JP2004192958A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料源として液体燃料を用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池の負荷の変化に対し良好な応答性が得られるようにする。
【解決手段】燃料電池１を冷却して加熱された冷却排ガスの一部を燃料気化器２へと導入して、この排ガスによる高温雰囲気中で、例えばメタノールやガソリン等の炭化水素系の液体燃料を噴霧することで、これを気化する。気化させた気化燃料は部分酸化反応器３にて改質し、改質燃料ガスを燃料電池１のアノード極へと供給する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料から生成した水素を含む改質燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素或いは炭化水素系ガスを燃料とし、酸素或いは酸素を含む空気を酸化剤として使用して電気化学的反応で発電する電池である。例えば、炭化水素系ガスを燃料として用いる場合には、一般的に炭化水素系燃料の一部或いは全てを次式（１），（２）に示したような反応を用いて水素に改質して燃料電池の燃料極（アノード極）へと供給する。
【０００３】
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋２）Ｈ_２ ・・・（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ ・・・（２）
この反応式（１）にも示されるように、炭化水素系ガスの改質には水（Ｈ_２Ｏ）が必要であり、一方、燃料電池はその発電の過程で水（Ｈ_２Ｏ）を生成するため、その排ガスには十分な水分が含まれている。そこで、システム全体での燃料ガス又は酸化ガスを有効に使うために、燃料電池からの排ガスを還流して利用する燃料電池システムが検討されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００４】
前記特許文献１に開示された技術では、固体電解質型燃料電池発電システムにおいて、燃料電池のアノード排ガスの一部を供給燃料ガスと混合し、再循環系統内に設けられた再生熱交換器内で凝縮器通過後の低温の還流ガスとの熱交換により一旦冷却し、さらに凝縮器内でも冷却して排ガス中の余分な水蒸気を凝縮分離してから燃料電池アノード極入口に供給することにより、燃料電池起電力の低下を防ぎ、システム効率の向上を図っている。また、燃料ガスを循環するための循環ブロワを凝縮器通過後に設置し、循環ブロワの常温作動を可能にしている。
【０００５】
しかしながら、この特許文献１に開示される燃料電池システムは、基本的には水素ガスやメタンガス等のガスを燃料源として貯蔵搭載するものであり、次のような課題がある。すなわち、燃料電池自動車等の移動体に燃料電池システムを適用しようとする場合、燃料電池システムの容積はできる限り小さいことが重要であり、このことから燃料源はガスよりも液体であることが望ましい。この点、前記特許文献１記載のシステムは、液体に比べてエネルギー密度の小さいガスを燃料源として用いているので、貯蔵燃料を含めた燃料電池システム全体の容積は液体を燃料源とするシステムに比べて大きくなり、そのままでは移動体への搭載に適さない。
【０００６】
この問題を解決する技術として、燃料源として液体燃料を用いた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２等を参照）。この特許文献２に開示される技術は、燃料電池の負荷に応じて液体燃料を蒸発器へ送り、燃焼バーナーで液体燃料を加熱気化して改質器へ供給する技術を併用するものであり、燃料源として液体燃料を用いることから、前記特許文献１記載の技術における搭載性の問題を解決することが可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２３３１２９号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２０００−１００４６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載される技術のように、燃焼バーナーにより蒸発器内で液体燃料を液相気化しながら燃料電池又は改質器へ燃料ガスを供給する方式では、燃料電池自動車等の移動体に適用した場合のような、燃料電池の負荷変動が大きいシステムでは必ずしも十分な応答性が得られない。応答性に関しては、複数の蒸発器を設けることにより対応する試みもなされているが、この場合には装置構成が複雑化するといった問題が生じる。また、特許文献２記載の技術では、システム停止時に蒸発器内の液体燃料の気化を速やかに止めることができず、システム停止後の気化燃料の処置を検討する必要がある。さらに、蒸発器内での燃料の液相気化によるコーキングも発生しやすく、蒸発器の性能劣化やシステムの効率低下が問題となる。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点を解消した燃料電池システムを提供することを目的としており、燃料源として液体燃料を用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池の負荷の変化に対し良好な応答性を得ることができると共に、システム構成を簡易化してコストを低減することができ、また、性能劣化や効率低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスの供給により燃料電池で発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却ガスにより冷却すると共に、改質燃料ガスの生成に際しては、燃料電池の冷却によって加熱されて燃料電池から排出された高温の冷却排ガスを利用して、液体燃料を気化させるようにした。
【００１２】
この燃料電池システムの具体的な構成としては、液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、アノード極とカソード極を有し改質燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の温度調整を行う冷却ガスラインとを有する燃料電池システムに、燃料電池の冷却によって加熱されて燃料電池から排出された冷却排ガスの一部を高温ガスとして燃料ガス生成部に導入する高温ガス循環ラインと、この冷却排ガスを含む高温雰囲気中に液体燃料を供給して気化させる燃料気化器とを設けるようにした。
【００１３】
以上のような本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の温度調整をするための冷却ガスが、例えば圧縮器等から燃料電池へと供給される。そして、燃料電池より排出される冷却排ガスは、高温ガスとして燃料ガス生成部の燃料気化器に還流される。燃料気化器では、還流された冷却排ガスによる高温雰囲気中に液体燃料が噴射供給される。これにより液体燃料は速やかに気相気化して燃料電池又は改質器へと供給される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の冷却によって加熱され排出された冷却排ガスを高温ガスとして利用し、液体燃料を気相気化して供給するようにしているので、装置構成を複雑化することなく、燃料電池の負荷の変化に対し良好な応答性を得ることが可能である。また、蒸発器を用いて液体燃料を気化する場合とは異なり、システム停止後は、燃料の噴射を止めることにより速やかに液体燃料の気化を停止することができ、無駄な燃料の気化を防ぐことができ、燃料を有効に使用することができる。さらに未使用の気化燃料の処理を行うシステムも不要となり、システム構成も簡易になり、コストを低減することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムにおいては、液体燃料が燃料気化器内で速やかに気相気化するので、液体燃料が直接に気化器内壁等の高温部分に触れるようなことことがなく、したがって液体燃料によるコーキングを防止することができ、気化する部位の性能劣化を効果的に抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。この第１の実施形態の燃料電池システムは、水素或いは炭化水素を燃料として燃料電池１で発電を行う燃料電池システムにおいて、例えばメタノールやガソリンのような炭化水素系の液体燃料を燃料源として用い、燃料電池１を冷却した排ガスの一部を燃料気化器（気相気化器）２へ導入し、気化させた気化燃料を部分酸化反応器３にて改質し、これにより生成する改質燃料ガスを燃料電池１の燃料極（アノード極）へと供給するものである。
【００１８】
燃料電池１としては、例えば電解質が固体酸化物で構成された酸素イオン伝導タイプの固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１は、水素を含む改質燃料ガスが供給される燃料極（アノード極）と酸化剤である酸素（空気）が供給される空気極（カソード極）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、前記改質燃料ガスの供給を受けて、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極にそれぞれ移動する。カソード極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００１９】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１に冷却ガスライン４が接続されており、圧縮器５から供給される空気の一部が空気制御バルブ６を介して温度調整用の冷却ガスとして燃料電池１へと送り込まれるようになっている。また、燃料電池１を冷却して加熱された冷却排ガスは、高温ガスとして、燃料電池１から排出される。燃料電池１の冷却排ガス排気側には、冷却排ガス排気ライン７及び排気制御バルブ８、さらには高温ガス循環ライン９が設けられており、前記排気制御バルブ８の操作によって、前記冷却排ガスが高温ガス循環ライン９から燃料気化器２に導入され、或いは排気される。
【００２０】
供給燃料は液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されており、燃料供給流路からインジェクタ１１へと供給され、燃料気化器２内に噴射される。燃料気化器２では、インジェクタ１１によって噴射された液体燃料が気化され、気化された気化燃料は、部分酸化反応器３に導入される。そして、この部分酸化反応器３により、水素を含む改質燃料ガスが生成されることになる。したがって、これら燃料気化器２及び部分酸化反応器３により燃料ガス生成部が構成される。
【００２１】
燃料気化器２には、冷却ガスライン４から燃料電池１に送り込まれ燃料電池１の冷却により加熱されて排出された冷却排ガスのうち、部分酸化反応器３において気化燃料の改質に必要な酸素量を含むガス量が、排気制御バルブ８を介して供給されている。したがって、燃料気化器２では、インジェクタ１１から噴射された供給燃料と冷却排ガスとが混合されることになる。ここで、冷却排ガスは、燃料電池１の冷却により加熱された高温排空気であり、これを高温ガスとして燃料気化器２に導入することで、燃料気化器２内は高温雰囲気となっている。このため、インジェクタ１１から噴霧された液体燃料は、燃料気化器２内の高温雰囲気中で速やかに気相気化して気化燃料となり、気化燃料供給流路１２を介して部分酸化反応器３に供給される。燃料改質器である部分酸化反応器３においては、部分酸化反応が行われ、燃料気化器２において気化された気化燃料は水素を含む改質燃料ガスに改質される。改質燃料ガスは、改質燃料ガス供給ライン１３を介して、燃料電池１の燃料極（アノード）に供給される。
【００２２】
なお、燃料電池１が内部改質型の固体酸化型燃料電池である場合には、燃料を改質しながら発電することができるので、前述の燃料改質器である部分酸化反応器３は省略することが可能である。
【００２３】
燃料電池１には、前記改質燃料ガスがアノード極に供給される他、酸化ガスがカソード極に供給される。本実施形態では、先の冷却ガスライン４に導入される冷却ガスとこの酸化ガスを同じガス（空気）とし、冷却ガスライン４から分配して燃料電池１のカソード極に供給している。すなわち、燃料電池１への供給空気は、圧縮器５により送り込まれる燃料電池１の温度調整用の冷却ガスのうちから、発電に必要十分な流量が空気制御バルブ６により分配され、空気供給ライン１５を介して燃料電池１のカソード極に供給される。
【００２４】
また、本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池１のアノード極やカソード極からの排気を燃焼する燃焼器１６が設けられており、空気供給ライン１５により燃料電池１のカソード極に供給される空気は、燃料電池１からのカソード排ガスとアノード排ガスを利用した燃焼器１６との熱交換により加熱され、燃料電池１のカソード極へ供給されるようになっている。
【００２５】
炭化水素系ガスを改質した改質燃料ガスには、改質して得られたＨ_２とほぼ同量のＣＯ_２（もしくはＣＯ）が含まれており、当然、発電に使用されないＣＯ_２ガスはそのまま燃料排ガスに含まれる。さらに、電池反応に用いたＨ_２はＨ_２Ｏとなり、燃料排ガス中には多くのＣＯ_２とＨ_２Ｏが含まれている。Ｈ_２Ｏはその後、一部改質に用いることができるが、全てのＨ_２Ｏが改質に用いられるわけではなく、循環を繰り返す毎に改質に用いない余剰のＨ_２Ｏは増加する。
【００２６】
したがって、燃料電池１からの燃料排ガスを循環し発電に使用すると、循環する毎に燃料排ガス中の非Ｈ_２ガス分圧が増加し、その増加量は発電量によっても異なる。燃料ガス中のＨ_２分圧の変動は燃料電池１の出力の変動に直結するため、燃料ガス中の非Ｈ_２分圧の変動は、燃料電池１の出力制御をより困難にし、燃料電池１の負荷変動が大きいシステムではその応答性や制御性に大きな技術課題が残る。そこで、本実施形態では、燃料電池１からの燃料排ガス（アノード排ガスやカソード排ガス）を循環使用せず、燃焼器１６において燃焼処分し、外部に排気する構成とした。
【００２７】
次に、以上のような構成を有する燃料電池システムの制御シーケンスについて、図２を参照して説明する。この制御シーケンスは、空気制御バルブ６、排気制御バルブ８、及びインジェクタ１１の制御に関するものであり、マイクロコンピュータ及びその周辺装置からなるコントローラ（図示せず）により周期的に実行される。以下、図２に示す制御シーケンスについて、順を追って説明する。
【００２８】
本制御シーケンスでは、先ず、燃料電池１の温度を計測する（ステップＳ１−１）。そして、予め設定された燃料電池１の温度と冷却ガス供給量との関係を示すマップを参照して、計測した燃料電池１の温度に応じて必要な冷却ガスの供給量を求める（ステップＳ１−２）。なお、ここで、空気制御バルブ６より燃料電池１のカソード極へ供給される空気量は一定とする。
【００２９】
これと並行して、運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池１に対する要求負荷を求める（ステップＳ１−３）。そして、予め設定された燃料電池１に対する要求負荷とカソード供給空気との関係を示すマップを参照して、求めた要求負荷に応じて必要なカソード供給空気の供給量を求める（ステップＳ１−４）。
【００３０】
次いで、ステップＳ１−２で求めた冷却ガスの供給量と、ステップＳ１−４で求めたカソード供給空気の供給量とに基づき、圧縮器５から必要な流量の空気を送り込み、空気制御バルブ６でカソード極用と冷却ガス用とに分配して、それぞれ空気供給ライン１５或いは冷却ガスライン４を介して燃料電池１へと供給する（ステップＳ１−５）。
【００３１】
このうち、燃料電池１を冷却することで加熱されて燃料電池１から排出された高温排空気については、部分酸化反応器３において供給燃料を改質するのに必要な空気量を、予め設定された燃料量と空気量との関係を示すマップより求め（ステップＳ１−６）、排気制御バルブ８を制御することにより、必要な量の空気（冷却排ガス）を分配して燃料気化器２へ供給する（ステップＳ１−７）。
【００３２】
ステップＳ１−８では、ステップＳ１−３で求めた燃料電池１に対する要求負荷から、予め設定された燃料電池１出力と燃料供給量との関係を示すマップを参照して、要求負荷に応じて必要な燃料供給量を求める。そして、このステップＳ１−８において求められた量の液体燃料をインジェクタ１１を用いて燃料気化器２へ噴霧する（ステップＳ１−９）。
【００３３】
最後に、ステップＳ１−９において噴霧された液体燃料をステップＳ１−７で燃料気化器２へ供給された高温空気（冷却排ガス）を利用して気化し、部分酸化反応器３へ供給する（ステップＳ１−１０）。そして、この気化燃料が、部分酸化反応器３で水素を含む改質燃料ガスに改質され、燃料電池１のアノード極へと供給される（ステップＳ１−１１）。
【００３４】
以上の構成を有する第１の実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１の温度調整をするための冷却ガスは、圧縮器５によって燃料電池１に供給され、燃料電池１より排出される冷却排ガス（高温排空気）は、燃料電池システムの燃料ガス生成部に還流される。そして、この燃料電池１から還流された冷却排ガスによって、燃料ガス生成部の燃料気化器２が高温雰囲気とされ、この高温雰囲気中に液体燃料が噴射供給される。これにより燃料は速やかに気相気化して、燃料電池１又は燃料改質部である部分酸化反応器３へと供給される。このようにして、液体燃料を気相気化して供給するので、燃料電池１の負荷の変化に対し良好な応答性が得られる。
【００３５】
また、このとき、燃料気化器２内で液体燃料は速やかに気相気化するので、液体燃料が直接に燃料気化器２の内壁等の高温部分に触れるようなことがなく、したがって液体燃料によるコーキングを未然に防止することができ、気化する部位の性能劣化を抑えることができる。また、通常の蒸発器を用いた場合ような液相気化とは異なり、システム停止後は、燃料の噴射を止めることにより、無駄な燃料の気化を防ぐことができるので、燃料の有効利用を図ることができる。さらに未使用の気化燃料の処理を行うシステムも不要となり、システム構成も簡易になりコスト低減も図る上でも有利である。
【００３６】
また、本実施形態においては、燃料電池１の温度調整を行うための冷却ガスライン４に供給される冷却ガスを、燃料電池１のカソード極へ導入する酸化ガスと同じガス（空気）としているので、システム内で用いるガス種を燃料ガスと酸化ガスとの２種のみとすることができ、システム構成を簡素化することができる。
【００３７】
さらに、本実施形態によれば、燃料電池１の温度調整を行うための冷却ガスライン４に供給されるガスを燃料電池１のカソード極へ導入する酸化ガス（空気）と同じにすることにより、一つの圧縮器５を用いて、燃料電池１の冷却ガス、発電用のカソードガス、さらには燃料気化器２の高温ガスをシステムに供給することができ、部品点数の削減とシステム構成の簡素化を図ることができる。
【００３８】
ところで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料気化器２において酸素を含んだ高温ガスによって気化された気化燃料を部分酸化反応器３へ導入することにより、炭化水素系燃料の一部或いは全てを次式（３）に示すような反応を用いて水素に改質して燃料電池１の燃料極（アノード極）へと供給している。
【００３９】
Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＯ_２ → ｎＣＯ_２ ＋ （ｎ＋１）Ｈ_２ ・・・（３）
ここで、燃料電池１に内部改質型燃料電池を用いた場合には、燃料改質部である部分酸化反応器３を用いなくとも、簡素なシステムで炭化水素燃料を用いた発電を行うことはできる。しかしながら、燃料電池１に内部改質型燃料電池を用いた場合、上述した反応式（１）は吸熱反応、前記反応式（３）が発熱反応であることから、これらの反応に伴う内部改質反応熱によって、燃料電池１の温度制御を出力の負荷変動と併せて制御することが難しくなる。
【００４０】
これに対して、燃料改質部、特に改質反応応答性に優れる部分酸化反応型の改質部（部分酸化反応器３）を別途設けた場合には、燃料気化器２と併せて負荷変動に対して応答性の良好な燃料電池システムを提供することができる。
【００４１】
また、上述した制御シーケンスにおいては、燃料電池１の出力要求から必要な改質燃料ガス量を計算し、その分の液体燃料を気化するのに必要な熱量（冷却排ガス量）のみを燃焼気化器２内へ供給するようにしているので、無駄な燃料の噴射を防ぎ、また余剰酸素をアノード側へ供給することを防ぐことができる。したがって、使用燃料量の最適化と燃料電池１の安全な運転を行うことができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
本実施形態は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、燃料改質部である部分酸化反応器３に供給するものであり、基本的な構成は先の第１の実施形態のものと同様である。ただし、この第２の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１からの冷却排ガスに加えて、冷却ガスライン４から分配され燃焼器（熱交換部）１６との熱交換により加熱された冷却ガスが、高温ガスとして燃料気化器２へ供給されるようになっている。
【００４３】
以下、本実施形態の燃料電池システムについて、図３を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムにおいて、上述した第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システムでは、図３に示すように、冷却ガスライン４から分配された空気供給ライン１５に流量制御バルブ１７が設けられ、この流量制御バルブ１７を介して、空気供給ライン１５からさらに加熱空気供給ライン１８が分岐されている。したがって、圧縮器５から送り込まれる冷却ガス（空気）は、その一部が空気制御バルブ６及び流量制御バルブ１７を介して加熱空気供給ライン１８へと導かれ、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６は、燃料電池１からのアノード排ガスやカソード排ガスを燃焼することで発熱するので、燃焼器１６に供給された加熱空気供給ライン１８からの空気は、この燃焼器１６において熱交換されて加熱される。そして、燃焼器１６で加熱された空気が、排気制御バルブ８を介して燃料電池１からの冷却排ガスに合流され、高温ガスとして燃料気化器２へ導入される。
【００４５】
また、燃料電池１に供給される空気は、圧縮器５より送り込まれる燃料電池温度調整用の冷却ガスのうちから、空気制御バルブ６により分配され、さらに発電に必要な流量が流量制御バルブ１７によって分配され、燃焼器１６との熱交換により加熱され、燃料電池１へ供給される。
【００４６】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１の冷却排ガスだけではなく、冷却ガスライン４から分配されて、燃焼器１６によって加熱された冷却ガスも、高温ガスとして導燃料気化器２へと導入されるようになっている。これにより、燃料電池１が低出力等の状態で、それほどの温度上昇がなく、燃料電池１からの冷却排ガスの熱量、すなわち燃料電池１より回収した熱量が小さい場合でも、燃焼器１６により熱を回収したガスも併せて燃料気化器２へ導入することで、燃料気化の性能を維持することができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
本実施形態は、上述した第２の実施形態の燃料電池システムの構成に水回収器を付加して、回収された水を燃料改質部に供給するようにしたものである。
【００４８】
本実施形態の燃料電池システムも、図４に示すように、第１の実施形態や第２の実施形態の燃料電池システムと同様、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、燃料改質部に供給するものである。また、第２の実施形態の燃料電池システムと同様、燃料電池１からの冷却排ガスに加え、冷却ガスライン４から分配され燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスも燃料気化器２に導入されるようになっている。
【００４９】
ただし、燃料改質部としては、部分酸化反応と水蒸気改質反応が適切な比率（例えば８：２）で起こるような燃料改質器（ＡＴＲ）１９が用いられている。したがって、本実施形態の燃料電池システムにおいては、上述した第１の実施形態や第２の実施形態と異なり、燃料改質器１９に燃料気化器２から供給される気化燃料に加えて水を供給する必要があり、この水を水回収器２０から燃料改質器１９へと供給するようにしている。ここで、燃料改質器１９に供給される水の量は、部分酸化反応と水蒸気改質反応とが８：２で起こるために必要な量である。なお、この燃料改質器１９における部分酸化反応と水蒸気改質反応の割合は一例を示したものであり、これに限られるものではない。
【００５０】
この燃料改質器１９に供給される水としては、例えば、燃料電池１のアノード排ガスに含まれる反応生成水を凝縮して回収したものが利用される。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、燃焼器１６の排ガス出口に、水供給装置としての水回収器２０が設置され、ここで回収された生成水が水供給ライン２１を経て燃料改質器１９に供給されるようになっている。
【００５１】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料改質器１９の機能として、部分酸化反応改質だけでなく、水蒸気改質も併せ持たせることで、発熱反応と吸熱反応による燃料改質器１９内の熱バランスをとることができる。これにより、安定した改質反応を行うことができるばかりでなく、燃料改質器１９の耐久性を向上させることができる。
【００５２】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料改質器１９に供給される水を、燃料電池１の排ガスに含まれる発電による生成水とし、これを水回収器２０で回収して使用しているので、外部からの水の補給を必要としない簡便なシステムとすることができる。
【００５３】
（第４の実施形態）
本実施形態は、上述した第３の実施形態の燃料電池システムと同様、燃料改質器１９において部分酸化反応と水蒸気改質反応とにより気化燃料の改質を行うものであるが、改質に必要な水を燃料気化器２に噴霧供給し、気化燃料と共に燃料改質器１９に供給するようにしたものである。
【００５４】
すなわち、本実施形態の燃料電池システムにおいても、図５に示すように、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、燃料改質部に供給するようにしている。また、燃料電池１からの冷却排ガスに加え、冷却ガスライン４から分配され燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスも、高温ガスとして燃料気化器２に導入するようにしている。
【００５５】
ただし、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料気化器２に、液体燃料を噴霧するインジェクタ１１に加えて、水回収器２０において回収された水（反応生成水）を噴霧するインジェクタ２２が、インジェクタ１１の上流に位置して配設されている。そして、燃料気化器２に還流される燃料電池冷却排ガス及び燃焼器１６によって加熱された冷却ガス（高温ガス）からなる高温雰囲気に対して、インジェクタ１１より燃料が噴霧されると共に、インジェクタ２２より水が噴霧されて、気化された状態で燃料改質器１９へと供給されるようになっている。
【００５６】
図６に、本実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示す。本制御シーケンスでは、先ず、燃料電池１の温度を計測する（ステップＳ４−１）。そして、予め設定された燃料電池１の温度と冷却ガス供給量との関係を示すマップを参照して、計測した燃料電池１の温度に応じて必要な冷却ガス供給量を求める（ステップＳ４−２）。なお、ここで、空気制御バルブ６より流量制御バルブ１７へ供給される空気量は一定とする。
【００５７】
これと並行して、運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池１に対する要求負荷を求める（ステップＳ４−３）。そして、予め設定された燃料電池１に対する要求負荷とカソード供給空気との関係を示すマップを参照して、求めた要求負荷に応じて必要なカソード供給空気の供給量を求める（ステップＳ４−４）。
【００５８】
ステップＳ４−５では、空気制御バルブ６の操作により、圧縮器５より供給された空気から、ステップＳ４−２で求められた冷却ガス供給量に応じた空気量を分配する。さらに、流量制御バルブ１７の操作により、ステップＳ４−４で求められたカソード供給空気と加熱空気供給ライン１８へ供給する空気とを分配する。このとき、カソード供給空気の供給量は、燃料電池１に対する要求負荷に応じて決定されるので、燃料電池１の安定的な運転が実現される。すなわち、燃料電池１の出力が低いとき、燃料電池１の温度は定常状態に比べて低く、燃料電池１の温度調整用の冷却ガス流量は、それほど多くを必要としない。したがって、燃料電池１の温度調整用の冷却ガスとカソード供給空気の流量はいつも同じ割合というわけではない。そこで、燃料電池１の温度調整用冷却ガスから分配されるカソード供給空気の量については、冷却ガス流量によらず、燃料電池１の出力に応じて制御される構成とすることで、燃料電池１の安定した運転が実現されることになる。
【００５９】
ステップＳ４−６では、ステップＳ４−３で求めた燃料電池１に対する要求負荷から、予め設定された燃料電池１の出力と燃料供給量との関係を示すマップを参照して、要求負荷に応じて必要な燃料供給量を求める。
【００６０】
また、これらと並行して、ステップＳ４−７では、燃料改質器１９の温度を計測する。そして、ステップＳ４−８において、予め設定された燃料改質器温度と水蒸気改質反応量との関係を示すマップを参照して、燃料改質器１９の温度に応じて燃料改質器１９で必要な水分量を求める。
【００６１】
ステップＳ４−９では、燃料改質器１９においてステップＳ４−６で求めた供給燃料を改質するのに必要な空気量を、予め設定された燃料量と空気量との関係を示すマップを参照して求める。そして、ステップＳ４−１０において、排気制御バルブ８に供給される高温空気（高温ガス）のうち、ステップＳ４−９で求めた空気量に相当する流量を燃料気化器２へと供給する。
【００６２】
これと共に、ステップＳ４−８において求められた燃料改質器１９で必要な水分量をインジェクタ２２を用いて燃料気化器２へ噴霧し（ステップＳ４−１１）、また、ステップＳ４−６において求められた量の液体燃料をインジェクタ１１を用いて燃料気化器２へ噴霧する（ステップＳ４−１２）。
【００６３】
最後に、ステップＳ４−１２において噴霧された液体燃料をステップＳ４−１０で燃料気化器２へ供給された高温空気（高温ガス）を利用して気化し、燃料改質器１９へ供給する（ステップＳ４−１３）。このとき、ステップＳ４−１１において噴霧された水も同時に気化されて、燃料改質器１９へと供給される。そして、この水を利用して、燃料改質器１９において気化燃料が水素を含む改質燃料ガスに改質され、燃料電池１のアノード極へと供給される（ステップＳ４−１４）。
【００６４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水を供給する手法として、液体燃料を供給する手法と同様に、冷却排ガスの高温ガス中に噴射供給する方法を採用しているので、蒸発器を用いた場合に課題とされる応答性の問題を克服することができる。また、水を噴射供給する水噴射部（インジェクタ２２）を燃料気化器２に設けることでシステム全体を小型軽量にすることができる。さらに、水噴射部（インジェクタ２２）を、燃料噴射部（インジェクタ１１）よりも上流側に設けることにより、僅かながら発生することも懸念される燃料噴射による燃料気化器２内のコーキングを確実に防ぐことができ、燃料気化器２の耐久性を向上させることができる。
【００６５】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料改質器１９へと供給される水分量が燃料改質器１９の内部温度に応じて制御される構成としているので、発熱反応の部分酸化反応と吸熱反応の水蒸気改質反応による熱バランスを保つことができ、燃料改質器１９の耐久性を向上させることができる。
【００６６】
（第５の実施形態）
本実施形態は、上述した第２の実施形態の燃料電池システムの構成に、燃料改質部である部分酸化反応器３の温度調整（冷却）を行うための改質器冷却ラインを付加し、部分酸化反応器３を冷却することで加熱された高温ガスを、燃料電池１からの冷却排ガスや、燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスと共に燃料気化器２に導入するようにしたものである。
【００６７】
本実施形態の燃料電池システムも、図７に示すように、上述した第２の実施形態の燃料電池システムと同様、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、部分酸化反応器３に供給するものであり、燃料気化器２には、燃料電池１からの冷却排ガスに加え、冷却ガスライン４から分配され燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスも高温ガスとして導入されるようになっている。
【００６８】
ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気制御バルブ６において改質器冷却ライン２３が分岐され、ここに分配される温度調整用の冷却ガスにより部分酸化反応器３が冷却されるようになっている。部分酸化反応器３の過熱は、部分酸化反応器３の改質触媒の劣化や、炭素の析出を引き起こし、燃料改質の性能劣化につながるため、このような部分酸化反応器３の過熱を防止するための対策は、燃料電池システムを適正に運用していく上で重要である。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気制御バルブ６において温度調整用の冷却ガスを分配し、改質器冷却ライン２３を通して部分酸化反応器３に供給することで、部分酸化反応器３の過熱を防止するようにしている。
【００６９】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、部分酸化反応器３の冷却により加熱された冷却ガスを、燃料気化器２での液体燃料の気化を促進するための高温ガスとして有効利用するようにしている。すなわち、この燃料電池システムでは、部分酸化反応器３の冷却により加熱された冷却ガス（高温ガス）が、排気制御バルブ８へと導かれ、燃料電池１からの冷却排ガスや燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスと共に、燃料気化器２に導入されるようになっている。
【００７０】
図８に、本実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示す。本制御シーケンスでは、先ず、燃料電池１の温度を計測する（ステップＳ５−１）。そして、予め設定された燃料電池１の温度と冷却ガス供給量との関係を示すマップを参照して、計測した燃料電池１の温度に応じて必要な冷却ガス供給量を求める（ステップＳ５−２）。
【００７１】
これと並行して、運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池１に対する要求負荷を求める（ステップＳ５−３）。そして、予め設定された燃料電池１に対する要求負荷とカソード供給空気との関係を示すマップを参照して、求めた要求負荷に応じて必要なカソード供給空気の供給量を求める（ステップＳ５−４）。
【００７２】
さらに、これらと並行して、燃料改質部である部分酸化反応器３の温度を計測し（ステップＳ５−５）、予め設定された部分酸化反応器３の温度と冷却空気供給量との関係を示すマップを参照して、計測した部分酸化反応器３の温度に応じて必要な改質器冷却空気量を求める（ステップＳ５−６）。
【００７３】
これらの結果に基づいて、ステップＳ５−７では、空気制御バルブ６の操作により、圧縮器５より供給された空気から、ステップＳ５−２で求められた冷却ガス供給量に応じた空気量、及びステップＳ５−６で求められた改質器冷却空気量を分配する。さらに、ステップＳ５−８で、流量制御バルブ１７の操作により、ステップＳ５−４で求められたカソード供給空気と加熱空気供給ライン１８へ供給する空気とを分配する。
【００７４】
一方、ステップＳ５−９では、ステップＳ５−３で求めた燃料電池１に対する要求負荷から、予め設定された燃料電池１の出力と燃料供給量との関係を示すマップを参照して、要求負荷に応じて必要な燃料供給量を求める。そして、部分酸化反応器３においてステップＳ５−９で求めた供給燃料を改質するのに必要な空気量を、予め設定された燃料量と空気量との関係を示すマップを参照して求め（ステップＳ５−１０）、制御バルブ８に供給される高温空気（高温ガス）のうち、ステップＳ５−１０で求めた空気量に相当する流量を燃料気化器２へと供給する（ステップＳ５−１１）。そして、ステップＳ５−９において求められた量の液体燃料をインジェクタ１１を用いて燃料気化器２へ噴霧する（ステップＳ５−１２）。
【００７５】
最後に、ステップＳ５−１２において噴霧された液体燃料をステップＳ５−１１で燃料気化器２へ供給された高温空気（高温ガス）を利用して気化し、部分酸化反応器３へ供給する（ステップＳ５−１３）。そして、この気化燃料が、部分酸化反応器３で水素を含む改質燃料ガスに改質され、燃料電池１のアノード極へと供給される（ステップＳ５−１４）。
【００７６】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料改質部である部分酸化反応器３を温度調整するための冷却ライン２３が設けられていると共に、燃料電池１によって加熱された冷却排ガス、燃焼器１６での熱交換によって加熱された冷却ガスに加えて、部分酸化反応器３の温度調整によって加熱された改質部冷却排ガスが、高温ガスとして燃料気化器２へと導入される構成としているので、発熱反応により燃料改質が行われる部分酸化反応器３の冷却を促して、部分酸化反応器３の耐久性を向上させながら、その熱を有効利用して、燃料気化器２における液体燃料の気化を促進させることができる。
【００７７】
また、部分酸化反応器３の温度調整用の冷却ガスが、燃料電池１の温度調整用の冷却ガスライン４より分配される構成としているので、冷却ガスを供給するための冷却ガス供給器（圧縮器等）を一つにすることができ、システム全体を小型化することができ、制御も簡便化することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、空気制御バルブ６で分配されて部分酸化反応器３へと供給される冷却ガスの流量が、部分酸化反応器３の内部温度に応じて制御される構成としているので、部分酸化反応器３を効果的に冷却させてその耐久性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図４】第３の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図５】第４の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図６】第４の実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図７】第５の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図８】第５の実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料気化器
３ 部分酸化反応器
４ 冷却ガスライン
６ 空気制御バルブ
８ 排気制御バルブ
９ 高温ガス循環ライン
１０ 燃料タンク
１１ インジェクタ
１６ 燃焼器
１７ 流量制御バルブ
１８ 加熱空気供給ライン
１９ 燃料改質器
２０ 水回収器
２２ インジェクタ
２３ 改質器冷却ライン

Claims (20)

1. 液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスの供給により燃料電池で発電を行う燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池を冷却ガスにより冷却すると共に、前記改質燃料ガスの生成に際して、前記燃料電池の冷却によって加熱されて前記燃料電池から排出された高温の冷却排ガスを利用して、前記液体燃料を気化させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、アノード極とカソード極を有し前記改質燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度調整を行う冷却ガスラインとを有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の冷却によって加熱されて前記燃料電池から排出された冷却排ガスの一部を高温ガスとして前記燃料ガス生成部に導入する高温ガス循環ラインと、前記冷却排ガスを含む高温雰囲気中に液体燃料を供給して気化させる燃料気化器とを設けたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の冷却ガスとして、前記燃料電池のカソード極へ供給する酸化ガスと同じガスを用い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. 前記燃料電池のカソード極へ供給される酸化ガスは、前記冷却ガスラインから分配されて、前記燃料電池のカソード極へと導入されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料ガス生成部は燃料改質部を備え、前記燃料気化部によって気化された気化燃料が前記燃料改質部へと導入され、前記燃料改質部において改質された改質燃料ガスが前記燃料電池のアノード極へと導入されることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料改質部は、部分酸化反応により気化燃料を改質する燃料改質部であ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. 前記燃料電池のアノード排ガス及びカソード排ガスを利用した熱交換部を有し、
   前記冷却ガスラインの冷却ガスの一部が前記熱交換部により加熱されて、高温ガスとして前記燃料気化器に導入されることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料改質部の温度調整用の冷却ガスラインを有し、
   前記燃料電池によって加熱された冷却排ガス、及び前記熱交換部によって加熱された冷却ガスに加えて、前記燃料改質部の温度調整によって加熱された冷却排ガスが高温ガスとして前記燃料気化器へと導入されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料改質部の温度調整用の冷却ガスは、前記燃料電池の温度調整用の冷却ガスラインより分配されて、前記燃料改質部へと供給されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料改質部は、部分酸化反応及び水蒸気改質反応により気化燃料を改質する燃料改質部であり、
    前記燃料改質部に気化した水を供給する水供給装置を備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。
11. 前記水供給装置は、冷却排ガス中に水を噴射供給する水噴射部を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記水噴射部は、前記燃料気化器に設置されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料気化器は、冷却排ガス中に液体燃料を噴射供給する燃料噴射部を有し、
    前記水噴射部は前記燃料噴射部よりも冷却排ガス流の上流側に設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記水供給装置により供給される水は、前記燃料電池による生成水を凝集して得られた水であることを特徴とする請求項１０乃至１３の何れかに記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池の出力要求に対して必要な燃料量に応じて、前記燃料気化器内への高温ガスの供給量、及び供給燃料量が制御されることを特徴とする請求項２乃至１４の何れかに記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料電池の温度調整用の冷却ガスラインから分配されて前記燃料電池のカソード極へと導入される酸化ガスの量が、前記燃料電池の出力に応じて制御されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料電池の温度調整用の冷却ガスラインから分配されて前記燃料改質部へと供給される冷却ガスの量が、前記燃料改質部の内部温度に応じて制御されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
18. 前記水供給装置により前記燃料改質部へと供給される水分量が、前記燃料改質部の内部温度に応じて制御されることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
19. 前記燃料電池は、固体電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至１８の何れかに記載の燃料電池システム。
20. 前記燃料電池は、内部改質型の固体電解質型燃料電池であり、前記燃料改質部が前記燃料電池に内在されていることを特徴とする請求項５乃至１８の何れかに記載の燃料電池システム。

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