JP2008243675A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池を加熱および冷却するための機器を必要としない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】炭化水素系の燃料を供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、前記燃料供給手段、水供給手段および酸素供給手段に接続され、燃料と酸素を燃焼反応させる触媒を収容した燃焼容器と、前記燃焼容器に接続され、燃料と水を反応させて水素含有ガスに変換する改質器と、前記燃焼容器と熱移動可能に配置され、酸素含有ガスと、前記改質器から供給される水素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御して、前記燃焼容器に供給される燃料、水および酸素含有ガスの流量を調節する制御部とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】 図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、パーソナルコンピューターや携帯電話などの電子機器の小型化は目覚しいものがある。これら電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は燃料と酸化剤を供給するのみで発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型電子機器の電源として極めて有効である。このような燃料電池に関しては、メタノールをアノードに直接供給することによって発電する直接型メタノール燃料電池や、有機燃料を改質器により水素ガスに改質してその水素ガスを固体高分子型燃料電池のアノードに供給することによって発電する燃料改質型燃料電池などが提案されている。
改質型燃料電池においては、アルコール類やジメチルエーテルを改質して得られる気体(改質ガス)は、水素のほかに副生物として二酸化炭素や約1%の一酸化炭素を含んでいる。一酸化炭素(CO)は、燃料電池スタックのアノード触媒を劣化させ、発電性能を低下させる原因となる。このため、改質器から燃料電池セルへ水素を含む気体を供給するときに、COシフト器を用いて一酸化炭素を二酸化炭素に変換したり、CO選択酸化器やCOメタン化器を用いて一酸化炭素を二酸化炭素やメタンに変換したりすることによって、一酸化炭素の濃度を低減する燃料電池システムも開発されている。
ここで、燃料電池は、温度が低い起動時や冷機状態においては電解質膜上の触媒の活性が低いため発電能力も低い。一方、発電時に燃料電池が高温であれば、触媒活性が高いうえにCO耐性も高いため、発電性能を保てることが知られている。なお、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜に代表される高分子電解質膜を用いた、いわゆる中温型燃料電池はCO耐性が非常に高いため、約1%程度の一酸化炭素が含まれる改質ガスをそのまま燃料電池に導入して発電することも可能である。ただし、CO耐性が高いのは燃料電池温度が高い場合に限られる。しかも、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜は、凝縮水が生じるとリン酸が溶出するという問題があるため、運転時に水が凝縮しない温度まで加温する必要がある。
従来、起動時や冷機状態に燃料電池を加熱する燃料電池システムが提案されている。たとえば、特許文献1は、燃料電池の冷却水を供給する流路に加熱手段を設けて、始動時の暖機を行う燃料電池システムを開示している。また、特許文献2は、燃料電池内部に冷却水流路および触媒燃焼流路を設け、加温と冷却を行うようにした燃料電池システムを開示している。
特開平7−94202号公報 特開2004−281074号公報
特許文献1のシステムは、循環水をヒーターによって加熱して燃料電池を暖機するので、ヒーター駆動のためのバッテリーやそれに伴う電気回路が必要となるという問題が生じる。ヒーターの代わりに燃焼によって加温を行なう構成ではバッテリーやそれに伴う電気回路は不要であるが、循環水流路にはデッドボリュームが存在するため、燃料電池の暖機時にデッドボリューム内の循環水全体を加熱するためエネルギーロスが大きくなる。また、循環水による燃料電池の暖機や冷却を行なうために、循環ポンプ、ラジエーター、ヒーターなど多くの装置を複雑に制御する必要があり、小型化や簡略化を妨げる要因になる。
特許文献2のシステムも同様に循環水流路を用いるため、特許文献1と同様の装置が必要になるという問題がある。冷却水循環流路と燃焼流路とを一体化すれば、燃料電池スタックの温度状況に応じて、燃料電池を冷却する場合には循環水を流して冷却し、燃料電池を加熱する場合には流路内の触媒によって燃焼反応させることは可能である。しかし、2つの流路を切り替える必要が生じるため、バルブやバルブを駆動させるための回路が必要となり、システムが複雑になる。
本発明の目的は、燃料電池を加熱するためにヒーター駆動のためのバッテリーおよびそれに伴う電気回路などを必要とせず、燃料電池を冷却するために循環水を循環させる循環ポンプやラジエーターを必要としない燃料電池システムを提供することにある。
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、炭化水素系の燃料を供給する燃料供給手段と、水を供給する水供給手段と、酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、前記燃料供給手段、水供給手段および酸素供給手段に接続され、燃料と酸素を燃焼反応させる触媒を収容した燃焼容器と、前記燃焼容器に接続され、燃料と水を反応させて水素含有ガスに変換する改質器と、前記燃焼容器と熱移動可能に配置され、酸素含有ガスと、前記改質器から供給される水素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御して、前記燃焼容器に供給される燃料、水および酸素含有ガスの流量を調節する制御部とを有することを特徴とする。
本発明によれば、燃焼容器での燃焼により燃料電池を加熱し、燃焼容器での気化により燃料電池を冷却することができるので、従来技術で必要であった燃料電池の加熱・冷却のための機器を省略することができ、小型化が可能な燃料電池システムを提供することができる。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システムの概略を説明する。
燃料電池20は、高分子電解質膜21aと、高分子電解質膜21aの一方の面に形成された燃料極(アノード極)21bと、高分子電解質膜21aの他方の面に形成された酸化剤極21c(カソード極)とを備えている。燃料電池20は酸素含有ガスと水素含有ガスとの発熱を伴う電気化学的な反応によって発電する。
炭素と水素を含有する有機化合物からなる燃料は燃料容器1に収容されている。燃料は燃料容器1から燃料供給手段である流量調節器2を通して燃焼容器3に供給される。水は水容器8に収容されている。水は水容器8から水供給手段である流量調節器9を介して燃焼容器3に供給される。酸素含有ガス(空気)は酸素供給手段(送気ファン)40を通して燃焼容器3に供給される。燃焼容器3には燃料と酸素を燃焼反応させる触媒が収容されている。燃焼容器3に隣接して燃料電池20が熱移動可能に配置されている。
燃焼容器3を経由して改質器4に供給された燃料と水は水素含有ガスに変換される。改質器4で生成した水素含有ガスは、COシフト器5へ送られてCOが低減され、さらにCO除去器6へ送られてCOが除去される。COが低減された水素含有ガスが燃料電池20の燃料極21bに導入され、一方で酸素含有ガスである空気が酸素供給手段(送気ファン)41によって燃料電池20の酸化剤極21cに導入されて発電が行われる。燃料極21bからの未反応水素ガスを含む排ガスは、酸素供給手段(送気ファン)42からの空気とともに燃焼器7へ送られ、燃焼器7での燃焼反応によって改質器4が加熱される。燃料電池20には温度検出器25が設けられている。温度検出器25は燃料電池20の温度に応じて、燃料の流量調節器2、水の流量調節器9、および酸素供給手段(送気ファン)40を制御する制御部として機能する。
以下、第1の実施形態の燃料電池システムの詳細について説明する。
燃料容器1および水容器8としては、たとえば圧力容器を用いることができる。また、燃料容器1や水容器8を樹脂などの透明な材質で形成すれば、内容量を目視により確認できるため好ましい。
燃料容器1には、炭素と水素を含有する有機化合物からなる燃料として、ジメチルエーテル(DME)、ブタン、液化天然ガス(LNG)、メタノールなどが収容されている。たとえば、ジメチルエーテル(DME)は、飽和蒸気圧が大気圧より高圧であり、常温で約6気圧の圧力を有する。燃料容器1には、燃料ガスの流量を調節する制御可能な流量調節器2が接続されている。加圧された燃料ガスは、流量調節器2を制御することにより、燃料容器1から所定の流量で流出し、配管により燃焼容器3へと供給される。水容器8には水が収容されている。水容器8には、水の流量を調節する制御可能な流量調節器9が備えられている。水は、流量調節器9を制御することにより、水容器8から所定の流量で流出し、配管により燃焼容器3へと供給される。酸素含有ガス(空気)は、酸素供給手段(送気ファン)40を制御することにより、所定の流量で燃焼容器3へと供給される。
図2は燃焼容器3の構造を示す斜視図である。燃焼容器3は、燃料電池20の燃料極21bの壁面に接して載置された容器本体50と、容器本体50内に嵌め込まれマイクロチャネル流路を形成するチャネル構造体51と、蓋52とを有する。蓋52は容器本体50を密閉するようにTIG溶接やレーザー溶接などを用いて溶接されている。容器本体50には、燃料、水、空気の供給配管、および改質器4への配管が接続されている。
このように燃料電池20(燃料極21b)の壁面に接して燃焼容器3の容器本体50を設置することによって、燃料電池20と燃焼容器3との間で互いに熱移動させることができる。燃焼容器3の形状や配置位置は、燃料電池20との間で熱移動が行なわれるような構成であれば、特に限定されない。
図2のチャネル構造体51の壁面は容器本体50の底面に対して垂直なトレンチを有する平行流路を形成しているが、チャネル構造体51の壁面の構造は任意であり、たとえばサーペンタイン流路などでもよい。チャネル構造体51は直線的な流路を有する形状であれば、ワイヤ加工により作製することができる。チャネル構造体51の壁面には燃焼触媒が設けられている。
燃焼触媒としては、燃料としてメタノールを用いる場合、白金−アルミナ系触媒(Pt/Al23)、パラジウム−アルミナ系触媒(Pd/Al23)などが挙げられる。これらの燃焼触媒は、(1)式に示すように、メタノールと酸素との燃焼により、水と二酸化炭素を生成する反応を促進する。
CH3OH+O2→2H2O+CO2 (1)。
燃焼容器3による燃料電池20の温度制御について概略的に説明する。
上述したように、燃料電池において、高い触媒活性および高いCO耐性を得るため、ならびに必要であれば凝縮水によるリン酸の溶出を防止するためには、燃料電池の温度がある程度高いことが要求される。そこで、起動時など、燃料電池20の温度が所定範囲より低い場合には、燃焼容器3に燃料と空気のみを導入して燃焼反応させる。こうして、燃焼熱を燃焼容器3に隣接した燃料電池20に伝え、燃料電池20の温度を迅速に上昇させ、迅速な起動を可能にする。このように、本実施形態においては、燃料電池20を加熱して起動するために電気ヒーターを利用しないので、電気ヒーターのための電気エネルギーやヒーター動作を制御する電気回路などが不要になる。
一方、定常発電時には燃料電池20は発電に伴って発熱する。このとき、燃焼容器3へ燃料と水のみを供給し、燃料電池20の発熱によって燃料および水を加熱して気化させ、一方で気化熱によって燃料電池20を冷却して、燃料電池20の温度を所定範囲に保つようにする。なお、燃料および水の気化熱を利用しても、燃料電池20の温度が所定範囲を超える場合には冷却ファンなどの他の冷却装置により冷却する。
さらに、発電抑制時には、燃料電池20の温度を微調整する。たとえば、燃料電池20から外部へ取り出す出力が少ない場合、または燃料電池20から外部へ全く出力を取り出さず燃料電池20によって燃料電池システムを動作させるためのエネルギーのみをまかなう場合、発電を抑制するので燃料電池20での発熱量が小さくなり、燃料電池20の温度が下降する。そのまま動作を続けると、燃料電池20の温度が所定範囲未満になり、燃料電池20の出力を得るのが困難になることがある。このような場合には、燃料電池20の温度が所定範囲内にあっても、燃焼容器3へ燃料と水と空気を供給して、燃料の一部を燃焼させ、燃料電池20の温度を保つかまたは上昇させる。
このような制御を、以下のような変数を導入して説明する。
Qout:燃料電池20から外部への自然対流による放熱量、
Qpower:燃料電池20の発電による発熱量、
Qin:燃焼容器3内の熱量、
Qcomb:燃焼容器3での燃焼による熱量、
Qvap:燃焼容器3での燃料と水の気化による熱量
(ここで、Qin=Qcomb+Qvap)。
燃料電池20を所定温度範囲に保つには、以下のように制御する。
燃料電池20の温度下降時:Qout<Qpower+Qin、
燃料電池20の温度上昇時:Qout>Qpower+Qin。
上記の条件を満たすには、燃焼容器3へ供給する燃料と水と空気のうち、空気の流量を調節することが考えられる。たとえば、空気の量を増加させると、燃焼による熱量Qcomb、したがってQinを増加させることができる。逆に、空気の量を減少させると、燃焼による熱量Qcomb、したがってQinを減少させることができる。このような制御により、燃料電池20を常時運転状態にして燃料電池20の温度を所定範囲に保つことが可能となり、燃料電池20から外部への出力需要が生じた場合にも即座に対応することができる。
燃焼容器3による燃料電池20の温度制御について具体例を参照してより詳細に説明する。例として、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜を有する出力50W程度の燃料電池20をメタノール改質で運転する場合を示す。
燃料電池20から外部への自然対流による放熱量Qoutを、燃料電池スタックのサイズや断熱材の表面温度から24.6Wと見積もる。
50Wの出力を得るために、メタノール250cc/minと水312.5cc/minを燃焼容器3へ供給して気化させる。このとき、気化による熱量Qvapは約−19.3Wとなる。空気は燃焼容器3へ供給していないので、燃焼熱Qcombは0である。一方、50W出力時の発電による発熱量Qpowerは約44.8Wとなる。このとき、QoutとQpower+Qinとの関係は以下のようになる。
Qout(24.6W)<Qpower(44.8W)+Qin(−19.3W)=25.5W。
このように燃料電池20の放熱量Qoutより燃料電池20の発熱量の方が0.9Wほど大きいがほぼ等しいといえるので、燃料電池20の温度をほぼ所定範囲に保つことができる。ただし、燃料電池20の温度が上昇して所定範囲を超えることもありうるので、これを考慮して冷却ファンなどの冷却システムを設けることが好ましい。
次に、上記と同じ燃料供給量で出力を30Wに抑制する場合を想定する。燃料電池20の放熱量Qoutは上記と同様に24.6Wと見積もられる。30W出力時には発電に伴う発熱量Qpowerは約15.9Wとなる。気化による熱量Qvapは上記と同様に約−19.3Wとなる。このとき、QoutとQpower+Qinとの関係は以下のようになる。
Qout(24.6W)>Qpower(15.9W)+Qin(−19.3W)=−3.4W。
このように燃料電池20の放熱量Qoutより燃料電池20の発熱量の方がかなり小さいため、燃料電池20の温度は下降し続ける。
そこで、空気を供給して燃料の一部を燃焼させ、燃焼による熱量を利用して燃料電池20の温度を上昇させる。たとえば、上記と同じ燃料供給量で、空気350cc/minを追加で供給し、出力を30Wにする場合を想定する。燃料電池20の放熱量Qoutは上記と同様に24.6Wと見積もられる。この条件では、30W出力時には発電に伴う発熱量Qpowerは約20.4Wとなる(同じ30W出力でも、水素利用率などの違いによって発電に伴う発熱量は異なる)。この条件では、気化による熱量Qvapは−20.4Wとなる(同じ燃料流量であっても、空気が存在するため空気の加熱の為のエネルギーなどが消費され熱量は異なる)。燃焼容器3での燃焼による熱量Qcombは約24.6Wとなる。このとき、QoutとQpower+Qin(=Qcomb+Qvap)との関係は以下のようになる。
Qout(24.6W)=Qpower(20.4W)+Qin(24.6W−20.4W)=24.6W
この場合、燃料電池20の放熱量Qoutと燃料電池20の発熱量が等しくなるため、燃料電池20の温度は保たれる。
また、空気流量を少なくすると、Qcomb(したがってQin)が減少して燃料電池20の温度が下降する。一方、空気流量を多くすると、Qcomb(したがってQin)が増加して燃料電池20の温度が上昇する。
次に、燃料供給量を減少させて出力を20Wに抑制する場合を想定する。たとえば20Wの出力を得るために、燃焼容器3へメタノール150cc/minと水187.5cc/minを供給するとともに燃料の一部を燃焼させるように空気300cc/minを供給する。この条件では、燃料と水の気化による熱量Qvapは約−12.5Wとなり、燃料の燃焼熱Qcombは約21.1Wとなる。一方、20W出力時の発電による発熱量Qpowerは約15.9Wとなる。このとき、QoutとQpower+Qin(=Qcomb+Qvap)との関係は以下のようになる。
Qout(24.6W)>Qpower(15.9W)+Qin(21.1W−12.5W)=24.5W。
このように燃料電池20の放熱量Qoutより燃料電池20の発熱量の方が0.1Wほど大きいがほぼ等しいといえるので、燃料電池20の温度を所定範囲に保つことができる。
真空断熱容器30内の改質器4について説明する。改質器4は配管により燃焼容器3に接続されている。燃焼容器3で気化された燃料および水は、配管を介して改質器4へ導入され、水素含有ガス(改質ガス)となる。改質器4の内部には気化した燃料が通過するサーペンタイン形状や平行流路形状の流路が設けられている。流路の壁面には燃料の改質反応を促進する改質触媒が設けられている。
燃料がジメチルエーテルを含む場合、改質触媒として、Pd/ZnOとγ−アルミナとの混合物、白金−アルミナ系触媒(Pt/Al23)などを用いることができる。このような改質触媒は、(2)式に示すジメチルエーテルの水蒸気改質反応を促進する。白金−アルミナ系触媒は、Pt担持量が0.25wt%以上1.0wt%以下であることが好ましい。
CH3OCH3+3H2O→6H2+2CO2 (2)。
この場合、化学量論の観点からジメチルエーテルと水の流量比(モル比)を1:3にすることが望ましいように見える。しかし、実際の燃料電池システムでは、流量比が1:3に近いと一酸化炭素の生成量が増大してしまう。一方、水を余剰に用いても後述するシフト反応や発電に用いることができる。このため、ジメチルエーテルと水の流量比を1:3.5以上にすることが好ましい。ただし、水の流量が多すぎると、燃料を加熱・気化するために要するエネルギーが増大するため、両者の混合比は1:5.0以下が好ましく、1:4.0以下がより好ましい。
燃料としてメタノールを用いる場合、改質触媒として、Cu/ZnO/γ−アルミナ、Pd/ZnO、白金−アルミナ系触媒(Pt/Al23)などを用いることができる。このような改質触媒は、(3)式に示すメタノールの水蒸気改質反応を促進する。
CH3OH+H2O→3H2+CO2 (3)。
この場合、化学量論の観点からメタノールと水の流量比(モル比)を1:1にすることが望ましいように見えるが、ジメチルエーテルの場合と同様な理由により、両者の混合比は1:5.0以下が好ましく、1:4.0以下がより好ましい。
改質器4の耐食性を向上させたい場合は、貴金属を用いることが効果的である。改質触媒の効率的な温度範囲は200〜400℃である。したがって、改質触媒の表面温度が200〜400℃となるように、改質器4を温度制御することが好ましい。
改質器4の構造について説明する。改質器4を構成する反応容器の少なくとも一部は、熱伝導率の高い材質で形成することが望ましい。これは、燃焼器7の内部で発生する燃焼熱を、改質器4の内部へ効率よく伝達するためである。熱伝導率の高い材質の例として、アルミニウム、銅、アルミニウム合金、または銅合金が挙げられる。また、熱伝導度はアルミニウム、銅、アルミニウム合金、または銅合金より低いが、耐食性に優れたステンレス合金を用いることもできる。反応容器は、一般的な機械加工方法や成型方法を用いて形成することができる。機械加工方法としては、例えば放電加工、フライス加工などを用いることができる。成型方法としては、例えば鍛造加工や鋳造加工などを用いることができる。さらに、例えば鋳造加工により入口配管、出口配管が設けられていない反応容器を成型し、ドリル加工などの機械加工方法により貫通孔を設けた後に、管状部材を溶接するなど、機械加工方法と成型方法を組み合わせて用いることもできる。
なお、ここでは改質器4を例にとって説明したが、後述するCOシフト器5、CO除去器6、燃焼器7についても、触媒の種類や反応速度に応じて流路の幅や長さが異なるが、その他の構造については改質器4と同様であるので、構造についての説明は簡略化する。
改質器4にはCOシフト器5を設けることができる。このCOシフト器5について説明する。COシフト器5は供給路10を介して改質器4に接続されている。改質器4からの改質ガスには、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、COシフト器5で一酸化炭素を二酸化炭素と水素へシフト反応させ、CO濃度を低減するとともに水素生成量の増加を図る。COシフト器5の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の壁面には改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するシフト触媒が設けられている。COシフト器5内部の改質ガスが通過する流路は、改質器3と同様に、サーペンタイン形状や平行流路形状になっている。流路の壁面に設けられるシフト触媒は、(4)式に示すシフト反応を促進する。
CO+H2O→H2+CO2 (4)。
シフト触媒には、たとえばPtを含む貴金属が担持された固体塩基が用いられる。Ptの代わりにPd、Ruのいずれかを用いてもよい。固体塩基には、たとえばCe、Reが担持されたアルミナを用いられる。Ce、Reが担持されたアルミナの代わりに、K、Mg、Ca、Laのいずれかが担持されたアルミナを用いてもよい。シフト触媒のほかにCu/ZnO系の公知の触媒を用いてもよい。COシフト器5の耐食性を向上させたい場合は、Pt、Pd、Ruを含む貴金属が担持された触媒を用いることが好ましい。シフト触媒の効率的な温度範囲は200〜400℃である。したがって、シフト触媒の表面温度が200〜300℃となるように、COシフト器5を温度制御することが好ましい。
COシフト器5の後段にCO除去器6を設けることができる。CO除去器6について詳細に説明する。CO除去器6は供給路11を介してCOシフト器5に接続されている。COシフト器5でシフト反応を受け、CO除去器6に送られた改質ガスには、未だ1%から2%程度の一酸化炭素が含まれている。上述したように、COは燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、燃料電池セル20へ水素を含む気体を供給する前に、CO除去器6で一酸化炭素を濃度100ppm以下になるまで除去する。CO除去器6の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の壁面には例えば一酸化炭素のメタン化反応を促進するメタネーション触媒が設けられている。CO除去器6内部の改質ガスが通過する流路は、改質器4またはCOシフト器5と同様に、サーペンタイン形状や平行流路形状になっている。流路の壁面に設けられるメタネーション触媒は、(5)式に示すメタネーション反応を促進する。
CO+3H2→CH4+H2O (5)。
メタネーション触媒には、Ru/Al23、Ru/ゼオライト、またはRu/Al23、Ru/ゼオライトを主成分とし、Mg、Ca、K、La、Ce、Reから選ばれる少なくとも1種の元素が担持された触媒を用いることが好ましい。
断熱容器30について説明する。断熱容器30は、真空の中空部を囲む内壁と外壁により一つの面に開口部を有する偏平形状に形成されている。断熱容器30の内部には上述した各部材が収納され、その開口部には断熱部材31が設けられている。断熱部材31は、例えば、ミネラルウール;セラミックファイバー;ケイ酸カルシウム;真空断熱材(例えば、セラミックファイバーあるいはケイ酸カルシウムの層の両面にAl層を積層したもの);発泡ウレタン;タイル;硬質ウレタンフォーム;無機質ファイバーで補強したセラッミクス粉末で、0.1μm以下の非閉鎖のセル構造物(例えば、日本マイクロサーム株式会社製の商品名マイクロサーム)などから形成される。特に、無機質ファイバーで補強したセラッミクス粉末で、0.1μm以下の非閉鎖のセル構造物を用いると、150℃の高温でも十分な耐熱性を得ることができる。なお、断熱容器30は偏平形状に限らず、正方形状や円筒形状にしてもよい。
燃料電池20について説明する。燃料電池20は、高分子電解質膜21aと、高分子電解質膜21aの一方の面に形成された燃料極(アノード極)21bと、高分子電解質膜21aの他方の面に形成された酸化剤極21c(カソード極)とを備えている。燃料電池20の燃料極21bは、断熱部材31を貫通する改質ガス取り出し管12を介してCO除去器6に接続されている。燃料電池20は、改質ガス中の水素と大気中の酸素とを反応させて発電を行う。燃料電池20には、酸化剤極(カソード極)21cへ空気を送る酸素供給手段(送気ファン)41が接続されている。
高分子電解質膜21aとしては、たとえばスルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有するフルオロカーボン重合体、例えばNafion(Du Pont社の登録商標)などからなるプロトン導電性を有する膜が用いられる。他の高分子電解質膜21aとして、リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール多孔質膜(PBI)を用いることができる。燃料極21bおよび酸化剤極21cとしては、たとえばPtが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン(PTFE)などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートが用いられる。多孔質シートに、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体や、その重合体で被覆された微粒子を含有させてもよい。
燃料極21bに供給された水素は、下記(6)式に示すように反応する。
2→2H++2e- (6)。
酸化剤極21cに供給された酸素は、下記(7)式に示すように反応する。
1/2O2+2H++2e-→H2O (7)。
燃焼器7について説明する。燃焼器7は改質器4を加熱するために設けられている。燃焼器7は、断熱部材31を貫通する取り入れ管13を介して燃料電池20の燃料極に接続されている。燃焼器7には、燃料電池20の燃料極から排出される排出ガス(アノードオフガス)が供給される。燃料電池20では水素と酸素が反応して水が生成するが、その排出ガスには未反応の残留水素が含まれている。燃焼器7はこの未反応の残留水素を大気中の酸素を用いて燃焼させ、発生する燃焼熱を利用して、改質器4、COシフト器5およびCO除去器6を加熱する。改質器4、COシフト器5、CO除去器6および燃焼器7を真空断熱容器30に収容しているのは、加熱の効率、温度の均一化および周囲の耐熱性の低い部品(電子回路など)の保護のためである。燃焼器7には、燃焼ガスを外部に放出するための排出管14が接続され、断熱部材31を貫通して外部に引き出されている。
燃焼器7の内部には、サーペンタイン形状や平行流路形状の流路が設けられている。流路の壁面には、例えばPtまたはPd、もしくはPtおよびPdなどの貴金属が担持されたアルミナなどの燃焼触媒が設けられている。燃焼触媒に貴金属を用いるのは、燃料電池の停止時に、付帯設備なしに燃焼触媒の酸化、劣化を防止するためである。燃焼器7はヒーターを併用するものであってもよい。ヒーターとしては、例えば、アルミニウム板にセラミックヒーターを貼り付けたもの、アルミニウム板にロッドヒーターを埋め込んだものなどが挙げられる。
(第2の実施形態)
図3は第2の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第2の実施形態の燃料電池システムのうち、第1の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
燃料電池20の起動時など燃料電池20の温度が所定範囲より低い場合には、燃焼容器3へ燃料と空気のみを導入して燃焼反応させる。こうして燃焼熱を燃焼容器3に隣接した燃料電池20に伝え、燃料電池20の温度を迅速に上昇させ、迅速な起動を可能にする。定常発電時には、燃焼容器3へ燃料と水のみを供給し、燃料電池20の発熱によって燃料および水を加熱して気化させる。ただし、気化に要するエネルギーが不足する場合には、燃焼容器3で燃料と水を予熱し、配管によって接続された気化器15へ導入し、気化器15において燃料と水を気化する。これによって、燃料や水の気化に用いるエネルギーを節約するとともに、燃料電池20の冷却に用いることも可能となる。気化器15において気化を行うには、燃焼器7の燃焼熱を利用してもよいし、別に設けたヒーターを用いてもよい。
(第3の実施形態)
図4は第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第3の実施形態の燃料電池システムのうち、第1の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
リン酸ドープのポリベンゾイミダゾール膜に代表される高分子電解質膜を用いたいわゆる中温型燃料電池は、燃料電池温度が高い運転条件で非常に高いCO耐性が得られるため、約1%程度の一酸化炭素が含まれる改質ガスをそのまま燃料電池に導入して発電することも可能である。
このため、改質触媒の性能や燃料によっては、図4に示すように、COシフト器5やCO除去器6を省略できる場合もある。このような燃料電池システムでは、燃料電池20の運転温度が高いため、燃料電池20の発電に伴う発熱を利用して燃料と水を確実に気化することができる。したがって、第1の実施形態の燃料電池システムと比較して小型化が可能であり、しかも燃料電池20の起動時に燃焼容器3を燃料反応器として利用し、かつ燃料電池20の定常運転時に燃焼容器3を気化器として利用することができるので、燃料電池システムとして非常に優れた構成になる。
なお、燃料電池の運転温度は、燃焼容器3内で燃料が副反応を起こさないように、あるいは副反応を起こさないような触媒を設定する。
(第4の実施形態)
図5は第4の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第4の実施形態の燃料電池システムのうち、第3の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
図5に示すように、燃料と水を共通の燃料容器1に収容してもよい。この場合、水容器8および流量調節器9を省略でき、小型化に適している。
なお、燃料および水の混合物と空気とを供給した場合に燃焼容器3内で室温から燃焼反応を起こすような触媒を用いるか、反応開始温度まで燃焼容器3を加熱するヒーターを設ける。
(第5の実施形態)
図6は第5の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。以下においては、第5の実施形態の燃料電池システムのうち、第3の実施形態の燃料電池システムと異なる構成を主に説明する。
図6に示すように、燃料電池20と燃焼容器3とを離して設置し、両者の間に熱交換器60を設けている。熱交換器60としては、伝熱性のよい銅やアルミニウムなどのパイプで形成されたヒートパイプや、伝熱性のよい材料で作製された部材などを用いることができる。この構成では、燃料電池20と燃焼容器3の位置関係の自由度が増す。
また、図7に示すように、熱交換器60内に熱媒体流路61を形成し、熱媒体流路61内でオイルや水などの熱媒体を循環させ、熱媒体の循環量をポンプ62によって変化させることによって熱移動量を変化させてもよい。この構成では、燃料電池20および燃焼容器3のそれぞれの熱収支をバランスさせて、両者を最適温度に保つことが容易になる。さらに、燃料電池20、燃焼容器3および熱交換器60の熱収支が正になる場合には、これらを冷却するように熱媒体流路61にラジエーター63を設置してもよい。なお、ラジエーター63の代わりに燃料電池20や燃焼容器3に冷却システムを設けてもよい。
第1の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 燃焼容器の構造を示す斜視図。 第2の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 第3の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 第4の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 第5の実施形態に係る燃料電池システムの構成図 熱交換器の構成図。
符号の説明
1…燃料容器、2…流量調節器、3…燃焼容器、4…改質器、5…COシフト器、6…CO除去器、7…燃焼器、8…水容器、9…流量調節器、10…供給路、11…供給路、12…改質ガス取り出し管、13…取り入れ管、15…気化器、20…燃焼電池、21a…高分子電解質膜、21b…燃料極、22c…酸化剤極、25…温度検出器、30…断熱容器、31…断熱部材、40、41、42…酸素供給手段(送気ファン)、50…容器本体、51…チャネル構造体、52…蓋、60…熱交換器、61…熱媒体流路、62…ポンプ、63…ラジエーター。

Claims (6)

  1. 炭化水素系の燃料を供給する燃料供給手段と、
    水を供給する水供給手段と、
    酸素含有ガスを供給する酸素供給手段と、
    前記燃料供給手段、水供給手段および酸素供給手段に接続され、燃料と酸素を燃焼反応させる触媒を収容した燃焼容器と、
    前記燃焼容器に接続され、燃料と水を反応させて水素含有ガスに変換する改質器と、
    前記燃焼容器と熱移動可能に配置され、酸素含有ガスと、前記改質器から供給される水素含有ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
    前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御して、前記燃焼容器に供給される燃料、水および酸素含有ガスの流量を調節する制御部と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、起動時に前記燃焼容器に前記燃料と酸素含有ガスのみを供給し、定常発電時に前記燃焼容器に前記燃料と水のみを供給し、発電抑制時に前記燃焼容器に前記燃料、水および酸素含有ガスを供給して前記燃焼容器での燃焼反応により燃料の一部を残存させるように、前記燃料供給手段、水供給手段、および酸素供給手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記燃料電池の温度が低下したときに前記燃焼容器への酸素含有ガスの供給量を増加させ、前記燃料電池の温度が上昇したときに前記燃焼容器への酸素含有ガスの供給量を減少させ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. 前記燃料電池の温度を検知する温度検知器を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃焼容器は前記燃料および水を気化させることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃焼容器はマイクロチャネル流路を有することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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