JP2004168626A

JP2004168626A - 燃料改質装置及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004168626A
Application number: JP2002339230A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suzuki; 弘鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP4189851B2

Abstract

【課題】改質器へのエア供給圧を低くした場合であっても、改質器への供給エアの流量を精度良く調整することを可能とした燃料改質装置を提供する。
【解決手段】本発明の燃料改質装置は、供給される水素を含む原燃料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器１０と、改質器に供給する加圧エアを生成するエアポンプ２３と、加圧エアを一の流路から分岐する複数の枝路によって分配して改質器の複数箇所に供給する分岐流路２６ａ〜２６ｄと、各枝路にそれぞれ設けられて改質器の各箇所へのエア供給量を個別的に調整可能とする複数の流量調整弁２８ａ〜２８ｄと、各枝路にそれぞれ設けられて加圧エアの逆流を阻止する複数の逆止弁２７ａ〜２７ｄと、を備える
【選択図】図１

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質装置に関し、特に、水素を含む原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池に供給する燃料改質装置及びこれを含む燃料電池システムに関する。
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを、機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極（陽極側）に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に他方の電極（陰極側）に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。以下に、燃料電池で起こる電気化学反応を表わす式を示す。（１）式はアノードにおける反応、（２）式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では（３）式に示す反応が進行する。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ …（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ …（３）
燃料電池は使用する電解質の種類や運転温度などにより分類されるが、これら燃料電池の中で、固体高分子型燃料電池、りん酸型燃料電池、溶融炭酸塩電解質型燃料電池などでは、水素リッチガスを燃料ガスとして用いることができる。
そこで、燃料電池に改質器を組み合わせ、メタノール、エタノール、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、軽油、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの炭化水素系の原燃料を改質して水素を高濃度で含むガスを生成し、これを燃料として燃料電池に供給して発電システムを構成する。このような構成によれば燃料の貯蔵や取り扱いが容易となり、次世代車両の駆動システムとして開発が進められている。
改質器は、例えば、メタノールを原燃料としてこれを改質する場合、その改質部でいわゆる水蒸気酸化法（Ｓｔｅａｍｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、部分酸化法（Ｐａｒｔｉａｌｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）及びこれらを併用したオートサーマル法（Ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）等を使用して水素リッチな燃料ガスを生成する。また、改質器のＣＯ浄化部で上記改質に伴って微量発生した一酸化炭素ＣＯを選択酸化反応やシフト反応によって二酸化炭素ＣＯ_２に変換する。このため、改質器にはメタノール（原燃料）、水、酸化エアなどの流体の供給機構が設けられる。
例えば、特開２００１−２８３８８１６号公報には、改質用エアの供給機構が紹介されており、エアを供給するブロアと改質装置間とを結ぶ複数の流体ラインの各々に当該ラインを断続的に開閉可能な電磁弁を設けて、改質装置の内部の圧力を一定に保つようにしている。
【特許文献１】
特開２００１−２８３８８１６号公報
【発明が解決しようとする課題】
改質器へのエア供給を流量調整弁で制御する場合、エアポンプの出力エアの圧力をある程度高くし、改質器内圧との差圧を確保している。それにより、一方向にのみエアが流れるようにし、改質器内に生じた圧力変動が流量調整弁の二次側（弁の下流側）から一次側（弁の上流側）に伝搬し、他の流量調整弁の一次側に圧力変動を生じさせて改質用エア供給機構の流量調整の精度を低下させることを防いでいる。
しかしながら、エアポンプの電源は燃料電池の出力から供給される。エアポンプの圧力を高めた状態で運転を継続するとポンプによる消費電力が増大し、燃料電池システムの効率が低下する。
よって、本発明は、改質器へのエア供給圧を低くした場合であっても、改質器への供給エアの流量を精度良く調整することを可能とした燃料改質装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、改質器へのエア供給圧を低くした場合であっても、改質器への供給エアの流量を精度良く調整することを可能とした燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するため本発明の燃料改質装置は、供給される水素を含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、上記改質器に供給する加圧エアを生成するエアポンプと、上記加圧エアを一の流路から分岐する複数の枝路によって分けて上記改質器の複数箇所に供給する分岐流路と、各枝路にそれぞれ設けられて上記改質器の各箇所へのエア供給量を個別的に調整可能とする複数の流量調整弁と、各枝路にそれぞれ設けられて上記加圧エアの逆流を阻止する複数の逆止弁と、を備える。
かかる構成とすることによって、エアポンプの出力を低圧とした場合であっても、改質器内圧変動のエア供給系への伝搬が逆止弁によって阻止され、枝路に設けられた流量調整弁の上流側のエア圧に該変動の影響が及ぶことが防止される。それにより、改質器の各箇所へのエア供給の制御精度、特に、低圧エア供給の制御精度を向上することが可能となる。エアポンプを低圧出力状態で運転し、消費電力を減らして燃料改質装置及びこれを使用する燃料電池システムの効率を向上させることが可能となる。
好ましくは、上記逆止弁は上記流量調整弁の上流側の枝路に配置される。逆止弁をエアポンプ側に設けることによって圧損の影響も抑制することが可能となる。
好ましくは、上記一の流路にサージタンクを設けてエア圧の変動を吸収し、流量調整弁の上流側のエア圧を安定させる。それにより、流量調整弁による各部へのエア供給量の設定精度を向上させることが可能となる。
好ましくは、上記改質器は、燃焼部、蒸発部、改質部及びＣＯ浄化部を含み、上記加圧エアは少なくとも上記改質部及び上記ＣＯ浄化部に供給される。それにより、所要の酸化エアの供給を安定させる。
このような、燃料改質装置から燃料ガスの供給を受ける燃料電池を含む燃料電池システムはエア供給ポンプで消費するエネルギが減少するので発電効率を改善することが可能となる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明の実施の形態では、エアポンプによって圧縮されたエアが一旦サージタンクに貯留される。このサージタンクから本管によって改質器の近傍に導かれ、本管から分岐した複数の枝管によって改質器の各部に分配される。各枝管には上流側から下流側に向かって逆止弁及び流量調整弁が設けられている。
図１は、本発明の燃料改質装置を概略的に説明する説明図である。同図において、燃料改質装置１は、改質器１０とエア供給系２０を備えている。
改質器１０は、水素を含有する原燃料から水素リッチな改質ガスを生成するものであり、燃焼部１１、蒸発部１２、改質部１３、ＣＯ浄化部１４を含んで構成されている。水素を含む原燃料としては、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、ガソリン、軽油、天然ガス、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）、ＤＭＥ（ＣＨ_３ＯＣＨ_３）、アセトン（ＣＨ_３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ_３）等の種々のものが使用可能であるが、以下の例では、メタノールを使用した場合について説明する。
燃焼部１１は、メタノールや図示しない燃料電池からの余剰水素等を燃焼してメタノールの改質反応（吸熱反応）を行う際に必要な熱量を発生し、蒸発部１２、改質部１３に設けられた熱交換機に供給する。
蒸発部１２は燃焼部１１からの熱を熱交換器に受け、この熱を利用して後述のメタノールタンク及び水タンクから供給されるメタノール及び水を蒸発部１２にて気化させる。
改質部１３は、蒸発部１２で気化した改質原料を改質するための触媒の他に内部を加熱する手段として電気式のヒータを備えて適切な反応温度を確保する。改質器１０が定常状態となったときにはこのヒータ及び改質反応の熱収支によって改質部１３内部を改質反応に適した温度に維持することが可能となっている。改質部１３には、例えば、改質反応を促進する触媒金属であるＣｕ−Ｚｎ触媒で形成されたペレットが充填されており、十分に昇温されたメタノール及び水の気化ガスの供給を受けて水蒸気改質反応及び部分酸化改質反応を進行させ、水素リッチな改質ガスを生成する。
水蒸気改質反応は、
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋３Ｈ_２−１３１（ｋＪ／ｍｏｌ） …（４）
ＣＨ_３ＯＨ → ＣＯ＋２Ｈ_２ …（５）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（６）
として示される。
更に、改質部１３では、残留した気化メタノールに外部から酸化エア（Ｏ_２：２１％，Ｎ_２：７９％）を供給して部分酸化改質反応によって水素を生成する。
部分酸化改質反応は、
ＣＨ_３ＯＨ＋１／２Ｏ_２＋１．９Ｎ_２→２Ｈ_２＋ＣＯ_２＋１５５（ｋＪ／ｍｏｌ） …（７）
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２＋５．７Ｎ_２→＋ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋５．７Ｎ_２ …（８）
２ＣＨ_３ＯＨ＋２Ｈ_２Ｏ→６Ｈ_２＋２ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ …（９）
として示される。
ＣＯ浄化部１４は、改質部１３から供給される改質ガスに微量含まれる一酸化炭素濃度を低減して図示しない燃料電池装置に供給する。固体高分子型の燃料電池は電池反応を促進する白金又は白金合金の触媒を使用しているのでこの触媒に一酸化炭素が吸着して機能が低下することを防止する。ＣＯ浄化部１４では、改質ガス中の水素に優先して一酸化炭素の酸化を行うべく、一酸化炭素の選択触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、これらを使用する合金触媒などを担持する担体が充填されている。そして、外部から酸化エアを供給し、選択酸化反応によって一酸化炭素を二酸化炭素に変えている。
選択酸化反応は、
ＣＯ＋１／２Ｏ_２→ＣＯ_２
として示される。一酸化炭素が低減された改質ガスは図示しない燃料電池に供給される。
上述した改質器１０の各部には、エア供給系２０によって必要な酸化エアが供給される。実施例では、改質部１３の２箇所及びＣＯ浄化部１４の２箇所にエアを供給している。尤も供給箇所は２箇所に限られるものではなく、適宜な数だけ設けられる。また、エア供給系２０は後述の燃料電池にも酸化エアを供給するように構成することが可能である。
エア供給系２０は、エアフィルタ２１、モータ２２、エアポンプ２３、サージタンク２４、本管２５、枝管２６ａ〜２６ｄ、逆止弁２７ａ〜２７ｄ、流量調整弁２８ａ〜２８ｄ等によって構成される。
エアフィルタ２１はエアを濾過して埃などの異物を除去する。モータ２２は、例えば、直流モータであり、燃料電池によって充電される二次電池から電力の供給を受けてエアポンプ２３を駆動する。モータ２２の回転は後述の制御部によって制御される。例えば、直流チョッパによるＰＷＭ制御を使用することが出来、そのデューティ比を適宜に設定することによってモータ２２の回転数が設定される。エアポンプ２３は、濾過されたエアを圧縮してサージタンク（エアタンク）２４に供給する。サージタンク２４は圧縮空気を貯留する。サージタンク２４には圧力計Ｐ_０が設けられる。この圧力計Ｐ_０の出力は制御部に送られ、上述したモータ２２の駆動が制御される。それにより、サージタンク２４の圧力Ｐ_０が一定となるように調整される。また、サージタンク２４はエア圧の脈動を減少させる。貯留されたエアはサージタンク２４から本管２５によって改質器１０の近くに導かれ、更に、枝管２６ａ〜２６ｄで分岐して改質部１３及びＣＯ浄化部１４のエア投入口に導かれる。各枝管２６ａ〜２６ｄには、それぞれ流量調整弁２８ａ〜２８ｄが設けられている。各流量調整弁には、図示しないが、制御部からの駆動信号に応じて弁を駆動するモータと弁の開度を検出して制御部に信号を送るセンサが設けられており、制御部によって各部への酸化エアの供給流量が適量となるように調整される。流量調整弁２８ａ〜２８ｄ各々の上流側にはそれぞれ逆止弁２７ａ〜２７ｄが配置される。逆止弁は流体を一方向へのみ移動可能とする。図示の例では、サージタンク２４側から流量調整弁２８ａ〜２８ｄ側への移動を可能とするように配置されている。
このように構成されたエア供給系２０は、改質器１０内部の圧力変動の影響を受け難い。すなわち、燃料電池の負荷変動、例えば、車両モータの起動や停止によって燃料電池で消費される改質ガス量が変動する。これに伴って燃料電池に接続された改質器内の改質ガス圧も変動するが、燃料供給等の制御に時間的遅れがあるために改質器の内部圧力（背圧）が酸化エアを供給する外部の圧力を一時的に越える可能性がある。これは酸化エアの供給圧が低い場合に生じ易い。例えば、改質器１０内部のエア投入口近傍の改質ガスの圧力Ｐ_１が増大した場合、内部の改質ガスが枝管２６ａを逆流してエアポンプ側に流入しようとする。また、流量調整弁２８ａの上流側のエア圧力を変動させ、流量調整弁２８ｂ〜２８ｄを通る酸化エアの流量を変動させるように作用する。このような場合に、逆止弁２７ａは下流側（改質器側）から上流側（エアポンプ側）への流体の流れを阻止するので改質器の内部圧力変動のエア供給系への伝搬が回避される。また、逆止弁２７ａは枝管の酸化エアの流れを一方向に整えるので整流効果によってエア圧の脈動が減少する。従って、サージタンク２４のエア圧Ｐ_０を改質器１０内部の背圧の一時的増大を考慮して設定すべき場合よりも相対的に低く設定したとしても改質器１０の内部圧力Ｐ_１〜Ｐ_４の圧力変動を個々の流量調整弁に与えないようにすることが可能となる。前述したように、サージタンクの圧力はＰ_０に保たれるので、流量調整弁２８ａ〜２８ｄの弁開度を設定することによって供給酸化エアの量を適正に設定することが可能となる。サージタンク２４のエア圧を低く保って燃料電池の運転を継続できれば、モータ２２の電力消費が減少し、エネルギ効率を向上することが可能となる。
次に、上述した燃料改質装置１を使用した燃料電池システム２の例について図２を参照して説明する。同図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、係る部分の説明は省略する。
図２に示すように、燃料改質装置１の燃焼部１１には、エアタンク２４から燃焼用のエアが流量調整弁２８ｅを介して燃焼部に供給される。燃料タンク６１から燃焼用のメタノールがポンプ６３を介して供給される。また、燃料電池８０から使用されずに残った水素等の残留ガスも供給される。蒸発部１２には、燃料タンク６１及び水タンク６２からそれぞれポンプ６４及び６５を介してメタノールと水が供給される。水タンク６２には、燃料電池７０で生じた水が回収される。燃料電池７０の水素極には、改質器１０から水素リッチな改質ガスが供給される。また、その酸素極にはエアタンク２４から流量調整弁２８ｆを介して酸化エアが供給される。燃料電池７０が発生した電気出力は二次電池８０及び図示しない車両の駆動モータを駆動するインバータに供給される。二次電池８０は、例えば、ニッケル水素二次電池を使用することできるが、大容量のキャパシタを使用しても良い。この場合には、軽量化出来る利点がある。二次電池８０によって燃料電池７０の補器類に必要な電源が供給される。エアポンプ２３の駆動モータ２２は、モータ２２にＰＷＭ出力を供給するモータ駆動回路６６を介して二次電池８０から電源の供給を受ける。
燃料電池システム１を運転する制御部５０は、上述した流量調整弁等を駆動し、外部から供給される各部のセンサ出力をデジタル信号に変換する入出力ポート５２、制御プログラムに従って制御処理を実行するＣＰＵ５４、制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ５６、データ処理に使用されるＲＡＭ５８等によって構成される。制御部５０には燃料電池システム１の各部に設けられた図示しない温度センサ、圧力センサ、ＣＯセンサ、出力電圧センサ、出力電流センサ、弁開度センサ、他のコンピュータからの車両運転情報等の燃料電池の運転制御に必要な情報信号が入力されている。制御部５０はこれらの情報を適切に処理して上述した流量調整弁２８ａ〜２８ｆ、ポンプ２３，６３〜６５、モータ駆動回路６６等を制御する。
このようにして、本発明の燃料改質装置及び燃料電池システムは、改質器における逆流を阻止する手段を設けたことによってポンプ２４を低圧力で使用することを可能とし、燃料電池システム自体の消費する電力を減らしたので、燃料使用の効率が向上して具合がよい。
なお、図２に示す実施例では、１つのエアタンク２４から燃焼部１１と燃料電池７０とに酸化エアを供給しているが、別々のポンプによって個別的に酸化エアを供給することとしても良い。
また、燃焼部１１への酸化エアの供給ルート及び燃料電池７０への酸化エア供給ルートにそれぞれ逆止弁を設けこととしても良い。それにより、エア圧変動を抑制することが可能となる。
また、タンク２４は必須のものではなく、タンク２４を設けないでポンプから直接本管２５にエアを供給するようにしても良い。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料改質装置及び燃料電池システムによれば、酸化エア供給系のエア圧が低い状態でも改質器の各部への酸化エア供給を安定されることが可能となるので、供給酸化エアの制御精度を向上させることが可能となって具合がよい。また、エアポンプの消費電力を減少することが可能となって具合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の燃料改質装置を説明する説明図である。
【図２】図２は、本発明の燃料改質装置を備える燃料電池システムを説明する説明図である。
【符号の説明】
１…燃料改質装置、２…燃料電池システム、１０…改質器、２０…エア供給系、２２…ポンプ駆動用モータ、２３…エアポンプ、２４…サージタンク、２５…本管、２６ａ〜２６ｄ…枝管、２７ａ〜２７ｄ…逆止弁、２８ａ〜２８ｄ…流量調整弁

Claims

供給される水素を含む原燃料から水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に供給する加圧エアを生成するエアポンプと、
前記加圧エアを一の流路から分岐する複数の枝路によって分けて前記改質器の複数箇所に供給する分岐流路と、
各枝路にそれぞれ設けられて前記改質器の各箇所へのエア供給量を個別的に調整可能とする複数の流量調整弁と、
各枝路にそれぞれ設けられて前記加圧エアの逆流を阻止する複数の逆止弁と、
を備える燃料改質装置。
更に、前記一の流路にサージタンクを有する、請求項１記載の燃料改質装置。
前記改質器は、燃焼部、蒸発部、改質部及びＣＯ浄化部を含み、前記加圧エアは少なくとも前記改質部及び前記ＣＯ浄化部に供給される、請求項１又は２記載の燃料改質装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料改質装置と、この燃料改質装置から燃料ガスの供給を受けて電気を発生する燃料電池と、を含む燃料電池システム。