JP2005200246A - 燃料改質装置および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池システム20は、改質燃料と水蒸気とから水素を生成する水蒸気改質反応を進行させる改質触媒を備える改質器30を備えている。改質器30には、ポンプ34を介して改質燃料が供給される。また、改質器30には、水蒸気および酸素を含有するカソードオフガスが供給される。さらに、改質器30には、供給される改質燃料量が増加変動する際に、水素を含有するアノードオフガスが供給可能となっている。改質器30で水蒸気改質反応が進行する際に、改質器30にさらに水素が供給されると、水素が酸化されることにより水蒸気が生成される。
【選択図】 図1
Description
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備えることを要旨とする。
前記増加変動時に供給された前記改質燃料量に対する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する制御部を備えることとしても良い。
前記制御部は、さらに、前記水素供給部が供給する水素量に応じた酸素量を前記触媒部に供給するように前記酸素供給部を制御することとしても良い。
前記水蒸気供給部は、水を気化させる蒸発器を備えることとしても良い。
前記触媒部は、さらに酸化触媒を備え、
前記水素供給部および前記酸素供給部は、それぞれ、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように、水素および酸素を前記触媒部に供給することとしても良い。
前記水素供給部は、水素を貯蔵する水素タンクを備え、該水素タンクに貯蔵した水素を前記触媒部に供給することとしても良い。
前記水素供給部は、前記触媒部で生成された水素を前記触媒部に供給することとしても良い。
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
水蒸気および酸素を含有すると共に前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを、前記触媒部に供給するカソードオフガス供給部と、
前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
を備えることを要旨とする。
前記水素供給部は、前記改質燃料供給部が供給する前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給することとしても良い。
前記触媒部に供給される前記改質燃料の量が、前記燃料電池に対する要求発電量に応じた量の水素を前記触媒部で生成するために要する改質燃料の量である必要改質燃料量となるように、前記改質燃料供給部を制御する改質燃料制御部と、
前記必要改質燃料量が増加変動する際に、前記必要改質燃料量に対する前記水蒸気供給部が供給する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する水素制御部と
を備えることとしても良い。
前記燃料電池のカソードに、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料電池が発電すべき発電量と、前記燃料電池における発電効率とに基づいて、前記酸化ガス供給部が供給する前記酸化ガス量を制御する酸化ガス制御部と、
前記カソードオフガス供給部によって前記触媒部に前記水蒸気および前記酸素が供給されて、前記触媒部内で、前記水蒸気改質反応と共に、前記改質燃料を用いて水素の生成を伴う酸化反応である部分酸化反応が進行する際に、前記水素供給部を制御して前記触媒部に前記水素を供給させる水素制御部と
を備えることとしても良い。
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に、水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備えることを要旨とする。
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒と共に、酸化触媒を備える触媒部と、
前記改質燃料の一部を、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給し、前記改質燃料の残りを、前記改質触媒に供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給する水素供給部と、
前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備えることを要旨とする。
燃料電池と、請求項1ないし13いずれか記載の燃料改質装置と
を備え、
前記燃料改質装置が生成した水素を、前記燃料電池のアノードに供給して発電を行なうことを要旨とする。
A.第1実施例の燃料改質装置の全体構成:
B.改質反応のための制御:
C.第2実施例
D.第3実施例:
E.第4実施例:
F.変形例:
図1は、第1実施例の燃料電池システム20の構成の概略を表わすブロック図である。燃料電池システム20は、改質器30を備えており、改質器30で生成した水素を用いて、燃料電池40において発電を行なう。
以下、改質器30で進行する改質反応のために燃料電池システム20で行なわれる制御の概要について説明する。図2は、制御部50で実行される改質器制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池システム20が起動され、改質器30で生成された燃料ガスを用いて燃料電池40で発電が行なわれる間、制御部50によって所定の間隔で繰り返し実行される。
2H++2e-+(1/2)O2 → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
改質器30が備える改質触媒は酸化反応を促進する活性を有するため、第1実施例では、改質触媒を利用してアノードオフガス中の水素を酸化したが、改質器において、水素を酸化するための酸化触媒をさらに設けることとしても良い。このような構成を第2実施例として以下に説明する。
以下に、第3実施例として、アノードオフガス中の水素を酸化させて水蒸気を生成する構成に加えて、改質燃料を酸化させて水蒸気を生成する構成を有する燃料電池システムについて説明する。
第1ないし第3実施例では、水蒸気改質反応で用いる水蒸気としてカソードオフガス中の水蒸気を利用しているが、水蒸気改質反応で用いる水蒸気を得るために、別途蒸発器を設けることとしても良い。このような構成を第4実施例として以下に説明する。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形が可能である。
既述した第1ないし第4実施例では、改質器内で水蒸気を生成するための水素源としてアノードオフガスを用いたが、異なる水素源を用いることとしても良い。例えば、燃料電池システムにおいて別途水素タンクを設け、この水素タンクから必要量の水素を改質器に供給することとしても良い。この場合には、アノードオフガスを用いる場合のように、発電量によって供給可能な水素量が制約を受けることがない。
第1ないし第4実施例では、不足する水蒸気のすべてを、改質器で水素を酸化することにより生成しているが、不足する水蒸気の一部を水素の酸化により生成することとしても良い。不足する水蒸気の一部だけを酸化反応で生成する場合にも、改質反応時のS/C比を最適値により近づけることによる効果を得ることができる。あるいは、所望のS/C比を実現するために不足する水蒸気の一部を水素の酸化により生成する場合に、改質器における水素生成量の目標値をより低く設定し直して、S/Cを所望の値に維持することとしても良い。
また、改質器では部分酸化反応を行なわず、改質器には外部加熱装置を設けて、水蒸気改質反応のみにより水素を生成することとしても良い。この場合には、通常は改質器には酸素は供給せず、改質器で水蒸気生成のために水素の酸化を行なう場合のみ、改質器に酸素を供給すればよい。このような構成としても、本発明を適用し、必要に応じて改質器内で水素の酸化反応を進行させることで、改質反応時の水蒸気不足を防止し、S/C比を所望の値に維持することが可能となる。なお、このような場合には、改質器内で水蒸気が充分量確保されている間は、酸素源である空気やカソードオフガスを改質器に供給しないため、これらの酸素源中の反応に寄与しない成分(窒素など)が、燃料電池に供給される燃料ガス中に混合されることがない。従って、燃料電池において、燃料ガス中の水素分圧を高く維持することができ、発電効率を向上させることができる。
第1ないし第3実施例では、カソードオフガスを改質器に供給して、カソードオフガス中の水蒸気および酸素を改質反応で利用しており、改質器内で水蒸気が不足する場合のみ、改質器に対して水素を供給している。このようにカソードオフガスを改質器に供給する燃料電池システムでは、通常運転時(カソードオフガス中の水蒸気量が不足しないとき)にも改質器に水素を供給する運転制御を行なうことで、改質効率および発電効率を向上させることが可能となる。
30,130…改質器
32…混合器
34,349…ポンプ
38…切り替え弁
40…燃料電池
42…熱交換器
44,45…ブロワ
46…浄化器
50…制御部
61…カソードオフガス排出路
62,63…配管
60…カソードオフガス供給路
64…アノードオフガス供給路
137…酸化触媒
138…改質触媒
139…混合部
235…切り替え弁
265…第1改質燃料路
266…第2改質燃料路
333…蒸発器
347…ブロワ
349…ポンプ
Claims (19)
- 改質燃料から水素を生成する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備える燃料改質装置。 - 請求項1記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記増加変動時に供給された前記改質燃料量に対する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する制御部を備える
燃料改質装置。 - 請求項2記載の燃料改質装置であって、
前記制御部は、さらに、前記水素供給部が供給する水素量に応じた酸素量を前記触媒部に供給するように前記酸素供給部を制御する
燃料改質装置。 - 請求項1ないし3いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水蒸気供給部は、水を気化させる蒸発器を備える燃料改質装置。 - 請求項1ないし4いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記触媒部は、さらに酸化触媒を備え、
前記水素供給部および前記酸素供給部は、それぞれ、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように、水素および酸素を前記触媒部に供給する
燃料改質装置。 - 請求項1ないし5いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水素供給部は、水素を貯蔵する水素タンクを備え、該水素タンクに貯蔵した水素を前記触媒部に供給する
燃料改質装置。 - 請求項1ないし5いずれか記載の燃料改質装置であって、
前記水素供給部は、前記触媒部で生成された水素を前記触媒部に供給する
燃料改質装置。 - 改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
水蒸気および酸素を含有すると共に前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを、前記触媒部に供給するカソードオフガス供給部と、
前記触媒部に水素を供給する水素供給部と、
を備える
燃料改質装置。 - 請求項8記載の燃料改質装置であって、
前記水素供給部は、前記改質燃料供給部が供給する前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に水素を供給する
燃料改質装置。 - 請求項9記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記触媒部に供給される前記改質燃料の量が、前記燃料電池に対する要求発電量に応じた量の水素を前記触媒部で生成するために要する改質燃料の量である必要改質燃料量となるように、前記改質燃料供給部を制御する改質燃料制御部と、
前記必要改質燃料量が増加変動する際に、前記必要改質燃料量に対する前記水蒸気供給部が供給する前記水蒸気量の割合が、所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給するように前記水素供給部を制御する水素制御部と
を備える燃料改質装置。 - 請求項8記載の燃料改質装置であって、さらに、
前記燃料電池のカソードに、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記燃料電池が発電すべき発電量と、前記燃料電池における発電効率とに基づいて、前記酸化ガス供給部が供給する前記酸化ガス量を制御する酸化ガス制御部と、
前記カソードオフガス供給部によって前記触媒部に前記水蒸気および前記酸素が供給されて、前記触媒部内で、前記水蒸気改質反応と共に、前記改質燃料を用いて水素の生成を伴う酸化反応である部分酸化反応が進行する際に、前記水素供給部を制御して前記触媒部に前記水素を供給させる水素制御部と
を備える燃料改質装置。 - 改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部と、
該触媒部に前記改質燃料を供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記改質燃料供給部から供給される前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に、水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを供給する水素供給部と、
前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備える燃料改質装置。 - 改質燃料から水素を生成し、生成した水素を燃料電池のアノードに供給する燃料改質装置であって、
改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒と共に、酸化触媒を備える触媒部と、
前記改質燃料の一部を、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給し、前記改質燃料の残りを、前記改質触媒に供給する改質燃料供給部と、
前記触媒部に前記水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
水素を含有すると共に前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを、前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に供給する水素供給部と、
前記酸化触媒を経由した後に前記改質触媒に到達するように前記触媒部に酸素を供給する酸素供給部と
を備える燃料改質装置。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池と、請求項1ないし13いずれか記載の燃料改質装置と
を備え、
前記燃料改質装置が生成した水素を、前記燃料電池のアノードに供給して発電を行なう
燃料電池システム。 - 改質燃料から水素を生成する燃料改質方法であって、
(a)前記改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を促進する改質触媒を備える触媒部に対して、前記改質燃料および前記水蒸気と共に水素を供給する工程と、
(b)前記(a)工程で供給する前記改質燃料の量が増加変動する際に、前記触媒部に供給した前記水蒸気に加えて、前記触媒部において前記水素の酸化によって生じた水蒸気を用いて、前記水蒸気改質反応を進行させる工程と
を備える燃料改質方法。 - 請求項15記載の燃料改質方法であって、
前記(a)工程は、前記改質燃料量に対する前記水蒸気量の割合が所定値を下回るときには、前記割合を前記所定値に近づけるための水蒸気を生成可能となる水素量を前記触媒部に供給する
燃料改質方法。 - 請求項15または16記載の燃料改質方法であって、
前記(b)工程は、
(b−1)前記(a)工程で供給された前記水素量に応じた酸素量を前記触媒部に供給して前記水素を酸化させる工程を備える
燃料改質方法。 - 燃料電池のアノードに供給するための水素を改質燃料から生成する燃料改質方法であって、
(a)前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の酸素を用いて水素を酸化し、水蒸気を生成させる工程と、
(b)改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を進行させる際に、前記カソードオフガス中の水蒸気と共に、前記(a)工程で生成した水蒸気を用いて水素を生成させる工程と、
を備える燃料改質方法。 - 燃料電池のアノードに供給するための水素を改質燃料から生成する燃料改質方法であって、
(a)前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス中の水素を酸化させて水蒸気を生成させる工程と、
(b)改質燃料を酸化させて水蒸気を生成させる工程と、
(c)改質燃料と水蒸気とを用いて水素を生成する水蒸気改質反応を進行させる際に、該水蒸気改質反応に用いる水蒸気の一部として、前記(a)工程で生成させた水蒸気に加えて前記(b)工程で生成させた水蒸気を用いる工程と、
を備える燃料改質方法。
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