JP2011181411A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーの有効利用を図りつつ、システム全体の小型化を図ることができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部２１と、改質部２１における改質に要する熱を供給するバーナ２１ａと、水素含有ガスを用いて電力を発生する燃料電池と、電子部品７１ｂ，７２ｂを有し、燃料電池で発生した電力の調整を行う電力調整機構７０と、電子部品からの熱移動を受けた酸素含有ガスをバーナに供給する酸素含有ガス供給機構３０と、を備える構成とする。電力調整機構７０によって加熱された空気をバーナ２１ａに供給することで、新たなポンプや熱交換器を設置せずに、省エネルギー化を図ることができ、電力調整機構７０の冷却を行うことができる。また、電力調整機構７０を冷却するためのファンや放熱フィンを設置する必要をなくす。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、例えば炭化水素系燃料である原料から水素含有ガスを生成する水素製造装置と、水素製造装置で生成された水素含有ガスを用いて電力を発生する燃料電池とを備えるものが知られている。水素製造装置は、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、水素含有ガス中に含まれる一酸化炭素を除去するシフト部とを備えている。一方、燃料電池システムでは、通常、空気ポンプを備え、常温の空気が改質部のバーナに供給されている。そこで、エネルギーの有効利用を図るため、シフト部の排熱を回収して、改質部の熱源バーナに供給される燃焼用空気を加熱する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３４０２４３号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載の技術では、シフト部から排熱回収を行うために、バーナへ空気を供給する空気ポンプとは別の新たなポンプや熱交換器を設けるためのスペースを確保する必要があり、システム全体の小型化を図るという観点で改善の余地があった。

そこで、本発明は、エネルギーの有効利用を図りつつ、システム全体の小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、改質部における改質に要する熱を供給するバーナと、水素含有ガスを用いて電力を発生する燃料電池と、電子部品を有し燃料電池で発生した電力の調整を行う電力調整機構と、電子部品からの熱移動を受けた酸素含有ガスをバーナに供給する酸素含有ガス供給機構と、を備えることを特徴とする。

本燃料電池システムによれば、エネルギーの有効利用を図りつつ、システム全体の小型化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の構成概略図である。 ＰＣＳの内部およびＰＣＳにおける酸素含有共有装置との接続部の概略構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付す。

図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、原料供給装置１０、Fuel Processor System（ＦＰＳ）２０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、燃料電池５０、システム制御機構６０、Power Conditioning System（ＰＣＳ）７０、及びカソードガス供給装置８０を備えている。

原料供給装置１０は、ＦＰＳ２０において処理される原料を供給するためのものである。原料としては、炭素および水素を含んでなる化合物（例えば、メタンおよびプロパンなどの炭化水素類、メタノールおよびエタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類など）が挙げられる。中でも、入手容易性の観点からは、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、天然ガス、都市ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油などが好ましく、特に、取扱い性にも優れた灯油はより好ましい。

ＦＰＳ２０は、原料供給装置１０から供給される原料を処理して水素含有ガスを生成するものであり、本実施形態においては改質部２１、シフト部２２、および選択酸化部２３を含んで構成されている。

改質部２１は、改質触媒を用いて原料供給装置１０から供給される原料を改質し、水素含有ガスである改質ガスを生成する部位である。改質触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えばニッケル、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、パラジウム、白金、レニウム、およびコバルトが挙げられる。なお、改質手法としては、水蒸気改質および自己熱交換改質などが挙げられる。

改質部２１には、バーナ２１ａが設けられている。バーナ２１ａは、改質部２１における改質に要する熱を供給するためのものであり、燃料供給装置３０から供給される燃料および酸素含有ガス供給装置４０から供給される酸素含有ガスを用いて燃焼を行うことにより熱を発生する構造を有している。

シフト部２２は、シフト触媒を用いて改質部２１から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。シフト触媒は、Ｆｅ−Ｃｒの混合酸化物、Ｚｎ−Ｃｕの混合酸化物、白金、ルテニウム、イリジウムなど貴金属を含有する触媒で構成される。なお、シフト部２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００００ｐｐｍ以下である。

選択酸化部２３は、選択酸化触媒を用いてシフト部２２から供給される改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去する部位である。選択酸化触媒は、担体と、該担体に担持される金属を含んで構成される。担体の構成材料としては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）および二酸化ジルコニウム（ジルコニア）が挙げられる。担持される金属としては、例えば白金およびルテニウムが挙げられる。なお、選択酸化部２３を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度は、例えば１００ｐｐｍ以下である。

燃料供給装置３０は、バーナ２１ａで燃焼される燃料を供給するためのものである。燃料としては、原料供給装置１０により供給される原料と同様のものが挙げられるが、エネルギーを有効利用する観点から、定常駆動時などは燃料電池５０から排出される水素含有ガス（いわゆるオフガス）を採用するのが好ましい。

酸素含有ガス供給装置（酸素含有ガス供給機構）４０は、バーナ２１ａでの燃料の燃焼に使用される酸素含有ガスを該バーナ２１ａに供給するためのものであり、例えばポンプ、ファン、およびブロワが挙げられる。本実施形態における酸素含有ガス供給装置４０は、ＰＣＳ７０に接続されており、該ＰＣＳ７０を介して酸素含有ガスが供給されるように構成されている。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。

燃料電池５０は、アノード５１およびカソード５２を有しており、アノードガスとしての水素含有ガス中の水素と、カソードガスとしての酸素含有ガス中の酸素とを用いて電力を発生させるものである。水素含有ガスとしては、上述の改質ガスなどが挙げられる。酸素含有ガスとしては、例えば純酸素ガス、酸素富化空気、および空気が挙げられるが、中でも取扱容易性およびコストの観点から空気が好ましい。アノード５１は、電気化学的酸化反応が起きる状態にある電極であり、本実施形態ではＦＰＳ２０から改質ガスが供給されるように構成されている。カソード５２は、電気化学的還元反応が起きる状態にある電極であり、本実施形態では後述のカソードガス供給装置８０を介して空気が供給されるように構成されている。なお、本実施形態における燃料電池５０は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を採用して説明しているが、これには限られず、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、および溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）などを採用してもよい。

システム制御機構６０は、燃料電池システム１の駆動を制御する駆動制御機構としての機能を有するものである。システム制御機構６０としては、例えば電子制御を行うデバイス（例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイス）が挙げられる。本実施形態におけるシステム制御機構６０は、原料供給装置１０、燃料供給装置３０、酸素含有ガス供給装置４０、およびカソードガス供給装置８０などの補機と電気的に接続され、これらの補機の制御することができる。

ＰＣＳ７０は、燃料電池５０で発生した電力の調整を行う電力調整機構としての役割をになうものであり、電圧変換器７１、直交変換器７２、および筐体７３を有している。

電圧変換器７１は、燃料電池５０から出力された直流電力の電圧を変換するものであり、例えばＤＣ／ＤＣコンバータが挙げられている。本実施形態における電圧変換器７１は、基板７１ａおよび電子部品７１ｂを有している。基板７１ａは、電子部品７１ｂを支持するものであり、図示しない配線回路が形成されている。電子部品７１ｂは、電力を供給して駆動する際に熱を発生するものであり、基板７１ａの配線回路と電気的に接続するように実装されている。電子部品７１ａとしては、例えばトランジスタ、コンデンサ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、およびＲＡＭが挙げられる。

直交変換器７２は、電圧変換器７１により変圧された電力を直流から交流へ変換するものであり、例えばＤＣ／ＡＣインバータが挙げられる。本実施形態における直交変換器７２は、基板７２ａおよび電子部品７２ｂを有している。基板７２ａは、電子部品７２ｂを支持するものであり、図示しない配線回路が形成されている。電子部品７２ｂは、電力を供給して駆動する際に熱を発生するものであり、基板７２ａの配線回路と電気的に接続するように実装されている。電子部品７２ａとしては、電子部品７１ａと同様のものが挙げられる。

筐体７３は、電圧変換器７１および直交変換器７２を収容するためのものであり、その形状は中空の直方体状である。筐体７３は、開口部７３ａ，７３ｂを有している。開口部７３ａは、電子部品７１ｂ，７２ｂからの熱移動を受けた酸素含有ガスを酸素含有ガス供給装置４０に供給するための部位であり、本実施形態では筐体７３の上部（矢印Ａ方向側部位）に設けられている。開口部７３ｂは、筐体７３内に酸素含有ガスを供給するための部位であり、本実施形態では筐体７３の下部（矢印Ｂ方向側部位）に設けられている。

ここで、ＰＣＳ７０の内部およびＰＣＳ７０における酸素含有供給装置４０との接続部について、当該部位の概略構成を示す断面図である図２を参照しつつ詳述する。本実施形態では、ＰＣＳ７０の筐体７３内において、基板７１ａ，７２ａがその板厚方向と筐体７３の上下方向（矢印ＡＢ方向）と交差するように配設されている。また、基板７１ａ，７２ａは、基板７１ａ，７２ａ間および各基板７１ａ，７２ａと筐体７３の側部７３ｃとの間に酸素含有ガスの流れを適切に形成できるような間隔で配設されている。

筐体７３の上部と酸素含有ガス供給装置４０との接続部にはフィルタＦが介在している。フィルタＦは、筐体７３から酸素含有ガス供給装置４０へ酸素含有ガスを供給する際に、不純物（粉塵など）を除去するためのものである。なお、ＰＣＳ７０と酸素含有ガス供給装置４０との接続部およびバーナ２１ａと酸素含有ガス供給装置４０との接続部の長さは、酸素含有ガス供給装置４０における消費電力を低減する観点から、短くすることが好ましい。

カソードガス供給装置８０は、燃料電池５０のカソード５２にカソードガスを供給するためのものである。本実施形態におけるカソードガス供給装置８０は、効率低下を抑制する観点から、燃料電池５０と電圧変換器７１との間から電力が供給されるように構成されていてもよく、電圧変換器７１と直交変換器７２との間、あるいは、直交変換器７２と外部電力負荷ＥＩとの間でもよい。なお、外部電力負荷ＥＩは、燃料電池システム１から供給される電力を消費するものであり、該燃料電池システム１および外部電力系統ＣＥに対して電気的に接続されている。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の一例について説明する。まず、酸素含有ガス供給装置４０、カソードガス供給装置８０、燃料供給装置３０などの補機を外部電力系統ＣＥからの電力を用いて駆動することにより、燃料電池システム１の起動を開始する。このとき、外部電力系統ＣＥからの電力は、図示しないＡＣ／ＤＣコンバータにっよって交流から直流に変換したうえで補機に供給される。

次に、燃料供給装置３０を介してバーナ２１ａに燃料を供給するとともに、酸素含有ガス供給装置４０を介してバーナ２１ａに電子部品７１ｂ，７２ｂから熱移動を受けた酸素含有ガスを供給し、バーナ２１ａにおける燃焼を開始する。この燃焼により発生する熱は改質部２１における改質に利用される。次に、バーナ２１ａでの燃焼熱により所定温度まで改質部２１の改質触媒が加熱された後、原料供給装置１０を介して改質部２１に原料が供給される。改質部２１に供給された原料は改質され、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。生成された改質ガスは、シフト部２２および選択酸化部２３を介して一酸化炭素が所定濃度まで低減されたうえで、燃料電池５０のアノード５１に供給される。

燃料電池５０では、ＦＰＳ２０から供給された改質ガス（水素）及び、カソードガス供給装置８０から供給された酸素含有ガス（酸素）を用いて発電が行われる。燃料電池５０で発生した電力は、ＰＣＳ７０に供給され、電圧変換器７１によって電圧を変換したうえで、直交変換器７２によって直流から交流に変換される。そして、交流に変換された電力は、外部電力負荷ＥＩに供給されて消費される。また、電圧変換器７１によって電圧を変換した直流電力は、上述した補機にも一部が供給される。

そして、ＰＣＳ７０では、電圧変換器７１および直交変換器７２などが作動するため電子部品７１ｂ，７２ｂが発熱する。電子部品７１ｂ，７２ｂの近傍に位置する酸素含有ガスは、発熱した電子部品によって加熱され、例えば６０℃程度になる。そこで、本実施形態の酸素含有ガス供給装置４０は、ＰＣＳ７０の電子部品７１ｂ，７２ｂによって加熱された酸素含有ガスを、バーナ２１ａに供給する。この際、筐体７３内に酸素含有ガスの流れが形成されるため、電子部品７１ｂ，７２ｂが好適に冷却される。

燃料電池システム１における酸素含有ガス供給装置４０は、ＰＣＳ７０の電子部品７１ｂ，７２ｂから熱移動を受けた酸素含有ガスをバーナ２１ａに供給する。そのため、燃料電池システム１では、バーナ２１ａにおける燃料消費量を低減することができる。したがって、燃料電池システム１では、エネルギーを有効利用し、システム全体の効率化を図ることができる。また、燃料電池システム１では、バーナ２１ａに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置４０とは、別に新たなポンプや熱交換器を設ける必要がないため、システム全体の小型化を図ることができる。

燃料電池システム１では、電子部品７１ｂ，７２ｂから発する熱を酸素含有ガスに伝熱させるため、電子部品７１ｂ，７２ｂを冷却することができる。そのため、燃料電池システム１では、電子部品７１ｂ，７２ｂの温度上昇に起因する故障の発生あるいは性能の低下を抑制することができる。したがって、燃料電池システム１では、システム全体の信頼性の向上を図ることができる。

燃料電池システム１では、酸素含有ガス供給装置４０によって、電子部品７１ｂ，７２ｂを冷却することができるので、電子部品７１ｂ，７２ｂを冷却するために別途冷却用ファンや放熱フィンを設けずに済む。したがって、燃料電池システム１では、システム全体の小型化と信頼性向上の両立を図ることができる。

燃料電池システム１では、電子部品７１ｂ，７２ｂが筐体７３内に収容されているため、該電子部品７１ｂ，７２ｂによって加熱された酸素含有ガスを効率的にバーナ２１ａへ移送することができる。

燃料電池システム１では、バーナ２１ａへの酸素含有ガスの供給口となる開口部７３ａが筐体７３の上部に形成されている。つまり、燃料電池システム１では、電子部品７１ｂ，７２ｂによって加熱された酸素含有ガスの自然対流による流れも利用することができるため、電子部品７１ｂ，７２ｂの冷却や酸素含有ガス供給装置４０による移送の効率化を図ることができる。また、電子部品７１ｂ，７２ｂの冷却能力が向上すれば、より高密度で電子部品７１ｂ，７２ｂを配設しても不具合の発生を充分に抑制できることから、更なる小型化を図ることも可能となる。

燃料電池システム１では、酸素含有ガス供給装置４０がバーナ２１ａとＰＣＳ７０との間に位置している。そのため、燃料電池システム１では、筐体７３の開口部７３ａの上流に酸素含有ガス供給装置４０が位置している場合に比べて、筐体７３内における酸素含有ガスの流れの影響を考慮せずに済む分、酸素含有ガスの流量制御などがし易くなる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態では、電圧変換器７１および直交変換器７２が筐体７３内に配置された構成であるが、電圧変換器７１および直交変換器７２の少なくとも一方が筐体７３内に配置されていない、あるいは、筐体７３を備えていない構成としてもよい。筐体７３を備えていない構成の場合は、電子部品７１ｂ，７２ｂにより加熱された酸素含有ガスが酸素含有ガス供給装置４０によってバーナ２１ａに供給することができるように構成されていればよい。

上述の実施形態では、電子部品７１ｂ，７２ｂにより加熱された酸素含有ガスのバーナ２１ａへの供給口である開口部７３ａが筐体７３の上部に設けられているが、例えば側部あるいは下部などのその他の箇所に設けてもよい。

上述の実施形態では、酸素含有ガス供給装置４０がバーナ２１ａとＰＣＳ７０との間に位置しているが、例えば電子部品７１ｂ，７２ｂにより加熱された酸素含有ガスのバーナ２１ａへの供給口である開口部７３ａより上流（例えばＰＣＳ７０内）に配設してもよい。

上述の実施形態では、電圧変換器７１及び直交変換器７２が１つの筐体７３内に配設されているが、電圧変換器７１および直交変換器７２を別々の筐体内に収容するようにしてもよい。また、電圧変換器７１および直交変換器７２の何れか一方によって加熱された酸素含有ガスをバーナ２１ａに供給する構成としてもよい。また、発熱する電子部品を備える電力調整機構としては、ＰＣＳ７０に限定されず、例えば、システム制御機構６０であってもよい。

１…燃料電池システム、１０…原料供給装置、２０…ＦＰＳ、２１…改質部、２１ａ…バーナ、３０…燃料供給装置、４０…酸素含有ガス供給装置、５０…燃料電池、５１…アノード、５２…カソード、６０…システム制御機構、７０…ＰＣＳ（電力調整機構）、７１…電圧変換器、７１ａ…基板、７１ｂ…電子部品、７２…直交変換器、７２ａ…基板、７２ｂ…電子部品、７３…筐体、７３ａ…開口部、７３ｂ…開口部、８０…カソードガス供給装置。

Claims (5)

1. 原料を改質して水素含有ガスを生成する改質部と、
   前記改質部における改質に要する熱を供給するバーナと、
   前記水素含有ガスを用いて電力を発生する燃料電池と、
   電子部品を有し、前記燃料電池で発生した電力の調整を行う電力調整機構と、
   前記電子部品からの熱移動を受けた酸素含有ガスを前記バーナに供給する酸素含有ガス供給機構と、を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記電力調整機構は、前記電子部品を収容する筐体をさらに有し、
   前記筐体は、前記電子部品からの熱移動を受けた酸素含有ガスをバーナに供給するための供給口を有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. 前記供給口は、前記筐体の上部に配設されて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. 前記酸素含有ガス供給機構は、前記バーナと前記電力調整機構との間に位置していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸素含有ガスは空気であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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