JP2003168460A - 燃料電池システムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 システム効率の良好な燃料電池システムを提
供する。 【解決手段】 水素リッチの改質ガスを生成する改質器
（１）と、改質ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電
池スタック（７）と、燃料電池スタックから排出される
ガスを燃焼する燃焼器（１０）と、燃焼器からの燃焼ガ
スの熱を用いて改質用燃料と水を気化する気化器（１
２）と、気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給す
る流路（３、１６）と、この流路途中に設置され、前記
燃料電池スタックの負荷変動に応じて気化器下流の流路
内の圧力を変化させる圧力制御装置（１５）とを備え
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、特にシステムの効率を向上する燃料電池システムに
関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムは、水素と酸素から水
を生成する化学反応を利用し、化学エネルギを電気エネ
ルギに変換するエネルギシステムである。燃料としては
純水素が理想的ではあるが、インフラの整備の観点から
炭化水素の部分酸化反応または炭化水素と水の水蒸気改
質反応、あるいはこれら２つの反応を組み合わせた反応
（いわゆるオートサーマル反応）を用いて、水素を生成
し、燃料として用いることが現実的である。

【０００３】炭化水素は、メタン、エタン、プロパン等
の気体状態のものと、ガソリンやメタノール等の液体状
態のものが選択できるが、気体のものに比べてエネルギ
密度が高く、可搬型の燃料電池システムを前提とした場
合には、液化炭化水素系燃料が適当である。

【０００４】液化炭化水素系のものを燃料として用い、
水素リッチの改質ガスを生成する改質反応を生じさせる
ためには液状の炭化水素を一度、気化する必要があり、
また水の水蒸気改質反応を行う際にも水を気化する必要
がある。しかしながら、液化炭化水素等液体に気化潜熱
を供給して気体にすることは、エネルギ効率から考える
とシステムとしての効率を低下させる要因である。この
効率の低下を抑制するために、燃料電池システムからの
廃熱、排エネルギを利用して液体を気化させる技術が種
々検討されている。

【０００５】特開平８−２５０１４２号公報では、改質
に用いられる水蒸気を生成するに当たり、水を予め燃料
電池の廃熱で加熱したのち電気ヒータで加熱すること
で、電気ヒータの負荷を低減し、効率を向上する構成が
開示されている。またこの構成では、改質器が必要とす
る水蒸気量となるように水蒸気圧によって電気ヒータを
制御している。

【０００６】特開平７−７３８９３号公報では、燃料電
池から排出される熱を利用して空気を加熱し、加熱され
た空気中に水を噴霧して水の気化潜熱を得るよう構成さ
れている。さらに水が気化することで体積膨張し、この
時のエネルギによって膨張タービンを駆動し、エネルギ
を回収し、効率を向上している。

【０００７】特開平５−２７５１０１号公報では、燃料
電池の廃熱と熱交換することで水が気化する構成であっ
て、熱交換器の気化ラインを減圧にして燃料電池の廃熱
回収を促進することが開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
８−２５０１４２号公報に記載の技術では、燃料電池の
廃熱だけでは水を気化することはできず、構成として電
気ヒータを設置することが必須の要件となり、水蒸気圧
によって電気ヒータの運転制御を行ったとして電気ヒー
タが燃料電池システムの効率を低下させることになる。

【０００９】特開平７−７３８９３号公報に記載の技術
では、気化される水の量は微量であり、改質に必要な水
蒸気量を賄うことができない。これは燃料電池の廃熱で
昇温される空気のエネルギは、空気の比熱×温度差で示
されるが、このエネルギに比して水の気化潜熱が非常に
大きいためである。また体積膨張を利用して膨張タービ
ンを駆動し、エネルギ回収をすることにしているが、膨
張タービンの出口圧力を大気圧とすると、入口圧力は加
圧状態であることが必要となる。圧力が上がれば、水は
凝縮するため、空気を加熱する、空気中に水噴霧す
る（水蒸気が生成される、気体温度が下がる、気体体積
が増加する）、膨張タービンを駆動する、という３つ
の条件を満たす構成は成立しない。

【００１０】特開平５−２７５１０１号公報に記載の技
術では、熱交換器の熱供給源は燃料電池の冷却水であ
り、生成される水蒸気の温度は冷却水温度以上にはなら
ない。例えば、冷却水としてエチレングリコール系の冷
媒を使用した場合は、１５０℃程度が上限となる。また
減圧装置としてコンプレッサを使用すると、水蒸気がコ
ンプレッサの出口で凝縮する恐れがある。

【００１１】そこで本発明は、このような課題に鑑み、
システムの効率を低下させることなく、安定して水蒸気
を供給する燃料電池システムを提供するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、水素リッ
チの改質ガスを生成する改質器と、改質ガスと酸化剤と
を用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタッ
クから排出されるガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器から
の燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気化する気化
器と、気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する
流路と、この流路途中に設置され、前記燃料電池スタッ
クの負荷変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化
させる圧力制御装置とを備える。

【００１３】第２の発明は、第１の発明において、前記
気化器は、熱交換型蒸発器とする。

【００１４】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記圧力制御装置は、減圧ポンプまたはコンプレッ
サとする。

【００１５】第４の発明は、第１または２の発明におい
て、前記圧力制御装置は、燃焼ガスのエネルギを用いて
気化器下流の流路の圧力を低下させるポンプとする。

【００１６】第５の発明は、第１から４のいずれか一つ
の発明において、前記気化器で気化した改質燃料と水蒸
気に燃焼ガスの熱量を供給する加熱器を備える。

【００１７】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、前記気化器で生じた凝縮水を貯留する
ドレインタンクを設ける。

【００１８】第７の発明は、水素リッチの改質ガスを生
成する改質器と、改質ガスと酸化剤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
ガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスの熱を
用いて改質用燃料と水を気化する気化器と、気化した改
質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路とを備える燃
料電池システムにおいて、前記供給流路の途中に設置さ
れる圧力制御装置を用いて前記燃料電池スタックの負荷
変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化させる。

【００１９】

【発明の効果】第１と第７の発明は、燃焼ガスの熱を用
いて気化器で気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供
給する流路の圧力を変化させる圧力制御装置を設置し、
燃料電池スタックの負荷変動に応じて流路内の圧力を変
化するようにしたので、燃料電池スタックが高負荷のと
きには流路内の圧力を減圧させて、改質用燃料と水の気
化を気化温度を低下させて効率的に促進するようにし、
また気化に必要な熱を燃焼ガスの熱との熱交換によって
得ることで、気化燃料と水蒸気が凝縮することを抑制
し、安定して気化燃料と水蒸気を改質器へ供給できると
ともに、燃料電池スタックの負荷変動に対する応答性を
向上できる。

【００２０】第２の発明は、前記気化器は、熱交換型蒸
発器としたので、効率よく燃焼ガスの熱を改質用燃料と
水の気化のために消費させることができる。

【００２１】第３の発明は、前記圧力制御装置は、減圧
ポンプまたはコンプレッサとしたので、効率よく気化器
下流の流路内の圧力を変化させることができる。

【００２２】第４の発明は、前記圧力制御装置は、燃焼
ガスのエネルギを用いて気化器下流の流路の圧力を低下
させるポンプとしたので、外部動力を用いることなく、
気化器下流の流路内の圧力を変化させることができるの
で、更にシステムの効率を向上できる。

【００２３】第５の発明は、前記気化器で気化した改質
燃料と水蒸気に燃焼ガスの熱量を供給する加熱器を備え
たので、気化した改質燃料と水蒸気が加圧されたときの
凝縮を抑制することができる。

【００２４】第６の発明は、前記気化器で生じた凝縮水
を貯留するドレインタンクを設けたので、ドレインタン
ク内の凝縮水を燃料電池の高分子電解質膜の水分補給に
用いる等によりシステムの水収支を向上することができ
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１に本発明の燃料電池システム
の構成の一例を示す。

【００２６】改質器１には、第１空気供給ライン２から
供給される空気と、蒸気供給ライン３から供給される気
化した燃料（例えば、炭化水素）と水蒸気とが供給さ
れ、改質器１は改質ガスを生成し、下流の一酸化炭素除
去器（以下、ＣＯ除去器という。）４に供給する。ＣＯ
除去器４は改質ガス中の一酸化炭素濃度を燃料電池が被
毒しないレベルまで低減し、改質ガス供給ライン５から
燃料電池スタック７に改質ガスを供給する。また燃料電
池スタック７には外部から第２空気供給ライン６から空
気が供給されて、改質ガスと空気を用いて燃料電池スタ
ック７が発電を行う。

【００２７】燃料電池スタック７から排出される排改質
ガスと排空気はそれぞれ、排空気ライン８、排改質ガス
ライン９を通じて燃焼器１０に導入されて燃焼する。こ
の燃焼ガスは燃焼ガスライン１１を介して気化器１２に
送られ、気化器１２では燃焼ガスの熱を用いて液体供給
ライン１３から供給される改質用燃料としての液化炭化
水素や水を気化する。気化器１２は例えば、熱交換型の
蒸発器が適当である。このような気化器１２を用いるこ
とで、燃焼ガスの温度は、気化された炭化水素あるいは
水の気化温度程度まで低下され、外部に排出される。な
お、液体供給ライン１３にはライン中の液体の流量を制
御する制御バルブ１４が設置される。

【００２８】気化器１２の下流に設置された減圧ポン
プ、コンプレッサ等の圧力制御装置１５によって気化器
１２と圧力制御弁１５を接続する減圧気化ライン１６内
が低圧化される。したがって後述するように気化器１２
での燃料と水の気化温度が低下することになり、効率よ
く気化を促進できる。

【００２９】気化燃料と水蒸気は、圧力制御装置１５か
ら改質器１に連通する蒸気供給ライン３を経由して改質
器１に供給され、改質ガスを生成するために用いられ
る。

【００３０】本発明の燃料システムには、燃料電池スタ
ック７の運転負荷変動に応じて制御バルブ１４と圧力制
御装置１５と図示しないが第１と第２空気供給ライン
２、７から供給される空気量を調整するための制御弁を
制御する制御装置１７が設置される。

【００３１】このように気化器１２下流の減圧気化ライ
ン１６を低圧に維持することで、気化器１２での熱交換
効率を高め、燃料と水の気化を促進し、エネルギ回収率
を向上し、システムのエネルギ効率を向上できる。水の
場合を例として詳しく説明すると、大気圧下においては
水は１００℃で気化するが、気化温度は圧力が低圧なほ
ど低温となり、例えば６１２Ｐａ下では、気化温度は０
℃となる。ここで熱交換型の気化器を用いると、気化器
１２から排出される燃焼ガスの温度は略気化温度と一致
するため減圧気化ライン１６の圧力が６１２Ｐａとする
と、燃焼ガス温度は略０℃となる。したがって、燃焼ガ
スの気化器１２への流入温度を３００℃とすると、燃焼
ガスの流入温度と気化器１２からの水蒸気の流出温度の
差は３００℃となり、大気圧下での温度差２００℃（燃
焼ガス温度３００℃−大気圧下での気化温度１００℃）
より大きくすることができる。したがって燃焼ガス温度
が同じでも減圧気化ライン１６を低圧にすることで気化
を一層促進することができる。またこの温度差は言い換
えると、燃焼ガスの燃焼エネルギの回収率を表してお
り、温度差が大きいほどエネルギ回収率がよいことを意
味し、燃料電池システムの熱効率が向上できることを示
している。

【００３２】制御装置１７は、燃料電池スタック７の運
転負荷に応じて制御バルブ１４と圧力制御装置１５を制
御する。具体的には燃料電池スタック７の運転負荷が下
がる場合には、スタック７に供給される気化燃料量と水
蒸気量を減少させるように制御する必要がある。この方
法として減圧気化ライン１６内の圧力を一時的に高める
ように圧力制御装置１５を制御する。減圧気化ライン１
６内の圧力を高めることにより、前述のしたように気化
温度が高まり、気化が抑制されることになり、改質器１
へ供給される気化燃料や水蒸気量が減少させることがで
きる。一方、燃料電池スタック７の負荷が増加するとき
には減圧気化ライン１６内の圧力を低圧にすればよいこ
とはいうまでもない。また圧力制御とすることで流量制
御より迅速に応答することが可能となり、燃料電池スタ
ック７の運転負荷応答性を向上することができる。

【００３３】このように本発明では、改質用燃料と水を
気化する気化器の下流の流路内の圧力を低下する圧力制
御装置を備える一方、気化器に燃料電池スタックから排
出されるガスを燃焼した燃焼ガスを導入することで、気
化温度を低下させて効率よく気化することができるとと
もに、高温の燃焼ガスと熱交換することにより気化した
燃料等が凝縮しにくく、安定的に気化燃料等を改質器に
供給できる効果がある。更に圧力制御装置１５は、燃料
電池スタック７の負荷に応じて流路内の圧力を変化させ
ることで、燃料電池スタック７の負荷の変動に対する応
答性を向上することができる。

【００３４】図２に示すフローチャートは、制御装置１
７が実施する制御内容を説明するためのものである。

【００３５】まずステップ１で燃料電池スタック７の出
力を検出し、続くステップ２で燃料電池スタック７の運
転負荷の変動を判定する。燃料電池スタック７の出力
は、例えばスタック７の出力を検出する電圧計を設置
し、この電圧計の出力を制御装置１７に入力することで
得られる。

【００３６】燃料電池スタック７の運転状態に変化がな
いときにはステップ３に進み、燃料電池スタック７に供
給される改質ガスと空気の流量を維持する。運転負荷が
減少状態にあるときにはステップ４に進み、上昇状態に
あるときにはステップ５に進む。

【００３７】燃料電池スタック７の運転負荷が減少する
時にはステップ４に進み、圧力制御装置１５の運転を低
負荷状態または停止する。つまり圧力制御装置を例え
ば、停止することで減圧気化ライン１６の圧力は大気圧
となり、気化する燃料及び水の量を低下させる。

【００３８】続くステップ６で燃料制御バルブ１４の開
度を絞りまたは閉じる。ステップ７では、蒸気供給ライ
ン４の流量に応じて第１空気供給ライン２の空気流量を
減少させる。更にステップ８で、第２空気供給ライン６
の空気流量を改質ガス供給ライン５の流量に応じて減少
させる。

【００３９】一方、燃料電池スタック７の運転負荷が増
加する時にはステップ５に進み、圧力制御装置１５の運
転を高負荷状態とし、減圧気化ライン１６内の圧力を低
圧化する。続くステップ９で燃料制御バルブ１４の開度
を大きくする。ステップ１０では、蒸気供給ライン３の
流量に応じて第１空気供給ライン２の空気流量を増加さ
せる。更にステップ１１で、第２空気供給ライン６の空
気流量を改質ガス供給ライン５の流量に応じて増加させ
る。

【００４０】図３に示す第２の実施形態は、第１実施形
態に対して圧力制御装置１５の代わりに排気作動ポンプ
（ターボチャージャ、膨張タービン等）１８を設置した
構成である。つまり、排気作動ポンプ１８の一方のター
ビンが燃焼ガスによって駆動されることで、他方のター
ビンが駆動し、減圧気化ライン１６内を低圧にする構成
である。このような構成とすることで、減圧気化ライン
１６を低圧にするための外部エネルギ源を必要とせず、
システムの効率を向上できる。なお、排気作動ポンプ１
８のタービンが燃焼ガスによって駆動されているとは、
排改質ガスと排酸素を燃焼器１０で燃焼することで、ガ
ス中の水分が気化することによる体積膨張、および粗反
応によるモル数の増加によってタービンが駆動されるこ
とである。

【００４１】図４に示す第３の実施形態は、第１実施形
態に対して減圧気化ライン１６の途中に加熱手段１９を
設置した構成であって、減圧気化ライン１６中の気体を
燃焼ガスの熱によって加熱する構成である。このような
構成とすることで、減圧ライン中の気化した炭化水素や
水蒸気を昇温することで、圧力制御装置１５を経て蒸気
供給ライン３で加圧されても蒸気が凝縮せず、減圧気化
ライン１６と蒸気供給ライン３との差圧を大きくできる
という効果がある。

【００４２】図５に示す第４の実施形態は、第１実施形
態に対して、燃焼ガスライン１１の気化器１２下流に、
気化器１２での熱交換で燃焼ガスが低温となり、凝縮し
て生じた水分を貯留するドレインタンク２０を設置した
構成である。凝縮によって生じた水分を燃料電池システ
ムの改質用や燃料電池の高分子電解質膜の水分補給用と
して用いることで、システムの水収支を改善することが
できる。

【００４３】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システムの構成を説明するた
めの図である。

【図２】制御装置が実施する制御内容を説明するための
フローチャートである。

【図３】本発明の第２の実施形態の構成を説明するため
の図である。

【図４】本発明の第３の実施形態の構成を説明するため
の図である。

【図５】本発明の第４の実施形態の構成を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１ 改質器 ４ 一酸化炭素除去器 ７ 燃料電池スタック １０ 燃焼器 １２ 気化器 １５ 圧力制御装置 １７ 制御装置

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素リッチの改質ガスを生成する改質器
   と、 改質ガスと酸化剤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ガスを燃焼する燃焼器
   と、 燃焼器からの燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気
   化する気化器と、 気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路
   と、 この流路途中に設置され、前記燃料電池スタックの負荷
   変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化させる圧
   力制御装置とを備えたことを特徴とする燃料電池システ
   ム。
2. 【請求項２】前記気化器は、熱交換型蒸発器であること
   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】前記圧力制御装置は、減圧ポンプまたはコ
   ンプレッサであることを特徴とする請求項１または２に
   記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】前記圧力制御装置は、燃焼ガスのエネルギ
   を用いて気化器下流の流路の圧力を低下させるポンプで
   あることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電
   池システム。
5. 【請求項５】前記気化器で気化した改質燃料と水蒸気に
   燃焼ガスの熱量を供給する加熱器を備えたことを特徴と
   する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池シ
   ステム。
6. 【請求項６】前記気化器で生じた凝縮水を貯留するドレ
   インタンクを設けたことを特徴とする請求項１から５の
   いずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】水素リッチの改質ガスを生成する改質器
   と、 改質ガスと酸化剤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ガスを燃焼する燃焼器
   と、 燃焼器からの燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気
   化する気化器と、 気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路と
   を備える燃料電池システムにおいて、 前記供給流路の途中に設置される圧力制御装置を用いて
   前記燃料電池スタックの負荷変動に応じて気化器下流の
   流路内の圧力を変化させることを特徴とする燃料電池シ
   ステムの制御方法。