JP2004119214A

JP2004119214A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004119214A
Application number: JP2002281714A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsuoka; 松岡　晃; Kouichi Kuwaha; 桑葉　孝一
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】燃料電池システムの起動時にオフガス燃焼器からの燃焼ガスを一酸化炭素シフト反応部に供給して、エネルギー効率を低下させることなくかつ簡単な構成で一酸化炭素シフト反応部を触媒の温度活性域まで加熱する。
【解決手段】燃料電池システムは、改質部２２から供給された改質ガスの一酸化炭素を低減するＣＯシフト部２５を備えた改質装置２０と、この改質装置２０からの改質ガスが供給される燃料電池１０と、起動時に改質装置２０から供給された改質ガスを燃焼して燃焼ガスを導出するオフガス燃焼器３１と、起動時にオフガス燃焼器３１から供給された燃焼ガスと燃料電池１０を循環する燃料電池暖気用水との間で熱交換することにより燃焼ガスを降温して導出する熱交換器３２からなる。熱交換器３２によって降温された燃焼ガスをＣＯシフト部２５に供給し、この燃焼ガスによりＣＯ選択酸化部２５内を昇温する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改質装置により生成された改質ガスを燃焼電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池システムを構成する改質装置は、改質ガスを生成する改質部と、この改質部から供給された改質ガスから一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部等を備えてなり、一酸化炭素の低減された改質ガスを燃料電池に供給している。燃料電池システムは、起動時に改質装置から供給された改質ガスを燃焼して燃焼ガスを導出するオフガス燃焼器と、このオフガス燃焼器から供給された燃焼ガスと燃料電池を循環する燃料電池暖気用水との間で熱交換することにより燃焼ガスを降温して導出する熱交換器をさらに設けている。
【０００３】
改質装置の改質部および一酸化炭素シフト反応部にはそれぞれ触媒が充填されており、これら触媒により、いわゆる水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応が生じて改質ガスが生成されている。また、燃料電池にも触媒が充填されており、この触媒により、水素ガスと酸素ガスを化学反応させて発電している。したがって、改質部、一酸化炭素シフト反応部および燃料電池をそれぞれの触媒の活性温度域に制御する必要がある。
【０００４】
改質部は、空気を含む燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを導出する燃焼部から供給された燃焼ガスにより活性温度域まで加熱され、一酸化炭素シフト反応部は、改質部を通過した燃焼ガスにより活性温度域まで加熱される（例えば、特許文献１の図１参照）。また、これら改質部と一酸化炭素シフト反応部の間に設けられた燃焼ガス流路に、水供給ポンプで供給された水が流れる水路を備えた熱交換器が備えられ、この熱交換器において燃焼ガスの熱が水に伝達し、燃焼ガスが降温される（例えば、特許文献１の図３参照）。
【０００５】
また燃料電池は、オフガス燃焼器からの燃焼ガスにより熱交換器で加熱された水が燃料電池を循環して活性温度域まで加熱される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１６３６０１号公報（第３−４頁、第１図、第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１の図１に示される一酸化炭素シフト反応部において、この一酸化炭素シフト反応部に供給された燃焼ガス（約６５０度）は、改質部を通過して降温されるものの一酸化炭素シフト反応部に充填された触媒の活性温度域（２００〜２５０℃）よりかなり高温であるため、この熱により同触媒が劣化するという問題があった。また、特許文献１の図３に示される一酸化炭素シフト反応部において、改質部を通過した燃焼ガスは熱交換器により降温されて一酸化炭素シフト反応部に供給されるが、適温とするには熱交換器の熱容量を確保するため熱交換器が大きくなるという問題があった。さらに、起動時にはオフガス燃焼器から供給された燃焼ガスは、熱交換器に供給されてこの熱交換器と燃料電池との間で循環される水を加熱した後に外部に排気されており、燃料電池システム全体から見るとエネルギー効率が悪くなっていた。
【０００８】
本発明は、上述した各問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムの起動時にオフガス燃焼器からの燃焼ガスを一酸化炭素シフト反応部に供給して、エネルギー効率を低下させることなくかつ簡単な構成で一酸化炭素シフト反応部を触媒の温度活性域まで加熱することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、改質部から供給された改質ガスの一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部を備えた改質装置と、この改質装置からの改質ガスが供給される燃料電池と、起動時に改質装置から供給された改質ガスを燃焼して燃焼ガスを導出するオフガス燃焼器と、起動時に該オフガス燃焼器から供給された燃焼ガスと燃料電池を循環する燃料電池暖気用水との間で熱交換することにより燃焼ガスを降温して導出する熱交換器からなる燃料電池システムにおいて、熱交換器によって降温された燃焼ガスを一酸化炭素シフト反応部に供給し、この燃焼ガスにより一酸化炭素シフト反応部内を昇温することである。
【００１０】
また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、熱交換器はオフガス燃焼器から供給された燃焼ガスを一酸化炭素シフト反応部内に充填された触媒の活性温度域まで降温することである。
【００１１】
【発明の作用・効果】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池システムの起動時に、従来オフガス燃焼器から熱交換器に供給されてこの熱交換器と燃料電池との間で循環される水を加熱した後に外部に排気されていた燃焼ガスを、外部に排気せずに一酸化炭素シフト反応部に供給する。したがって、燃焼ガスのエネルギーを有効に活用することができるので、エネルギー効率を低下させることなく一酸化炭素シフト反応部を触媒の温度活性域まで加熱することができる。また、一酸化炭素シフト反応部を加熱する構成、装置を別に設けることなく、既存の構成を利用して一酸化炭素シフト反応部を加熱することができるので、簡単な構成で一酸化炭素シフト反応部を触媒の温度活性域まで加熱することができる。
【００１２】
また、上記のように構成した請求項２に係る発明においては、オフガス燃焼器から供給された燃焼ガスは一酸化炭素シフト反応部内に充填された触媒の活性温度域まで熱交換器により降温された後で、一酸化炭素シフト反応部に供給される。これにより、一酸化炭素シフト反応部の触媒の劣化を少なく抑えることができるので、一酸化炭素シフト反応部の寿命を延ばすことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による燃料電池システムの一実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは燃料電池１０と燃料電池（燃料電池スタック）１０に必要な水素ガスを生成する改質装置２０を備えている。
【００１４】
改質装置２０は、燃焼部２１、改質部２２、蒸発部２３、熱交換部２４、一酸化炭素シフト反応部（以下、ＣＯシフト部という）２５および一酸化炭素選択酸化反応部（以下、ＣＯ選択酸化部という）２６から構成されている。
【００１５】
燃焼部２１は、起動時に外部から燃焼用燃料ガスおよび燃焼用空気が供給され、または定常時に燃料電池１０からオフガス（燃料電池に供給され使用されずに排出された改質ガス）が供給され、供給された各ガスを燃焼して燃焼ガスを改質部２２に導出するものである。この燃焼ガスは改質部２２を（同改質部２２の触媒の活性温度域となるように）加熱した後、蒸発部２３に導出されこの蒸発部２３に供給された水を加熱して水蒸気とし、その後外部に排気される。
【００１６】
改質部２２は、外部から供給された燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰＧ）に蒸発部２３からの水蒸気を混合した混合ガスが熱交換部２４によって予熱されて供給され、この混合ガスを改質部２２に充填された触媒により改質して水素ガスと一酸化炭素ガスを生成している（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気を水素ガスと二酸化炭素とに変成している（いわゆる一酸化炭素シフト反応が）。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は熱交換部２４に導出される。このときの改質ガスは約６５０℃である。
【００１７】
熱交換部２４においては、改質ガスと混合ガスとの間で熱交換が行われて、改質ガスは約６５０℃から２００〜３００℃まで降温され、混合ガスは約１００℃から５５０℃まで昇温される。
【００１８】
ＣＯシフト部２５は、改質部２２から供給されて熱交換部２４にて降温された改質ガスが供給され、この改質ガスに含まれる一酸化炭素と水蒸気をＣＯシフト部２５に充填された触媒により反応させて水素ガスと二酸化炭素ガスとに変成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度が低減されて導出される。また燃料電池システムの起動時には、ＣＯシフト部２５にオフガス燃焼器３１にて生成された燃焼ガスが熱交換器３２を介して供給され、ＣＯシフト部２５の触媒を加熱した後で外部に排気される。
【００１９】
ＣＯ選択酸化部２６は、ＣＯシフト部２５から一酸化炭素濃度の低減された改質ガスが供給され、さらに外部から空気も供給され、改質ガスに残留している一酸化炭素と空気をＣＯ選択酸化部２６に充填された触媒により反応させて二酸化炭素を生成している。これにより、改質ガスは一酸化炭素濃度がさらに低減されて（１０ｐｐｍ以下）導出される。
【００２０】
上述した改質装置２０により生成された改質ガスは、燃料電池システムを起動してしばらくの間（起動時）は、ＣＯシフト部２５とＣＯ選択酸化部２６の各触媒はその活性温度域に達していないので、改質ガスに含まれる一酸化炭素が低減できないため、燃料電池スタック１０に供給されずにバルブ４１，４４を通ってオフガス燃焼器３１に供給される。一方、ＣＯシフト部２５とＣＯ選択酸化部２６の各触媒がその活性温度域に達すると、改質ガスに含まれる一酸化炭素が低減されるので、バルブ４２を通って燃料電池スタック１０に供給される（定常時）。なお、起動時にはバルブ４２，４３，４５が閉じられ、定常時にはバルブ４１，４４が閉じられる。
【００２１】
オフガス燃焼器３１は、起動時にＣＯ選択酸化部２６からの改質ガスが供給され、さらに外部から空気も供給され、供給された改質ガスを燃焼して燃焼ガスを熱交換器３２に導出するものである。
【００２２】
熱交換器３２においては、起動時には燃焼ガスと、熱交換器３２、燃料電池スタック１０およびラジエータ３３を循環する水（加熱用水）との間で熱交換が行われて、燃焼ガスは約９００℃から２００〜３００℃まで降温され、加熱用水は約２０℃から８０℃まで昇温される。そして、加熱用水によって燃料電池スタックが加熱される。
【００２３】
燃料電池スタック１０は、定常時にＣＯ選択酸化部２６から一酸化炭素が低減された改質ガスが供給され、さらに外部から空気も供給され、改質ガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応により発電するようになっている。なお、定常時には燃料電池スタック１０は水素ガスと酸素ガスの反応に伴う熱により加熱されるので、熱交換器３２、燃料電池スタック１０およびラジエータ３３を循環する水（加熱用水）はラジエータ３３により冷却されるようになっている。
【００２４】
次に、上述した燃料電池システムの作動について説明する。まず起動時について説明すると、バルブ４２，４３，４５が閉じられ、バルブ４１，４４が開けられる。燃焼部２１には燃焼用燃料ガスと燃焼用空気が供給されて燃焼され、燃焼ガスは改質部２２を加熱し、蒸発部２３にて水を加熱して水蒸気を生成した後に排気される。改質部２２には熱交換部２４で加熱された混合ガスが供給され、触媒により改質ガスが生成される。改質ガスは熱交換部２４にて混合ガスとの間で熱交換されて降温され、ＣＯシフト部２５、ＣＯ選択酸化部２６によって一酸化炭素を除去された後、バルブ４１，４４を介してオフガス燃焼器３１に供給される。オフガス燃焼器３１に供給された改質ガスが燃焼され、燃焼ガスは熱交換器３２にて燃料電池スタックとの間で循環される加熱水との間で熱交換されて降温された後、ＣＯシフト部２５を加熱した後に排気される。
【００２５】
定常時においては、バルブ４１，４４が閉じられ、バルブ４２，４３，４５が開けられる。燃焼部２１には燃料電池スタック１０からバルブ４３，４５を介してオフガスが供給されて燃焼され、燃焼ガスは改質部２２を加熱し、蒸発部２３にて水を加熱して水蒸気を生成した後に排気される。改質部２２には熱交換部２４で加熱された混合ガスが供給され、触媒により改質ガスが生成される。改質ガスは熱交換部２４にて混合ガスとの間で熱交換されて降温され、ＣＯシフト部２５、ＣＯ選択酸化部２６によって一酸化炭素を除去された後、バルブ４２を介して燃料電池スタック１０に供給される。
【００２６】
上述した説明から理解できるように、この実施の形態においては、燃料電池システムの起動時に、従来オフガス燃焼器３１から熱交換器３２に供給されてこの熱交換器３２と燃料電池１０との間で循環される水を加熱した後に外部に排気されていた燃焼ガスを、外部に排気せずにＣＯシフト部２５に供給する。したがって、燃焼ガスのエネルギーを有効に活用することができるので、エネルギー効率を低下させることなくＣＯシフト部２５を触媒の温度活性域まで加熱することができる。また、ＣＯシフト部２５を加熱する構成、装置を別に設けることなく、既存の構成を利用してＣＯシフト部２５を加熱することができるので、簡単な構成でＣＯシフト部２５を触媒の温度活性域まで加熱することができる。
【００２７】
また、オフガス燃焼器３１から供給された燃焼ガスはＣＯシフト部２５内に充填された触媒の活性温度域まで熱交換器３２により降温された後で、ＣＯシフト部２５に供給される。これにより、ＣＯシフト部２５の触媒の劣化を少なく抑えることができるので、ＣＯシフト部２５の寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施の形態の概要を示す概要図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２０…改質装置、２１…燃焼部、２２…改質部、２３…蒸発部、２４…熱交換部、２５…一酸化炭素シフト反応部（ＣＯシフト部）、２６…一酸化炭素選択酸化反応部（ＣＯ選択酸化部）、３１…オフガス燃焼器、３２…熱交換器、４１〜４５…バルブ。

Claims

改質部から供給された改質ガスの一酸化炭素を低減する一酸化炭素シフト反応部を備えた改質装置と、該改質装置からの前記改質ガスが供給される燃料電池と、起動時に前記改質装置から供給された前記改質ガスを燃焼して燃焼ガスを導出するオフガス燃焼器と、前記起動時に該オフガス燃焼器から供給された燃焼ガスと前記燃料電池を循環する燃料電池暖気用水との間で熱交換することにより前記燃焼ガスを降温して導出する熱交換器からなる燃料電池システムにおいて、
前記熱交換器によって降温された前記燃焼ガスを前記一酸化炭素シフト反応部に供給し、該燃焼ガスにより一酸化炭素シフト反応部内を昇温することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１において、前記熱交換器は前記オフガス燃焼器から供給された燃焼ガスを前記一酸化炭素シフト反応部内に充填された触媒の活性温度域まで降温することを特徴とする燃料電池システム。