JP2013178928A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムが複雑になることを抑制し、循環量を制御することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水ポンプ１８によって、燃料ガス供給経路１５に改質用流体として純水を供給することができる。純水を供給することで、燃料ガスの運動量を制御することができる。したがってリサイクル経路１６に流れるオフガスの流量を制御することができる。これによってリサイクル経路１６内での圧力変化が経時的に変化し、エジェクタ１９が吸引するオフガスの量に変化が出た場合であっても、水ポンプ１８によって循環量を制御することができる。したがってエジェクタ１９を用いたシステムであっても、システムが複雑になることを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エジェクタによって燃料ガスのリサイクルを行う燃料電池システムに関する。

特許文献１には、エジェクタを用いた燃料のリサイクル機構を有する燃料電池システムが開示されている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、混合燃料流路の圧力調整装置により主燃料圧力を調整し、主燃料の運動量を制御し、循環量を制御している。

特開２００３−２８８９２０号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、主燃料圧力を調整するために、複数の圧力調整バルブと圧力調整のためのバイパス配管等が必要である。したがってシステムが複雑化するという問題がある。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、システムが複雑になることを抑制し、循環量を制御することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１１）と、燃料ガスを供給する燃料供給装置（１７）と、燃料供給装置から燃料電池に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路（１５）と、燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応燃料ガスを含んで燃料電池から排出されるオフガスの一部を、燃料ガス供給経路に合流させ、燃料電池に再循環させるリサイクル経路（１６）と、燃料ガス供給経路におけるリサイクル経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することでリサイクル経路からのオフガスを吸引し、燃料ガスとオフガスとを混合して吐出するエジェクタ（１９）と、エジェクタが吐出した燃料ガスから、化学反応に用いられる主成分を燃料ガスから取り出す改質器（２０）と、エジェクタの上流側に位置する燃料ガス供給経路に、改質器が主成分を取り出すために用いられる改質用流体を供給する流体供給装置（１８）と、を含むことを特徴とする燃料電池システムである。

これにより、流体供給装置によって、燃料ガス供給経路に改質用流体を供給することができる。改質用流体を供給することで、燃料ガスの運動量を制御することができる。したがってリサイクル経路に流れるオフガスの流量を制御することができる。これによって経路内で圧力変化が経時的に変化し、エジェクタが吸引するオフガスの量に変化が出た場合であっても、流体供給装置によって循環量を制御することができる。したがってエジェクタを用いたシステムであっても、システムが複雑になることを抑制することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

燃料電池システム１０の構成を示した概略図である。 水ポンプ１８の水供給圧力の算出処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システム１０Ａの構成を示した概略図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１および図２を用いて説明する。燃料電池１１は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。燃料電池１１として固体高分子電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」とも称する）を用いており、基本単位となるセル（図示せず）が複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１１では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。

燃料電池システム１０には、燃料電池１１の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気供給経路１２と、上記化学反応に用いられなかった酸素を含む排出ガスを燃料電池１１から排出するための空気排出経路１３が設けられている。空気供給経路１２の最上流部には酸化剤を供給する空気供給装置１４が設けられている。

燃料電池システム１０には、燃料電池１１の水素極（負極）側に水素を供給するための燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路１５と、燃料電池１１から排出される未反応燃料ガス（未反応水素）を含んだオフガスを燃料電池１１に再供給するためのリサイクル経路１６が設けられている
燃料ガス供給経路１５の最上流部には主燃料としてメタンを供給する燃料ブロワ１７が設けられている。また燃料ガス供給経路１５におけるリサイクル経路１６との合流点より上流側には、改質用流体として純水を燃料ガス給経路に供給する水ポンプ１８が設けられている。換言すると、エジェクタ１９の上流側に位置する燃料ガス供給経路１５に、改質器２０が主成分を取り出すために用いられる改質用流体を供給する水ポンプ１８が設けられる。水ポンプ１８は、液体の純水を燃料ガス供給経路１５に供給する。水ポンプ１８が、本発明の流体供給装置に相当している。

燃料ガス供給経路１５におけるリサイクル経路１６の合流位置には、オフガスを循環させるための手段としてエジェクタ１９が設けられている。エジェクタ１９は、燃料ブロワ１７から供給される主燃料の流体エネルギを利用し、ノズルから燃料ガスを下流側に噴射することでオフガスを吸引し、オフガスと燃料ガスとを混合して燃料電池１１に吐出して、再循環させるものである。

燃料ガス供給経路１５におけるエジェクタ１９の下流側であって、燃料電池１１の上流側には、改質器２０が設けられる。改質器２０は、炭化水素系の燃料を水素等に改質する機能を有する。改質器２０は、供給されたメタンおよび水等の燃料を加熱して水素と二酸化炭素の混合ガスに変換する機能と、この混合ガスに微量の副生成物として含まれている一酸化炭素ガスを二酸化炭素ガスに変換する機能とを有する。したがって改質器２０は、混合ガスと微量の副生成物及び未反応物を生成する。本実施形態の改質器２０は、メタン等の燃料を水素ガスに変換する。

燃料ガス供給経路１５における改質器２０の上流側には、燃料ガス供給経路１５内の圧力を検出する圧力センサ２１ａが設けられている。またリサイクル経路１６にも、リサイクル経路１６内の圧力を検出する圧力センサ２１ｂが設けられている。

燃料電池システム１０には、各種演算処理を行うコントローラ（ＥＣＵ）２２が設けられている。コントローラ２２は、制御手段であって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、コントローラ２２には、圧力センサ２１ａ，２１ｂ等からの信号が入力される。

コントローラ２２は、要求電力を燃料電池１１が発電するために必要な燃料ガス供給量、必要なオフガス循環量、必要な空気供給量等を演算する。コントローラ２２は、これらの演算結果に基づいて燃料ブロワ１７、空気供給装置１４および水ポンプ１８に制御信号を出力する。

次に、コントローラ２２の具体的な処理に関して説明する。図２に示す処理は、コントローラ２２によって短時間に繰返し実行される。

ステップＳ１では、要求発電量を読込み、ステップＳ２に移る。ステップＳ２では、読み込んだ要求発電量から、必要燃料量を算出し、ステップＳ３に移る。必要燃料量は、次式（１）によって算出される。

必要燃料量＝発電量／発電効率 …（１）
ここで発電効率は、部分負荷のホットキープ分の燃料量も考慮する。これによって燃料ガス供給経路１５の流量が低下する部分負荷時にも対応することができる。

ステップＳ３では、改質器２０の入口圧力およびリサイクル経路１６内の圧力などを読込み、ステップＳ４に移る。

ステップＳ４では、各種圧力およびシステムのＰＱ特性からエジェクタ１９に供給される主燃料の流量（総流量）を算出し、ステップＳ５に移る。圧力差がわかれば、燃料ガス供給経路１５のＰＱ特性から総流量が算出できるからである。

ステップＳ５では、総流量からリサイクル経路１６を流れるリサイクル流量を算出し、ステップＳ６に移る。リサイクル流量は、次式（２）によって算出される。

リサイクル流量＝総流量−燃料供給量−純水供給量 …（２）
ステップＳ６では、リサイクル流量が目標値となるように、純水供給量を決定し、ステップＳ７に移る。ステップＳ７では、水ポンプ１８のＰＱ特性から、純水供給圧力を算出し、本フローを終了する。

このようにコントローラ２２は、純水供給圧力を決定するので、リサイクル流量を制御することできる。したがって燃料電池１１は、要求発電量を発電することができる。

以上説明したように本実施形態の燃料電池システム１０は、水ポンプ１８によって、燃料ガス供給経路１５に改質用流体として純水を供給することができる。純水を供給することで、燃料ガスの運動量を制御することができる。したがってリサイクル経路１６に流れるオフガスの流量を制御することができる。これによってリサイクル経路１６内での圧力変化が経時的に変化し、エジェクタ１９が吸引するオフガスの量に変化が出た場合であっても、水ポンプ１８によって循環量を制御することができる。したがってエジェクタ１９を用いたシステムであっても、システムが複雑になることを抑制することができる。

また本実施形態では、燃料供給装置および水ポンプ１８を制御する制御手段としてコントローラ２２を備える。コントローラ２２は、水ポンプ１８から供給される純水の供給圧力を制御して、純水の供給量を調整している。したがって水ポンプ１８からの供給量を制御することができる。

さらに本実施形態では、リサイクル経路１６を流れるオフガスの流量を検出する流量検出手段として、圧力センサ２１を設けられる。またコントローラ２２は、検出されたリサイクル経路１６の流量を用いて、供給圧力を制御する（図２のステップＳ７参照）。

また本実施形態では、リサイクル流量を検出するために、改質器２０に流入する燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ２１ａ（第１圧力検出部）と、エジェクタ１９に流入するオフガスの圧力を検出する圧力センサ２１ｂ（第２圧力検出部）と、が設けられる。したがってコントローラ２２は、検出された圧力を用いてフィードバック制御を実施し、オフガスの流量を算出することができる（図２のステップＳ５参照）。

さらに本実施形態では、水ポンプ１８は、改質用流体である純水を液体で燃料ガス供給経路１５に供給する。これによってオフガスが有する熱量を用いて、エジェクタ１９を気化器として機能させることができる。したがって改質器２０の上流側で気化器を設ける必要がないので、構成を簡素化することができる。

また本実施形態では、高温部に可動部を必要とせずに、水ポンプ１８を制御することによって、リサイクル流量を制御することができる。これによって簡単な構成で燃料ガスのリサイクルを行う燃料電池システム１０を実現することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図３を用いて説明する。本実施形態では、オフガスの流量を検出する流量検出手段がなく、制御マップで純水供給量を制御する点に特徴を有する。

燃料電池システム１０Ａは、水ポンプ１８の供給圧力を検出する供給圧力センサ３０を備える。供給圧力センサ３０は、検出した圧力に関する情報をコントローラ２２に与える。

コントローラ２２は、与えられた供給圧力に関する情報から、供給圧力を算出する。コントローラ２２は、純水供給圧を制御することで、純水供給量を制御する。具体的には、予めメモリなどに記憶される純水供給圧と要求発電量との関係を示す制御マップを用いて、純水供給量を制御する。

このように本実施形態では、第１実施形態よりも簡単な構成で、純水供給量を制御することができる。したがって第１実施形態と同様の作用および効果を達成することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、改質用流体は純水であったが、純水に限るものではなく、アルコールなどであってもよい。改質用流体は、改質器２０にて、燃料電池１１において発電反応に用いられる燃料を取り出すため用いられる流体であればよい。

前述の第１実施形態では、流体供給装置は、水ポンプ１８によって実現されているが、水ポンプ１８などのポンプに限るものではなく、改質用流体を供給する装置であれば、弁の開閉によって流体を供給する装置であってもよい。

前述の第１実施形態では、流量検出手段は、圧力を用いて流量を検出しているが、圧力に限るものではなく、他の構成の流量検出手段であってもよい。

前述の第１実施形態では、純水を液体で供給しているが、液体に限るものではなく、水蒸気など気体にて供給してもよい。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池
１５…燃料ガス供給経路 １６…リサイクル経路
１７…燃料ブロワ １８…水ポンプ
１９…エジェクタ ２０…改質器
２１ａ，２１ｂ…圧力センサ ２２…コントローラ
３０…供給圧力センサ

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１１）と、
   前記燃料ガスを供給する燃料供給装置（１７）と、
   前記燃料供給装置から前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路（１５）と、
   前記燃料電池に供給された前記燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応燃料ガスを含んで前記燃料電池から排出されるオフガスの一部を、前記燃料ガス供給経路に合流させ、前記燃料電池に再循環させるリサイクル経路（１６）と、
   前記燃料ガス供給経路における前記リサイクル経路の合流位置に設けられ、ノズルから前記燃料ガスを噴射することで前記リサイクル経路からの前記オフガスを吸引し、前記燃料ガスと前記オフガスとを混合して吐出するエジェクタ（１９）と、
   前記エジェクタが吐出した前記燃料ガスから、前記化学反応に用いられる主成分を前記燃料ガスから取り出す改質器（２０）と、
   前記エジェクタの上流側に位置する前記燃料ガス供給経路に、前記改質器が前記主成分を取り出すために用いられる改質用流体を供給する流体供給装置（１８）と、を含むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料供給装置および前記流体供給装置を制御する制御手段（２２）をさらに含み、
   前記制御手段は、前記流体供給装置から供給される前記改質用流体の供給圧力を制御して、前記改質用流体の供給量を調整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. 前記リサイクル経路を流れる前記オフガスの流量を検出する流量検出手段（２１ａ，２１ｂ）をさらに含み、
   前記制御手段は、検出された前記流量を用いて、前記供給圧力を制御す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. 前記流量検出手段は、
   前記改質器に流入する前記燃料ガスの圧力を検出する第１圧力検出部（２１ａ）と、
   前記エジェクタに流入する前記オフガスの圧力を検出する第２圧力検出部（２１ｂ）と、を含み、
   前記流量検出手段は、検出された前記燃料ガスの圧力および前記オフガスの圧力を用いて、前記オフガスの流量を検出す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. 前記流体供給装置は、前記改質用流体を液体で前記燃料ガス供給経路に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記改質用流体は、水であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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