JP2005209401A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池、改質部を含む経路を循環するエアに確実に水分を供給することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 炭化水素系燃料と、カソードオフガスの供給を受けて、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質器１２と、アノード１４ａに改質ガスの供給を受けると共に、カソード１４ｂに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池１４と、アノードオフガスの水分を回収し、カソードガスに水分を供給する加湿器３２と、カソードガスの流路において加湿器３２よりも下流側に設けられ、カソードガスを改質器１２へ送るカソードポンプ３４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を生成する改質部を備えた燃料電池システムに適用して好適である。

燃料電池を発電装置として用いる場合、燃料電池のアノードに水素を供給する必要がある。アノードに供給する水素を発生させるため、ガソリン、メタノール、天然ガスなどの炭化水素系燃料から改質反応により水素を取り出す方法が知られている。

改質反応としては、水蒸気改質反応、部分酸化反応など種々の反応がある。一例として、ガソリンの一成分であるイソオクタン（Ｃ_８Ｈ_１８）について、その改質反応を以下に示す。

Ｃ_８Ｈ_１８＋８Ｈ_２Ｏ → ８ＣＯ＋１７Ｈ_２ ・・・（１）
Ｃ_８Ｈ_１８＋４Ｏ_２ → ８ＣＯ＋９Ｈ_２ ・・・（２）

上記（１）式で表される反応は水蒸気改質反応であり、上記（２）式で表される反応は部分酸化反応である。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、部分酸化反応は発熱反応である。通常、これらの改質反応は改質器と呼ばれる反応器内で行われる。これらの改質反応は、いずれか１つを採用することもできるが、双方を同時に１つの改質器内で起こすことも可能である。

このように、改質反応により水素を生成するシステムにおいて、特開２００２−２４６０４９号公報には、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス、またはカソードから排出されたカソードオフガス中の水分を、湿度交換器を介して部分酸化反応用のエアに供給するシステムが開示されている。そして、同公報には、湿度交換器の上流に配置した送風機から湿度交換器にエアを送り、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水分（水蒸気）を湿度交換器に供給したエアに含ませて、改質部へ供給する構成が開示されている。

特開２００２−２４６０４９号公報 特開２０００−１９５５３４号公報 特開平６−２９０３６号公報

しかしながら、特開２００２−２４６０４９号公報に開示された構成では、湿度交換器の上流から湿度交換器へエアを押し込む方法を用いているため、湿度交換器内に押し込まれたエアの圧力が高くなるという問題がある。これにより、押し込まれたエアの水蒸気分圧が高くなり、アノードオフガスまたはカソードオフガス中の水蒸気が押し込まれたエア側に十分に供給されなくなるという問題が生じる。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池、改質部を含む経路を循環するエアに確実に水分を供給することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料と、改質用ガスの供給を受けて、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、システム内の水分含有ガスの水分を回収し、前記改質用ガスに水分を供給する加湿器と、前記改質用ガスの流路において前記加湿器よりも下流側に設けられ、前記改質用ガスを前記改質部へ送る改質用ガス供給ポンプと、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質用ガスとして前記改質部に供給することを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記カソードガスの流路において、前記加湿器は前記カソードよりも上流に設けられ、前記改質用ガス供給ポンプは前記加湿器と前記カソードの間に設けられていることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明のいずれかにおいて、前記水分含有ガスは、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記改質部を加熱して排出された燃焼オフガスであることを特徴とする。

第５の発明は、上記の目的を達成するため、炭化水素系燃料と、改質用ガスの供給を受けて、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、システム内の水分含有ガスの水分を回収し、前記カソードガスに水分を供給する加湿器と、前記カソードガスの流路において前記加湿器よりも下流側に設けられ、前記カソードガスを前記カソードへ送るカソードガス供給ポンプと、を備えたことを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質用ガスとして前記改質部に供給することを特徴とする。

第７の発明は、第５又は第６の発明において、前記カソードガス供給ポンプは、前記カソードガスの流路において、前記加湿器と前記カソードの間に設けられていることを特徴とする。

第８の発明は、第５〜第７の発明のいずれかにおいて、前記水分含有ガスは、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記改質部を加熱して排出された燃焼オフガスであることを特徴とする。

第１の発明によれば、加湿器の下流に改質用ガス供給ポンプを設けたため、加湿器内において改質用空気の圧力を十分に低下させることができ、水分含有ガス中の水蒸気を容易に改質用ガス中に移動することが可能となる。従って、改質用ガス中の水蒸気量をより増加させることができ、改質反応の原料としての水蒸気を十分に供給することが可能となる。これにより、安定して改質反応を行うことが可能となり、システム制御の自由度を高めることができる。

第２の発明によれば、カソードオフガスを改質用ガスとして改質部に供給することで、加湿器とカソードの双方において水分を供給することが可能となる。従って、改質用ガスにより多くの水分を含ませることができる。

第３の発明によれば、加湿器とカソードの間に改質用ガス供給ポンプを設けたため、カソードで生成された水分が改質用ガス供給ポンプを通過することがなく、改質用ガス供給ポンプの劣化を抑えることができる。

第４の発明によれば、水分含有ガスとしてアノードオフガス又は燃焼オフガスを用いることで、アノードオフガス又は燃焼オフガス中の水分を改質用ガスに供給することができる。

第５の発明によれば、加湿器の下流にカソードガス供給ポンプを設けたため、加湿器内においてカソードガスの圧力を十分に低下させることができ、水分含有ガス中の水蒸気を容易にカソードガス中に移動することが可能となる。従って、カソードガス中の水蒸気量をより増加させることができ、燃料電池のカソードを良好に加湿することが可能となる。

第６の発明によれば、カソードから排出されるカソードオフガスを改質部に供給することで、カソードオフガス中の酸素、水蒸気を改質反応の原料として用いることができる。

第７の発明によれば、加湿器とカソードの間に改質用ガス供給ポンプを設けたため、カソードで生成された水分が改質用ガス供給ポンプを通過することがなく、改質用ガス供給ポンプの劣化を抑えることができる。

第８の発明によれば、水分含有ガスとしてアノードオフガス又は燃焼オフガスを用いることで、アノードオフガス又は燃焼オフガス中の水分を改質用ガスに供給することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。燃料電池システム１０は、主として、炭化水素系燃料、水、空気を原料として、水素リッチな燃料ガス（改質ガス）を生成する外部加熱可能な熱交換型の改質器１２と、改質ガスを燃料とし、空気を酸化ガスとして用いて、電力を発生する燃料電池１４とを有している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１４と改質器１２を組み合わせて一体化することで構成されている。

燃料電池１４は、発電を行う際に水（水蒸気）を生成する種類のものであればよく、具体的には、固体高分子型（ＰＥＭ）、固体電解質型（ＳＯＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、水素分離膜型等の燃料電池である。例えば固体高分子型を例に挙げると、燃料電池１４は、アノード１４ａ、カソード１４ｂ、および電解質膜、セパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。アノード１４ａ、カソード１４ｂの間には、燃料ガス（改質ガス）および酸化ガスの流路が形成されている。電解質膜はフッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。アノード１４ａおよびカソード１４ｂは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。

改質器１２は、その機能上から、上記（１）式、（２）式で表される改質反応を生じさせる改質側と、改質反応を行うための熱を供給する燃焼側とに分けることができる。改質側には、インジェクション１６から燃料としてイソオクタン（Ｃ_８Ｈ_１８）を一成分とするガソリンが供給される。また、改質側には水蒸気と空気（酸素）が供給される。図１に示すように、本実施形態では、カソード１４ｂと改質側を接続するカソードオフガス流路１８を設け、カソード１４ｂから排出されたカソードオフガスを改質側に供給することで、改質側で必要となる水蒸気、酸素を供給している。

インジェクション１６から供給されたガソリンと、カソードオフガス流路１８から供給された水蒸気、空気は、改質器１２の予混合部１２ａで混合される。そして、改質側に供給されたこれらのガソリン、水蒸気、空気から、上記（１）式、（２）式で表される改質反応が行われる。なお、改質側へ送る燃料としては、天然ガスなどの他の炭化水素燃料やアルコールなどの含酸素燃料など、種々の炭化水素系燃料を用いることもできる。また、その他、エーテル、アルデヒドなどを燃料として用いることもできる。

改質反応を促進するため、改質側には改質用触媒が備えられている。ガソリンや天然ガスを原料とする場合には、例えばニッケル触媒やロジウム貴金属を改質用触媒として用いることができ、メタノールを原料とする場合には、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒などが有効であることが知られている。

改質器１２の燃焼側には、燃焼器２０が接続されている。燃焼器２０にはアノードオフガス流路２２が接続されており、アノード１４ａから排出されたアノードオフガスが燃焼器２０へ送られる。アノードオフガス流路２２には流量調整三方弁２４が設けられており、流量調整三方弁２４によってアノードオフガスの適量を排気することで燃焼器２０へ供給するアノードオフガス量を制御できる。また、燃焼器２０には、燃焼用エアポンプ２６から燃焼用空気が送られる。

アノードオフガス中には、アノード１４ａで反応しなかった改質ガス中の水素が残存しているため、アノードオフガスを燃焼器２０で加熱することで水素を燃焼させ、発生した高温の燃焼ガスを改質器１２の改質側へ供給する。なお、燃焼器２０を設けずに、アノードオフガスと燃焼用空気を改質器１２の燃焼側へ直接供給して、触媒反応により熱を発生させても良い。燃焼側から排出された排気ガス（燃焼オフガス）は、燃焼オフガス流路２８を通って排気される。

このように、改質器１２の燃焼側から熱を供給することで、予混合部１２ａで混合されたガソリン、水蒸気、空気（酸素）が反応し、上記（１）式、（２）式で示した水蒸気改質反応と部分酸化反応が併せて起こり、改質用触媒がそれらの反応を促進して、水素リッチな改質ガスが生成される。

改質反応により生成された水素リッチな改質ガスは、改質器１２と隣接する燃料電池１４のアノード１４ａに供給される。一方、燃料電池１４のカソード１４ｂには、カソードガス流路３０から酸化ガスとしての空気（カソードガス）が供給される。燃料電池１４のアノード１４ａでは、改質ガスが送り込まれると、この改質ガス中の水素から水素イオンを生成し（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）、カソード１４ｂは、酸化ガスが送り込まれると、この酸化ガス中の酸素から酸素イオンを生成し、燃料電池１４内では電力が発生する。また、これと同時にカソード１４ｂにおいて、上記の水素イオンと酸素イオンとから水が生成される（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。この水のほとんどは、燃料電池１４内で発生する熱を吸収して水蒸気として生成される。

アノードオフガス流路２２は加湿器３２に導入されている。また、加湿器３２にはカソードガス流路３０も導入されている。加湿器３２内では、アノードオフガス流路２２とカソードガス流路３０の間に水蒸気透過膜が設けられており、水蒸気透過膜を透過した水蒸気がアノードオフガス流路２２とカソードガス流路３０の間で移動する。水蒸気の移動は、アノードオフガスとカソードガスにおける、それぞれの水蒸気分圧に依存する。

上記（１）式において、改質反応の原料としての水蒸気は反応に必要な理論値よりも多く供給されるため、アノード１４ａに送られる改質ガス中には余剰分の水蒸気が含まれている。水蒸気はアノード１４ａでは反応しないため、アノードオフガスは水蒸気を多く含んでいる。一方、カソードガスは常温の空気であり、水蒸気を殆ど含まない。このため、加湿器３２内では、アノードオフガス中の水蒸気がカソードガス中に移動する。従って、アノードオフガス中の水分（水蒸気）を回収してカソードガスに供給することが可能となる。

カソードガス流路３０の加湿器３２よりも下流には、カソードポンプ３４が設けられている。カソードポンプ３４は、上流のカソードガス流路３０内のカソードガスを吸い出してカソード１４ｂへ送る機能を有している。加湿器３２内ではカソードポンプ３４によってカソードガスが吸引されるため、加湿器３２内のカソードガスの圧力は負圧もしくは大気圧程度の低い圧力となる。このように、カソードポンプ３４を加湿器３２よりも下流に設けることで、加湿器３２内におけるカソードガスの圧力を十分に低下させることができる。

従って、加湿器３２よりも上流にカソードポンプを設けた場合と比較すると、加湿器３２内のカソードガスの全圧をより低下させることができる。上述したように加湿器３２内における水蒸気の移動は、アノードオフガスとカソードガス中の水蒸気分圧に依存するため、カソードガスの圧力を十分に低下させることで、アノードオフガスからカソードガスへの水蒸気の移動が良好に行われることとなる。これにより、加湿器３２において、カソードガス中に多量の水分を含ませることが可能となり、また、カソード１４ｂを良好に加湿することができる。プロトン伝導を行う燃料電池では、反応に起因する水蒸気は主としてカソード１４ｂ側で生成される。カソード１４ｂを良好に加湿することでカソード流路内部における水蒸気濃度を高く保持することができ、電解質膜からカソード１４ｂへの水分の持ち去り分を低減することができる。この結果、改質ガス中に含まれる水分量が低レベルとなる条件下であっても電解質膜の含水率を良好にすることができ、燃料電池１２をより安定して動作させることが可能となる。

燃料電池１４内で電力が発生するとカソード１４ｂにおいて水蒸気が生成されるため、カソード１４ｂから排出されるカソードオフガスには、更に水分が含まれることとなる。従って、本実施形態のシステムによれば、加湿器３２とカソード１４ｂにおいて２段階に水分を供給することができ、この結果、多量の水分をカソードオフガスに含ませることができる。

なお、カソードポンプ３４をカソード１４ｂよりも下流に配置すると、より多くの水蒸気がカソードポンプ３４を通過することとなり、水蒸気によってカソードポンプ３４が劣化することが懸念される。従って、図１に示すように、加湿器３２とカソード１４ｂの間にカソードポンプ３４を配置することが好適である。

上記（１）式、（２）式による改質反応では、供給される酸素量が過度に多くなると、ガソリン（イソオクタン）が完全酸化して水蒸気が生成されてしまい、水素を生成することができなくなる。従って、改質反応を適正に行うためには、改質側へ最適な量の酸素を送る必要がある。一方、改質反応に使われる水蒸気については、水蒸気量が多いほど安定して改質反応を行うことができる。従って、改質反応を起こす場合、改質原料の炭素（Ｃ）に対する水蒸気（Ｈ_２Ｏ）のモル数の比率（Ｓ／Ｃ）をできるだけ大きくしておくことが望ましい。

カソードオフガス中の酸素、水蒸気を改質反応の原料として用いる場合において、最適な量の酸素を改質側に供給するために、酸素量に基づいてカソードオフガス量を調整すると、改質側に送られる水蒸気量が不足し、改質原料のＳ／Ｃが低下してしまう場合がある。本実施形態では、加湿器３２によって予めカソードガス中に水蒸気を供給しているため、カソードガス中の酸素量に基づいて改質側へのカソードオフガス供給量を調整した場合であっても、改質側へ十分な量の水蒸気を供給することができる。従って、改質原料のＳ／Ｃを常に高く維持することができ、安定して改質反応を行うことが可能となるとともに、システム制御の自由度を高めることができる。

更に、アノードオフガスから水分を取り除くことにより、燃焼器２０に水分が送られてしまうことを抑止できる。これにより、燃焼器２０における燃焼効率を高めることができ、燃焼安定性を向上させることができる。

カソードオフガスを改質側へ送るカソードオフガス流路１８には、流量調整三方弁３６、蒸気流量計３８、調圧弁が設けられている。このうち、流量調整三方弁３６は、改質側へ供給するカソードオフガスを分配し、適量を排気する機能を有している。改質側へ送るカソードオフガス量の制御は、カソードオフガス中の酸素量に基づいて流量調整三方弁３６の開度を可変することにより行う。なお、カソードオフガス中の酸素量は、センサにより求めても良いし、カソードへの酸素供給量とカソードにおける反応量から算出しても良い。また、蒸気流量計３８で検出した水蒸気量が、インジェクタ１６から供給した燃料量に対して不足している場合は、カーボンの排出を抑えるため、インジェクタ１６から供給する燃料量を減少させる等の処理を行うことが望ましい。

以上説明したように実施の形態１によれば、加湿器３２の下流にカソードポンプ３４を設けたため、カソードポンプ３４よりも上流におけるカソードガスの圧力を十分に低下させることが可能となる。これにより、加湿器３２においてカソードガス中の水蒸気分圧を低下させることができ、アノードオフガス中の水蒸気を容易にカソードガス中に移動することが可能となる。従って、カソードオフガス中の水蒸気量をより増加させることができ、改質反応の原料としての水蒸気を十分に供給することが可能となる。これにより、安定して改質反応を行うことが可能となり、システム制御の自由度を高めることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、実施の形態２にかかる燃料電池システム１０の構成を示す模式図である。実施の形態２の燃料電池システム１０の基本的な構成は実施の形態１と同様である。

実施の形態１と同様に、燃焼器２０で発生させた高温の燃焼ガスが改質器１２の燃焼側へ送られ、燃焼側から排出された燃焼オフガスは、燃焼オフガス流路２８を通って大気放出される。燃焼オフガスは、燃焼器２０でアノードオフガス中の水素を燃焼させて生成されたガスであるため、燃焼オフガス中には水蒸気が含まれている。

実施の形態２は、実施の形態１と同様に加湿器３２からカソードガスに水分を供給するものであるが、加湿器３２内に燃焼オフガス流路２８とカソードガス流路３０を導入している。加湿器３２内では、燃焼オフガス流路２８とカソードガス流路３０の間に水蒸気透過膜が設けられており、水蒸気透過膜を透過した水蒸気が燃焼オフガス流路２８とカソードガス流路３０の間で移動する。ここで、燃焼オフガス中には水蒸気が含まれ、カソードガスには水分が殆ど含まれないため、燃焼オフガス中の水蒸気はカソードガス中に移動する。従って、加湿器３２において燃焼オフガス中の水分を回収してカソードガスに供給することが可能となる。

カソードガス流路３０の加湿器３２よりも下流には、カソードガスをカソード１４ｂへ送るためのカソードポンプ３４が設けられている。実施の形態１と同様に、加湿器２８内における水蒸気の移動は、燃焼オフガスとカソードガスにおける、それぞれの水蒸気分圧に依存するため、カソードポンプ３４を加湿器３２よりも下流に配置することで、カソードガスの圧力をより低下させることができ、燃焼オフガスからカソードガスへの水蒸気の移動を容易に行うことができる。

以上説明したように実施の形態２によれば、加湿器３２の下流にカソードポンプ３４を設けたため、カソードポンプ３４よりも上流におけるカソードガスの圧力を十分に低下させることが可能となる。これにより、カソードガス中の水蒸気分圧を低下させることができ、加湿器３２内において燃焼オフガス中の水蒸気を容易にカソードガス中に移動することが可能となる。従って、カソードオフガス中の水蒸気量をより増加させることができ、改質反応の原料としての水蒸気を十分に供給することが可能となる。これにより、改質反応を安定して行うことが可能となり、システムの自由度を高めることができる。

なお、上述した各実施の形態では、加湿器３２によってカソードガスに水分を供給し、水分を多く含むカソードオフガスを改質器１２の改質側へ供給することとしたが、水分を多く含むカソードオフガスを他の用途に利用してもよい。

本発明の実施の形態１にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる燃料電池システムの構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 改質器
１４ 燃料電池
１４ａ アノード
１４ｂ カソード
３２ 加湿器
３４ カソードポンプ

Claims (8)

1. 炭化水素系燃料と、改質用ガスの供給を受けて、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
   アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
   システム内の水分含有ガスの水分を回収し、前記改質用ガスに水分を供給する加湿器と、
   前記改質用ガスの流路において前記加湿器よりも下流側に設けられ、前記改質用ガスを前記改質部へ送る改質用ガス供給ポンプと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質用ガスとして前記改質部に供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記カソードガスの流路において、前記加湿器は前記カソードよりも上流に設けられ、前記改質用ガス供給ポンプは前記加湿器と前記カソードの間に設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記水分含有ガスは、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記改質部を加熱して排出された燃焼オフガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 炭化水素系燃料と、改質用ガスの供給を受けて、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部と、
   アノードに前記改質ガスの供給を受けると共に、カソードに酸素を含むカソードガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池と、
   システム内の水分含有ガスの水分を回収し、前記カソードガスに水分を供給する加湿器と、
   前記カソードガスの流路において前記加湿器よりも下流側に設けられ、前記カソードガスを前記カソードへ送るカソードガス供給ポンプと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記カソードから排出されるカソードオフガスを前記改質用ガスとして前記改質部に供給することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記カソードガス供給ポンプは、前記カソードガスの流路において、前記加湿器と前記カソードの間に設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の燃料電池システム。
8. 前記水分含有ガスは、前記アノードから排出されたアノードオフガス、又は前記改質部を加熱して排出された燃焼オフガスであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。

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