明によれば、循環ブロアにより調
整されたアノード循環ガスに含まれる水蒸気の量を、改
質器内で行う水蒸気改質反応に必要な量とすることで、
燃料電池システムの水収支をさらに向上することができ
る。また、外部からの水の供給を必要としないので、シ
ステムが簡略化する。

【００２２】第５の発明によれば、二次冷却装置として
アノード循環ガスと燃料電池のカソードに供給される空
気との間で熱交換を行う熱交換器を用いることで、アノ
ード循環ガスの熱で燃料電池のカソードに供給される空
気を加熱することができ、燃料電池システムの熱効率を
向上することができる。

【００２３】第６の発明によれば、改質空気ブロアによ
り改質器に供給する空気量を調整することで、改質器内
で適当な部分酸化反応をおこすことができる。燃焼器か
らの熱の出力が弱いときなど、改質器内の吸熱反応であ
る水蒸気改質反応に必要な熱が不十分となるが、発熱反
応である部分酸化反応を起こすことで、改質器自身の温
度をあげて、水蒸気改質反応に必要な熱を確保できる。

【００２４】第７の発明によれば、燃料ポンプ、燃料電
池空気ブロア、循環ブロアを調整し流量を増加すること
で、燃料電池の負荷が増加したときにも循環ブロアは高
温にさらされることなく、安定した改質反応を行うこと
ができる。

【００２５】第８の発明によれば、改質器の温度が低下
したときに、改質空気ブロアにより改質器に空気を供給
することで、改質器内で発熱反応である炭素の部分酸化
反応が起こり、改質器を高温に保つことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施形態について
の概略図を示す。図１に示すように、本燃料電池システ
ムは、水素あるいは炭化水素を燃料として発電する酸素
イオン伝導タイプの固体電解質型の燃料電池１であっ
て、例えば、ガソリンのような炭化水素系液体燃料を燃
料源として用いる。

【００２７】第1の実施形態において燃料電池システム
を、水素をアノード１Ａに空気をカソード１Ｂに供給
し、電気化学反応により発電を行う燃料電池１、燃料電
池１に供給する水素リッチガスを生成する改質器２、改
質器２内の改質反応に必要な熱を供給する燃焼器３、蒸
発器を備え燃料を気化する一次冷却装置４、燃料電池１
に供給する空気を加熱する二次冷却装置５、水素リッチ
ガスの原料である炭化水素燃料の燃料タンク６、改質器
２や燃料電池１に供給する酸素を含む空気の空気源７、
燃料の供給量を調整する燃料ポンプ８、アノード排ガス
中でシステムを循環する流量を調整する循環ブロア９、
燃料電池１に供給する空気の量を調整する燃料電池空気
ブロア１０、改質器２に供給する空気量を調整する改質
空気ブロア１１などにより構成し、それぞれの装置をパ
イプにより接続する。ここで、燃料電池１のアノード１
Ａから蒸発器を備えた一次冷却装置４を通過し分岐点１
２までをアノード排ガスライン１３、燃料タンク６から
燃料ポンプ８、蒸発器を備えた一次冷却装置４を通過し
改質器２に燃料を供給するまでを燃料供給ライン１４、
分岐点１２から燃焼器３を通過し排気されるまでを排気
系ライン１５、分岐点１２から二次冷却装置５と循環ブ
ロア９を通過してから改質器２に供給されるまでを循環
系ライン１６、燃料電池１のカソード１Ｂから燃焼器３
までをカソード排ガスライン１７とする。

【００２８】なお、燃料ポンプ８、循環ブロア９、燃料
電池空気ブロア１０、および改質空気ブロア１１は通過
する燃料またはガスの流量を制御可能となっている。

【００２９】燃料ポンプ８により燃料タンク６から適切
な量の液体燃料を、アノード排ガスを冷却する一次冷却
装置４に送る。一次冷却装置４内では、後述するように
高温のアノード排ガスと液体燃料の間で熱交換を行な
い、液体燃料を気化する。ここで、燃料が液体燃料であ
るので、気体燃料に比べて、交換される熱量ははるかに
多くできる。気化した燃料を、空気源７から改質空気ブ
ロア１１により流量を調整した空気と循環系ライン１６
からのアノード排ガスの一部と共に改質器２に送り、改
質反応により水素リッチな改質ガスを生成し、改質ガス
をアノード１Ａに送る。後述するように、改質器２の温
度は燃焼器３により高温に保たれる。空気源７から燃料
電池空気ブロア１０により流量を調整した空気を、二次
冷却装置５おいて、循環系ライン１６を流れるアノード
循環ガス（アノード排ガスの一部分）により加熱した後
にカソード１Ｂに供給する。このように、アノード１Ａ
に供給される改質ガスとカソード１Ｂに供給され酸素を
含む空気とにより、燃料電池１内で酸素イオン伝導によ
る発電を行う。発電操作後、カソード１Ｂから排出され
たカソード排ガスをカソード排ガスライン１７に流し、
改質器２を高温に保つための熱を得るために燃焼器３で
燃焼し、その後排出する。

【００３０】発電に使用されずにアノード１Ａより排出
された高温のアノード排ガスは、前述のように、液体燃
料を気化するための蒸発器を備えた一次冷却装置４に供
給される。ここで前述のように、高温のアノード排ガス
と液体燃料との間で熱交換を行ない、アノード排ガスを
冷却することができる。冷却したアノード排ガスを、分
岐点１２において排気系ライン１５と循環系ライン１６
に分ける。ここで、排気系ライン１５と循環系ライン１
６を流れるガスの流量を循環系ライン１６に設置した循
環ブロア９により制御する。排気系ライン１５を流れる
アノード排ガスを、改質器２を高温に保つための熱を得
るために燃焼器３で燃焼した後に排気する。

【００３１】一方循環系ライン１６を流れるアノード循
環ガスを、空気熱交換器である二次冷却装置５におい
て、燃料電池１のカソード１Ｂに供給される空気との間
で熱交換を行わせ冷却する。ここで、二次冷却装置５の
熱交換量と燃料電池１の出力変動、すなわち燃料電池１
の空気要求量とは相関がある。この相関から、予め二次
冷却装置５の熱交換能力を最適化しておくことが望まし
い。燃料電池１の空気要求量が大きい場合には、二次冷
却装置５を迂回して燃料電池１へ空気を供給するバイパ
ス回路を設ける方法をとることもできる。

【００３２】冷却されたアノード循環ガスは循環ブロア
９により流量を調整されてから、再び改質器２に供給さ
れ、改質反応が行われる。発電後、燃料電池１から排出
されるアノード排ガスを二段階の冷却装置、すなわち蒸
発器を備えた一次冷却装置４および燃料電池に供給する
空気と熱交換を行う二次冷却装置５で冷却し、この二段
階の冷却によりアノード循環ガスが高温でなくなり、こ
のため循環ブロア９は高耐熱性とする必要はなく、ま
た、熱応力による性能の低下も防ぐことができる。ま
た、循環ブロア９により、アノード循環ガスの流量を制
御することができるので、アノード循環ガスに含まれる
水蒸気量を制御することができ、この水蒸気量を改質器
２内での水蒸気改質反応に必要な量に調整することで、
水収支が向上し、外部からの水の供給が必要ではなくな
る。

【００３３】このように、アノード排ガスの循環を行う
ことで、水蒸気改質反応により得た熱を、液体燃料の気
化や燃料電池１のカソードへ供給する空気の加熱に利用
でき、熱効率を上げることができる。

【００３４】燃料電池システム内を流れるガスや燃料等
の流量を図示しないコントロールユニットにより燃料ポ
ンプ８、循環ブロア９、燃料電池空気ブロア１０、改質
空気ブロア１１を介して制御することにより、燃料電池
負荷変動下でも安定した改質反応を起こすことができ
る。次の表１には、本発明に記載する燃料電池システム
の運転例を示してある。具体的には、以下に述べるが表
１には負荷変動時のポンプおよびブロアの運転制御を簡
単に示している。表１中の「fast」はポンプおよびブロ
アが流す液体や空気の流量を多くしなければない制御、
「slow」はポンプおよびブロアが流す液体や空気の流量
を少なくしなければない制御、また、「stop」はポンプ
およびブロアが液体および空気の流していないことを示
している。

【００３５】

【表1】燃料電池１が要求する負荷が増加したとき、表１の
（ａ）、（ｂ）の場合には、それに見合った燃料流量を
燃料ポンプ８から蒸発器を備えた一次冷却装置４へ供給
する。燃料を水蒸気改質するために必要な水蒸気量をア
ノード排ガス中の水蒸気濃度が分かっている場合は計算
から、不明の場合は水分計などから水蒸気量の情報を得
ることによって、循環ブロア９を所定の運転条件まで高
める。循環ブロア９の運転を高めると同時に、循環ブロ
ア９の温度を低く保つために燃料電池空気ブロア１０の
運転を高めるように制御をする。この時に、吸熱反応で
ある水蒸気反応の増加と燃焼器３に供給されるアノード
排ガスの減少のため、改質器２の温度が下がるようであ
えば、表１の（ｂ）の場合、改質空気ブロア１１を運転
して空気を導入して発熱反応である部分酸化反応により
温度を上昇する。

【００３６】逆に燃料電池１が要求する負荷が減少した
ときには、表１の（ｃ）、（ｄ）の場合には、燃料ポン
プ８から蒸発器を備えた一次冷却装置４への燃料供給量
を減らし、循環ブロア９と燃料電池空気ブロア１０も同
様に所定の運転条件まで下げる。この時にも、改質器２
の温度が下がるようであれば、表１の（ｄ）の場合、改
質器空気ブロア１１を運転して空気を導入する。

【００３７】このように、燃料ポンプ８と循環ブロア９
および燃料電池空気ブロア１０を制御することにより、
燃料電池１が要求する負荷に対応することができる。

【００３８】また、燃焼器３から改質器２へ熱量を供給
するが、燃料電池システムの運転条件によっては、例え
ば燃料電池空気ブロア１０からの空気の供給量が多い場
合など、改質反応に必要な十分な熱量を与えることがで
きないことがある。これは改質器２の温度を測定するこ
とにより容易に把握でき、空気源７から供給される改質
空気ブロア１１を制御することにより適量の空気を改質
器２へ導入し、改質器２の温度を一定に保つことができ
る割合で燃料の部分酸化反応（発熱反応）を起こさせ、
熱制御を行うことができる。

【００３９】本実施形態においては、改質装置２が設置
されている燃料電池システムについて記載したが、燃料
電池１内で改質反応を行う等の理由から改質装置が設置
されない燃料電池システムでもよい。なお、本発明は上
記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範
囲に記載した技術的思想の範囲以内で様々な変更が成し
得ることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の概略構成を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１燃料電池１Ａアノード１Ｂカソード２改質器３燃焼器４一次冷却装置５二次冷却装置６燃料タンク７空気源８燃料ポンプ９循環ブロア１０燃料電池空気ブロア１１改質空気ブロア１２分岐点１３アノード排ガスライン１４燃料供給ライン１５排気系ライン１６循環系ライン１７カソード排ガスライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 ＫＳ 8/12 8/12 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA05 BA08 MM03 MM08 MM13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料の供給により発電する固体電解質の燃
料電池と、前記燃料電池のアノード排ガスを冷却する一次冷却装置
と、一次冷却されたアノード排ガスの少なくとも一部をさら
に冷却する二次冷却装置と、二次冷却されたアノード排ガスを含むガスを循環ブロア
を介して前記燃料電池に供給する循環ラインと、前記燃
料電池に供給される燃料を前記一次冷却装置での熱交換
により気化する燃料供給ラインと、を備えることを特徴
とする燃料電池システム。
【請求項２】前記燃料を改質して水素リッチのガス燃料
として前記燃料電池に供給する改質器を備える請求項１
に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記循環ブロアが前記アノード循環ガスの
流量を調整できる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記アノード循環ガスの流量に含まれる水
蒸気量が前記改質器内における水蒸気改質反応に必要な
量となるように前記アノード循環ガスの流量を調整する
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】前記二次冷却装置を、前記燃料電池のカソ
ードに供給する空気と前記アノード循環ガスとの間で熱
交換をする熱交換器とした請求項１から４の何れか１つ
に記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記改質器に供給する空気の量を調整する
改質空気ブロアを設置した請求項２から４の何れか１つ
に記載の燃料電池システム。
【請求項７】前記燃料電池の負荷の増加に対し、前記燃
料ポンプと前記循環ブロアおよび前記燃料電池に供給す
る空気量を調整する燃料電池空気ブロアにより流量を増
加することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池シス
テム。
【請求項８】前記改質器の温度が低下したときに、前記
改質空気ブロアにより前記改質器に空気を供給する請求
項７に記載の燃料電池システム。