JP2020166986A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器に対し、燃料を、気化を充分に進行させた状態で供給可能とする。【課題を解決するための手段】 燃料電池システムに、燃料電池と、燃料電池のオフガス排出ラインに接続された燃焼器と、燃料電池のカソードガス供給ラインに介装され、燃焼器が生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能なカソード側熱交換器と、燃焼器とカソード側熱交換器との間に、燃焼ガスをカソード側熱交換器に導入可能に接続された燃焼ガス通路と、液状燃料の貯蔵タンクと、カソード側熱交換器に対し、燃焼ガスの流れに関して下流側に接続される一方、貯蔵タンクから液状燃料の供給を受け、カソード側熱交換器を通過した後の燃焼ガスとの熱交換により液状燃料を蒸発させる燃料蒸発器と、燃料蒸発器と燃焼器との間に、燃料蒸発器により生じさせた気化燃料を燃焼器に導入可能に接続された気化燃料通路と、を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のオフガスラインに燃焼器を備える燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムに備わる燃焼器に対し、液体の状態で貯蔵されている燃料をインジェクタにより直接、換言すれば、予熱器等の熱機器を介さずに供給することが開示されている。特許文献１において、インジェクタは、燃料電池システムの起動時に作動するものである。インジェクタにより噴射された燃料を燃焼器により燃焼させ、これにより生じた燃焼ガスを、燃料電池のアノード系部品、具体的には、アノードガス供給ラインに備わる燃料蒸発器に供給して、燃料を蒸発させる際の熱源とする。

特開２００３−１０４７０７号公報（段落００２１）

特許文献１の技術によると、燃焼器に対して燃料をインジェクタにより直接供給することから、噴射された燃料の気化が進行せず、燃料と空気との混合が不充分な状態で燃焼を生じることが問題となり得る。混合が不充分である結果、混合ガスに燃料が濃い箇所と薄い箇所とが生じ、濃い箇所では、燃焼ガスの温度が過度に上昇して、燃焼器に過大な熱負荷をかけるおそれがある一方、薄い箇所では、燃焼が不安定となり、適切な温度の燃焼ガスを得ることができない。

さらに、燃料電池システムの起動時等、燃焼器およびその周辺の温度が低いか、そうでなければ、充分に上がっていない条件にある場合について、噴射された燃料が液滴の状態で残り、結果としてそれが壁流となることで、燃焼器に供給される燃料に不足が生じ、燃焼ガスにより輸送可能な熱エネルギが減少し、燃料電池システムの起動ないし暖機に想定以上の時間を要する、という懸念もある。

本発明は、以上の問題を考慮し、燃焼器に対し、燃料を、気化を充分に進行させた状態で供給可能に構成された燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態では、燃料電池と、燃料電池のオフガス排出ラインに接続された燃焼器と、燃料電池のカソードガス供給ラインに介装され、燃焼器が生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能なカソード側熱交換器と、燃焼器とカソード側熱交換器との間に、燃焼ガスをカソード側熱交換器に導入可能に接続された燃焼ガス通路と、液状燃料の貯蔵タンクと、カソード側熱交換器に対し、燃焼ガスの流れに関して下流側に接続される一方、貯蔵タンクから液状燃料の供給を受け、カソード側熱交換器を通過した後の燃焼ガスとの熱交換により液状燃料を蒸発させる燃料蒸発器と、燃料蒸発器と燃焼器との間に、燃料蒸発器により生じさせた気化燃料を燃焼器に導入可能に接続された気化燃料通路と、を備える燃料電池システムが提供される。

本発明によれば、貯蔵タンクから燃焼器に向かう液状燃料の経路に燃料蒸発器を設け、これにより蒸発させた気化燃料を燃焼器に供給するようにしたことで、燃焼器に対し、燃料を、気化を充分に進行させた状態で供給することが可能となり、燃料と空気との混合を良好に進行させたうえで、燃焼を生じさせることができる。これにより、混合ガスに燃料の濃度分布が生じるのを抑え、燃焼を適切に生じさせることが可能となる。さらに、燃料蒸発器により液状燃料の気化が促進されることで、液状燃料が壁流となるのを抑え、もって、燃料電池システムの暖機の促進を図ることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。 図２は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。 図３は、同上実施形態に適用可能な燃料蒸発器の一例の構成を、高温流体（燃焼ガス）の流れに平行な断面により示す概略図である。 図４は、本発明の更に別の実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。 図５は、本発明の更に別の実施形態に係る燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（燃料電池システムの全体構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムＳ１の全体的な構成を示している。

本実施形態に係る燃料電池システム（以下「燃料電池システム」といい、単に「システム」という場合がある）Ｓ１は、電動車両に搭載可能であり、当該車両に備わる走行用の電動モータに供給される電力を発生させる。このことは、後に述べる他の実施形態（燃料電池システムＳ２〜Ｓ４）についても同様である。

燃料電池システムＳ１は、本実施形態に関わる主な構成要素として、燃料電池スタック１、アノード側熱交換器２、カソード側熱交換器３および燃焼器４を備える。本実施形態において、「熱交換器」とは、温度の異なる複数の流体を受容し、高温流体が有する熱量を加熱対象の流体に移動可能に構成された熱機器全般をいうものとする。この意味で、「熱交換器」には、加熱対象の流体が単に暖められるだけでその化学的な変化が伴わない、いわゆる熱交換式の加熱器のほか、加熱対象の流体に化学的な変化が生じ、加熱後の流体が流入時とは異なる組成の流体として流出する場合のものが含まれる。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という場合がある）１は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池システムＳ１は、アノードガス供給ライン１１およびカソードガス供給ライン１２を備え、燃料電池スタック１は、アノードガス供給ライン１１を介して燃料ガスの供給を受け、カソードガス供給ライン１２を介して酸化剤ガスの供給を受ける。本実施形態において、燃料ガスは、水素であり、酸化剤ガスは、酸素である。固体酸化物形燃料電池のアノード極およびカソード極での発電に係る反応は、次式により表すことができる。
アノード極： ２Ｈ₂＋４Ｏ^2- → ２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- …（１．１）
カソード極： Ｏ₂＋４ｅ^- → ２Ｏ^2- …（１．２）

発電反応後のオフガスは、燃料電池スタック１からオフガス排出ライン１１ｅｘ、１２ｅｘに排出される。本実施形態において、アノード系のオフガス排出ライン（アノードオフガス排出ライン）１１ｅｘおよびカソード系のオフガス排出ライン（カソードオフガス排出ライン）１２ｅｘは、いずれも後に述べる燃焼器４に接続され、燃料電池システムＳ１の運転時において、アノードオフガスおよびカソードオフガスの双方が、燃焼器４に供給される。ただし、本実施形態の本旨からすれば、アノードオフガス排出ライン１１ｅｘが接続されることは、必須でなく、アノードオフガス排出ライン１１ｅｘは、カソードオフガス排出ライン１２ｅｘからは独立した、別途の排出経路に接続されてもよく、燃焼器４とは異なる、アノードオフガスの処理専用の燃焼器に接続されてもよい。アノードオフガス排出ライン１１ｅｘとカソードオフガス排出ライン１２ｅｘとがいずれも燃焼器４に接続される場合は、これらのオフガス排出ライン１１ｅｘ、１２ｅｘは、燃焼器４に対し、夫々別個に接続されてもよいし、燃焼器４の上流側、つまり、燃料電池スタック１から燃焼器４に至る途中で合流させた後、接続されてもよい。

アノード側熱交換器２は、アノードガス供給ライン１１に介装され、燃焼器４で生じさせた燃焼ガスが導入されて、これを高温流体として動作する。本実施形態において、アノード側熱交換器２は、燃料ガスの供給を受け、燃料ガスを燃焼ガスとの熱交換により燃料電池スタック１への供給前に加熱する。この意味で、本実施形態に係るアノード側熱交換器２は、燃料予熱器と呼ぶこともできる。燃料ガスは、原燃料を燃料ガスに転換する燃料改質器を備える場合に、原燃料の改質により取得することが可能であり、図示しない燃料ガスタンクを備える場合は、このタンクから供給することが可能である。

カソード側熱交換器３は、カソードガス供給ライン１２に介装され、燃焼器４で生じさせた燃焼ガスが導入されて、これを高温流体として動作する。カソード側熱交換器３は、酸化剤ガスの供給を受け、酸化剤ガスを燃焼ガスとの熱交換により燃料電池スタック１への供給前に加熱する。大気中の空気を図示しないエアコンプレッサによりカソードガス供給ライン１２に取り込み、カソード側熱交換器３を介して燃料電池スタック１に供給することで、発電反応に用いられる酸素をカソード極に供給することが可能である。本実施形態に係るカソード側熱交換器３は、空気予熱器と呼ぶこともできる。

燃焼器４は、アノードオフガス排出ライン１１ｅｘおよびカソードオフガス排出ライン１２ｅｘに接続され、暖機後の通常システム運転時において、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを受容し、アノードオフガス中の残燃料（つまり、残水素）を燃焼させ、燃焼ガスを生成する。さらに、本実施形態では、燃焼器４に対し、カソードオフガス排出ライン１２ｅｘを介してカソードオフガスを導入し、カソードオフガスに残る残酸素を、燃焼に必要な酸化剤ガスとして供給する。本実施形態において、燃焼器４は、燃焼促進用の触媒が担持された触媒ベッド部を有する、触媒型の燃焼器であるが、拡散燃焼型のものであってもよいことは、勿論である。

燃焼器４は、燃焼ガス通路（以下、後に述べる「燃料ガス排出通路」との区別のため、特に「燃焼ガス案内通路」という）１３を介してアノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３に接続されている。燃焼器４で生じさせた燃焼ガスは、燃焼ガス案内通路１３を通じてアノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３に夫々供給される。

本実施形態では、燃焼器４からアノード側およびカソード側の各熱交換器２、３への燃焼ガスの供給は、燃焼ガス案内通路１３を介して並列的になされる。具体的には、燃焼ガス案内通路１３は、燃焼器４から延びる集合部１３１と、集合部１３１の下流側に接続され、集合部１３１を流れる燃焼ガスを各熱交換器２、３に向けて分岐させる分岐部１３２、１３３と、を有する。分岐部１３２、１３３は、分岐点Ｐｄで集合部１３１から二股に分かれ、分岐点Ｐｄとアノード側熱交換器２とをつなぐアノード側分岐部（「第２分岐部」に対応する）１３２と、分岐点Ｐｄとカソード側熱交換器３とをつなぐカソード側分岐部（「第１分岐部」に対応する）１３３と、を有する。このような構成により、燃焼ガスは、燃焼器４を出た後、集合部１３１を流れ、分岐点Ｐｄでアノード側分岐部１３２とカソード側分岐部１３３とに分かれ、アノード側分岐部１３２を介してアノード側熱交換器２に、カソード側分岐部１３３を介してカソード側熱交換器３に、夫々供給される。

そして、燃焼ガスは、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３を出た後、燃焼ガス排出通路１４を流れ、図示しない燃焼ガス処理装置を介して燃焼ガス排出口ＥＸから大気中に排出される。本実施形態では、燃焼ガス排出通路１４がマニホールド部を有し、燃焼ガスは、このマニホールド部の合流点Ｐｍで合流した後、集合部を通じて燃焼ガス排出口ＥＸに向かう。

（燃焼器に対する燃料の供給）
本実施形態では、燃料電池システムＳ１の起動時において、カソード側熱交換器３への空気の導入開始を伴う起動開始後、燃料電池スタック１およびアノード側熱交換器２の温度が上昇し、それらの動作温度に達するまでの間、アノードガス供給ライン１１を介する燃料ガスの供給が停止される。よって、この間、燃焼器４に対するアノードオフガスを媒体とした燃料の供給も停止される。そこで、起動時では、燃焼器４に対し、アノードガス供給ライン１１およびアノードオフガス排出ライン１１ｅｘからは独立した、別個の経路を通じて燃料を供給する。

本実施形態では、燃料蒸発器５ａを設け、燃料蒸発器５ａにより液状燃料を蒸発させ、これにより得られた気化燃料を燃焼器４に供給する。燃料蒸発器５ａを介することで、インジェクタにより噴射された燃料を直接供給する場合と比較して、壁流の形成を抑え、気化を進行させた状態で供給することが可能となる。

具体的には、燃料が液体の状態で貯蔵された燃料タンク（以下「貯蔵タンク」という）６を備え、カソード側熱交換機３に対し、燃焼器４からの燃焼ガスの流れに関して下流側に、燃料蒸発器５ａを備える。本実施形態に係る燃料蒸発器５ａは、燃焼ガスを高温流体として動作可能な熱交換器により具現され、貯蔵タンク６から液状燃料の供給を受け、この液状燃料を、カソード側熱交換器３を通過した後の燃焼ガスとの熱交換により加熱し、蒸発させる。採用可能な液状燃料として、エタノールと水との混合物（つまり、エタノール水溶液）を例示することができる。さらに、貯蔵タンク６は、燃料電池システムＳ１が燃料改質器を備え、燃料電池の燃料ガスを原燃料の改質により取得する場合に、原燃料であるエタノール水溶液の貯蔵タンクと共用のタンクとすることが可能である。この場合は、アノードガス供給ライン１１が貯蔵タンク６に接続され、アノードガス供給ライン１１に、貯蔵されている液状燃料を噴射するインジェクタが介装される。噴射された液状燃料が蒸発等の所要の燃料処理プロセスを経て燃料改質器に供給され、改質により生じた水素が、燃料ガスとして燃料電池スタック１に供給される。他方で、燃料ガスタンクを備え、これに貯蔵されている燃料ガスを、アノード側熱交換器２を介して燃料電池スタック１に供給する場合に、貯蔵タンク６は、燃料ガスタンクとは別個のタンクとすることが可能である。この場合に、アノード側熱交換器２に供給される燃料ガスの流量は、アノードガス供給ライン１１に介装される流量制御弁により調整される。本実施形態において、燃料蒸発器５ａは、燃焼ガス排出通路１４のうち、カソード側熱交換器３との接続点Ｐｃと合流点Ｐｍとの間に配設される。

燃料蒸発器５ａと燃焼器４とが気化燃料通路１５により接続され、燃料蒸発器５ａにより生じさせた気化燃料が、気化燃料通路１５を介して燃焼器４に供給される。本実施形態において、気化燃料通路１５は、カソードオフガス排出ライン１２ｅｘに対し、カソードオフガスの流れに関して燃焼器４の上流側で接続される。これにより、気化燃料は、気化燃料通路１５からカソードオフガス排出ライン１２ｅｘに導入され、カソードオフガス排出ライン１２ｅｘを流れるガス（燃料電池システムＳ１の起動時では、空気）との混合後、燃焼器４に供給される。

（作用効果の説明）
本実施形態に係る燃料電池システムＳ１は、以上のように構成され、本実施形態により得られる作用および効果について、以下に説明する。

第１に、貯蔵タンク６から燃焼器４に向かう液状燃料の経路に燃料蒸発器５ａを設け、これにより蒸発させた気化燃料を燃焼器４に供給するようにしたことで、燃焼器４に対し、液状燃料の気化を充分に進行させた状態で供給することが可能となり、燃料と空気との混合を良好に進行させたうえで、燃焼を生じさせることができる。

これにより、燃焼器４に導入される混合ガスに燃料の濃度分布が生じるのを抑え、燃料の濃い部分により燃焼器４に対して過大な熱負荷が生じたり、燃料の薄い部分により燃焼が不安定となったりするのを回避することができる。よって、燃焼器４を良好に作動させながら、システムＳ１全体の速やかな暖機を図ることが可能となる。さらに、混合ガスの均質性が確保されることで、燃焼を良好に生じさせることが可能となり、排気の性状悪化（例えば、未燃成分の排出）を抑制することができる。

さらに、燃料電池システムＳ１の起動時等、燃焼器４およびその周辺（例えば、気化燃料通路１５）が充分に暖まっていない条件にあっても燃料蒸発器５ａにより液状燃料の蒸発が促進されることで、燃料が壁流となるのを抑え、燃焼器４に供給される燃料に不足が生じるのを回避することができる。これにより、燃料電池システムＳ１の起動ないし暖機に要する時間の短縮を図ることが可能となる。

第２に、燃料蒸発器５ａを燃焼ガスの流れに関してカソード側熱交換器３の下流側に配置したことで、カソード側熱交換器３での熱交換により低下した、液状燃料の蒸発に適した温度の燃焼ガスを燃料蒸発器５ａに供給し、液状燃料の蒸発に用いることが可能となる。このことは、液状燃料としてエタノール水溶液を採用する場合に、より有利である。燃料蒸発器５ａに供給される燃焼ガスの温度が過度に高い場合は、沸点が比較的低いエタノール水溶液の蒸発にとっては却って不利となる。

そして、速やかな暖機の完了が求められる車載用の燃料電池システムＳ１の起動時において、燃料蒸発器５ａがカソード側熱交換器３の下流側にあることで、カソード側熱交換器３に供給されるべき燃焼ガスの熱量が液状燃料の蒸発に消費されることがなく、暖機の迅速性を確保することが可能である。

第３に、気化燃料通路１５を、カソードオフガスの流れに関して燃焼器４の上流側でカソードオフガス排出ライン１２ｅｘに接続し、燃料蒸発器５ａで生じさせた気化燃料を、カソードオフガス排出ライン１２ｅｘを流れる空気との混合後に燃焼器４に供給するようにしたことで、燃料と空気との混合をより良好に進行させた状態で、燃焼を生じさせることが可能となる。

第４に、アノード側分岐部１３２およびカソード側分岐部１３３のうち、カソード側分岐部１３３を流れる燃焼ガスの流量をより大きくしたことで、燃料蒸発器５ａに供給される燃焼ガスの流量を大きくすることができ、燃焼ガスの熱量を、液状燃料の蒸発に積極的に利用することが可能となる。

さらに、このような設定により、カソード側熱交換器３を介する燃焼ガスの流量が増大されることで、カソード側熱交換器３の出入口の間で燃焼ガスに温度差が生じるのを抑制し、カソード側熱交換器３の効率を確保することが可能となる。これにより、燃料電池システムＳ１の起動に際し、空気を媒体として燃料電池スタック１に投入される熱量を確保し、起動の完了までに要する時間の短縮を図ることができる。

（他の実施形態の説明）
以上の説明では、燃焼器４により生じさせた燃焼ガスをアノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３の双方に供給し、アノード側およびカソード側の各熱交換器２、３での熱交換に用いられる高温流体とする一方、燃料蒸発器５ａをカソード側熱交換器３と接続し、カソード側熱交換器３を介した燃焼ガスのみを燃料蒸発器５ａに導入可能とし、これを液状燃料の蒸発に使用した。本発明は、これに限定されるものではなく、カソード側熱交換器３を介した燃焼ガスばかりでなく、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスをも液状燃料の蒸発に使用することが可能である。

図２は、その場合の一例として、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムＳ２の全体的な構成を示している。

本実施形態では、燃料蒸発器５ｂが、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３の双方に対し、燃焼器４からの燃焼ガスの流れに関して下流側に接続され、アノード側熱交換器２を通過した後の燃焼ガスと、カソード側熱交換器３を通過した後の燃焼ガスと、をいずれも燃料蒸発器５ｂに供給可能とする。これにより、液状燃料を、温度が異なる２つの燃焼ガス、つまり、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスおよびカソード側熱交換器３を介した燃焼ガスとの熱交換により蒸発させる。

具体的には、燃料蒸発器５ｂは、燃焼ガス排出通路１４のうち、アノード側熱交換器２との接続点Ｐｃ１およびカソード側熱交換器３との接続点Ｐｃ２と、合流点Ｐｍと、の間に介装される。これにより、燃料蒸発器５ｂは、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３を夫々通過した後の燃焼ガスを受容可能であり、燃焼ガス案内通路１３のアノード側分岐部１３２（第２分岐部）からアノード側熱交換器２を介した燃焼ガスを受ける熱交換部（「第２熱交換部」に相当し、以下「下流側熱交換部」という場合がある）５２と、カソード側分岐部１３３（第１分岐部）からカソード側熱交換器３を介した燃焼ガスを受ける熱交換部（「第１熱交換部」に相当し、以下「上流側熱交換部」という場合がある）５１と、を有する。

燃料蒸発器５ｂにおいて、上流側熱交換部５１と下流側熱交換部５２とは、燃焼ガスの流れが互いに対して遮断可能に（つまり、出入りのない状態に）構成されている。本実施形態では、下流側熱交換部５２が、貯蔵タンク６からの液状燃料の流れに関して上流側熱交換部５１の下流側に設けられるとともに、上流側熱交換部５１に供給される燃焼ガスの流量が、下流側熱交換部５２に供給される燃焼ガスの流量よりも大きく設定されている。換言すれば、燃焼器４から燃焼ガス案内通路１３のカソード側分岐部１３３に導入される燃焼ガスの流量が、アノード側分岐部１３２に導入される流量よりも大きい。上流側熱交換部５１と下流側熱交換部５２との間での流量の調整は、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３における圧損を考慮して、各熱交換部５１、５２の流路抵抗を設定することにより可能である。

図３は、本実施形態に適用可能な燃料蒸発器５ｂの具体的な構成を、高温流体（燃焼ガス）の流れに平行な断面により示している。

図３において、カソード側熱交換器３を介して導入される燃焼ガスの、蒸発器５ｂ内部における流れを矢印Ｆｃｇ１により、アノード側熱交換器２を介して導入される燃焼ガスの流れを矢印Ｆｃｇ２により、夫々示している。同図中、矢印ＦｆｌおよびＦｆｇは、いずれも蒸発器５ｂ内部における燃料の流れを示し、矢印Ｆｆｌは、液状燃料の流れを、矢印Ｆｆｇは、蒸発後の気化燃料の流れを、夫々示している。

先に述べたように、燃料蒸発器５ｂは、上流側熱交換部５１と下流側熱交換部５２とに区画され、上流側および下流側の各熱交換部５１、５２は、燃料が流通可能に形成された空間（以下「内部空間」という）を有し、上流側熱交換器５１の内部空間と下流側熱交換器５２の内部空間とは、互いに連通されている。そして、これらの内部空間を横断するように、換言すれば、燃料の流れＦｆｌ、Ｆｆｇと交差するように、燃焼ガスを通過させる複数の管路ｐ１、ｐ２が配設されている。

このような構成により、燃料蒸発器５ｂの上流側熱交換部５１に導入された燃焼ガスは、低温側管路ｐ１を流れ、下流側熱交換部５２に導入された燃焼ガスは、高温側管路ｐ２を流れる。低温側管路ｐ１を出た燃焼ガスと高温側管路ｐ２を出た燃焼ガスとは、合流した後、燃料蒸発器５ｂから流出する。燃料蒸発器５ｂを出た燃焼ガスは、燃焼ガス排出通路１４の集合部を流れ、燃焼ガス排出口ＥＸから系外に排出される。他方で、液状燃料は、燃料蒸発器５ｂへの導入後、低温側管路ｐ１を流れる比較的低温の燃焼ガスとの熱交換により中間温度にまで加熱され、その後、高温側管路ｐ２を流れるより高温の燃焼ガスとの熱交換によりさらに加熱される。液状燃料は、この２段にわたる加熱の過程で蒸発し、気化燃料として燃料蒸発器５ｂから流出する。燃料蒸発器５ｂを出た気化燃料は、気化燃料通路１５を介してカソードオフガス排出ライン１２ｅｘに導入され、カソードオフガス排出ライン１２ｅｘを流れる空気との混合後、燃焼器４に供給される。

このように、本実施形態によれば、燃料蒸発器５ｂに対し、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスおよびカソード側熱交換器３を介した燃焼ガスの双方を導入し、液状燃料の蒸発に、カソード側熱交換器３を介した燃焼ガスばかりでなく、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスをも使用可能となる。これにより、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスの熱量を利用して、液状燃料の蒸発を良好に促すとともに、系外に排出される熱量が削減されるため、システムＳ２全体での効率を向上させることが可能となる。

さらに、燃焼器４から燃焼ガス案内通路１３の分岐部１３２、１３３に分岐させた燃焼ガスを、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３に夫々供給するようにしたことで、燃料蒸発器５ｂの上流側熱交換部５１および下流側熱交換部５２に導入される燃焼ガスに、有意な温度差を付けることが可能となる。本実施形態では、燃料電池システムＳ２の起動に際し、燃料電池スタック１に対する燃料ガスの供給がなく、アノード側熱交換器２を通過した後の燃焼ガスの温度が高温に保たれることから、上流側熱交換部５１に導入される燃焼ガスの温度を低く、下流側熱交換部５２に導入される燃焼ガスの温度を高くすることが可能である。

そして、上流側熱交換部５１において、比較的低温の燃焼ガスとの熱交換により液状燃料を中間温度にまで加熱した後、下流側熱交換部５２において、より高温の燃焼ガスとの熱交換によりさらに加熱することができるので、より高温の気化燃料を得ることが可能となる。

液状燃料を、燃焼ガスの温度が比較的低い上流側熱交換部５１に導入し、これを通過させた後、燃焼ガスの温度が高い下流側熱交換部５２に導入することで、上流側熱交換部５１で加熱された燃料が、下流側熱交換部５２で冷やされるのを回避することができ、下流側熱交換部５２における凝縮の発生を抑えることが可能となる。

さらに、以上の説明では、燃焼ガスを、燃料蒸発器５ａ、５ｂを通過した後に合流させ、単一の燃焼ガス排出口ＥＸを通じて系外に排出することとした。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスとカソード側熱交換器３を介した燃焼ガスとを、別個の燃焼ガス排出口（カソード側排出口ＥＸ１、アノード側排出口ＥＸ２）から排出するようにしてもよい。

図４は、その場合の一例として、本発明の更に別の実施形態に係る燃料電池システムＳ３の全体的な構成を示している。

本実施形態では、燃焼ガス排出通路１４が、アノード側熱交換器２から延びるアノード側排出通路（「第２排出通路」に相当する）１４１と、カソード側熱交換器３から延びるカソード側排出通路（「第１排出通路」に相当する）１４２と、から構成され、アノード側排出通路１４１とカソード側排出通路１４２とが互いに並列に配設され、各排出通路１４１、１４２は、別個に形成された燃料ガス排出口（アノード側排出口ＥＸ１およびカソード側排出口ＥＸ２）に接続されている。

このような構成により、燃焼ガス案内通路１３の集合部１３１からアノード側分岐部１３２に分岐された燃焼ガスは、アノード側分岐部１３２からアノード側熱交換器２に流入し、アノード側熱交換器２を通過した後、アノード側排出口ＥＸ１を介して系外に排出される。これに対し、カソード側分岐部１３３に分岐された燃焼ガスは、カソード側分岐部１３３からカソード側熱交換器３に流入し、カソード側熱交換器３を通過した後、燃料蒸発器５ａに導入される。そして、燃料蒸発器５ａを通過すると、アノード側排出口ＥＸ１とは別個のカソード側排出口ＥＸ２を介して系外に排出される。

このように、アノード側熱交換器２を介した燃焼ガスとカソード側熱交換器３を介した燃焼ガスとの排出口を、１つに纏めるのではなく（例えば、図１および２）、夫々別個に設けたことで、それら２つの排出口ＥＸ１、ＥＸ２に向かう排出通路１４１、１４２を互いに隣接させる必要がないので、レイアウトの自由度を増進させることが可能となる。

燃料蒸発器５ａは、カソード側熱交換器３を介した燃焼ガスが流れるカソード側排出通路１４２に介装するばかりでなく、アノード側熱交換器２およびカソード側熱交換器３を介した燃焼ガスが流れるそれぞれの排出通路１４１、１４２に跨って形成することも可能である。この場合に採用可能な燃料蒸発器５ｂとして、図２および３に示す実施形態のものが挙げられる。

以上の説明では、アノード側熱交換器２に、熱交換型の加熱器を採用することとしたが、本発明は、これに限定されるものではなく、既に述べたように、熱交換器として、加熱対象の流体に化学的な変化が生じ、加熱後の流体が流入時とは異なる組成の流体として流出するものを採用することが可能である。

図５は、その場合の一例として、本発明の更に別の実施形態に係る燃料電池システムＳ４の全体的な構成を示している。

本実施形態では、アノードガス供給ライン１１に、アノードガスの流れに関して上流側から順に、燃料蒸発器２１、燃料加熱器２２および燃料改質器２３が介装されている。これらの熱機器２１〜２３により、本実施形態に係るアノード側熱交換器２が構成される。

本実施形態において、アノード側熱交換器２は、一次燃料である原燃料の供給を受け、これを処理して、燃料電池での発電反応に用いられる燃料ガスに変換する。この意味で、本実施形態に係るアノード側熱交換器２は、燃料処理器と呼ぶこともできる。原燃料は、含酸素燃料と水との混合物であってもよく、アノードガス供給ライン１１に接続された、図示しない燃料タンクに貯蔵される。本実施形態に適用可能な原燃料として、エタノール水溶液を例示することができ、貯蔵タンク６にエタノール水溶液を貯蔵する場合は、貯蔵タンク６を原燃料の燃料タンクとして共用することが可能である。

燃料蒸発器（「アノード燃料蒸発器」という場合がある）２１は、貯蔵タンク６から原燃料であるエタノール水溶液の供給を受け、高温流体である燃焼ガスによりこれを加熱して蒸発させ、エタノールガスおよび水蒸気を生成する。

燃料加熱器（「アノード燃料加熱器」という場合がある）２２は、蒸発後のエタノールガスおよび水蒸気を、エタノールの改質に適した温度にまでさらに加熱する。

燃料改質器（「アノード燃料改質器」という場合がある）２３は、気体の状態にあるエタノールから、水蒸気改質により水素を生成する。水蒸気改質は、次式により表すことができる。生成された水素は、燃料改質器２３を出た後、燃料ガスとして燃料電池スタック１に供給される。
Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ＋３Ｈ₂Ｏ → ６Ｈ₂＋２ＣＯ₂ …（２）

このように、燃料蒸発器２１、燃料加熱器２２および燃料改質器２３によりアノード側熱交換器２を構成した場合にあっても先に述べたのと同様の効果を得ることが可能である。具体的には、燃焼器４に対し、液状燃料（エタノール水溶液）の気化を充分に進行させた状態で供給することが可能となり、燃料（エタノールガス）と空気との混合を良好に進行させたうえで、燃焼を生じさせることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

Ｓ１〜Ｓ４…燃料電池システム
１…燃料電池スタック
２…アノード側熱交換器
３…カソード側熱交換器
４…燃焼器
５ａ、５ｂ…燃料蒸発器
６…貯蔵タンク
１１…アノードガス供給ライン
１２…カソードガス供給ライン
１１ｅｘ…アノードオフガス排出ライン
１２ｅｘ…カソードオフガス排出ライン
１３…燃焼ガス案内通路
１３１…集合部
１３２…アノード側分岐部
１３３…カソード側分岐部
１４…燃焼ガス排出通路
２１…アノード燃料蒸発器
２２…アノード燃料加熱器
２３…アノード燃料改質器

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池のオフガス排出ラインに接続された燃焼器と、
   前記燃料電池のカソードガス供給ラインに介装され、前記燃焼器が生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能なカソード側熱交換器と、
   前記燃焼器と前記カソード側熱交換器との間に、前記燃焼ガスを前記カソード側熱交換器に導入可能に接続された燃焼ガス通路と、
   液状燃料の貯蔵タンクと、
   前記カソード側熱交換器に対し、前記燃焼ガスの流れに関して下流側に接続される一方、前記貯蔵タンクから前記液状燃料の供給を受け、前記カソード側熱交換器を通過した後の前記燃焼ガスとの熱交換により前記液状燃料を蒸発させる燃料蒸発器と、
   前記燃料蒸発器と前記燃焼器との間に、前記燃料蒸発器により生じさせた気化燃料を前記燃焼器に導入可能に接続された気化燃料通路と、
   を備える燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池のオフガス排出ラインに接続された燃焼器と、
   前記燃料電池のカソードガス供給ラインに介装され、前記燃焼器が生じさせた燃焼ガスを高温流体として動作可能なカソード側熱交換器と、
   前記燃料電池のアノードガス供給ラインに介装され、前記燃焼ガスを高温流体として動作可能なアノード側熱交換器と、
   前記燃焼器に接続されるとともに、前記カソード側およびアノード側の各熱交換器に対し、前記燃焼ガスを並列に導入可能に接続された燃焼ガス通路と、
   液状燃料の貯蔵タンクと、
   前記カソード側熱交換器に対し、前記燃焼ガスの流れに関して下流側に接続される一方、前記貯蔵タンクから前記液状燃料の供給を受け、前記カソード側熱交換器を通過した後の前記燃焼ガスとの熱交換により前記液状燃料を蒸発させる燃料蒸発器と、
   前記燃料蒸発器と前記燃焼器との間に、前記燃料蒸発器により生じさせた気化燃料を前記燃焼器に導入可能に接続された気化燃料通路と、
   を備える燃料電池システム。
3. 前記燃料蒸発器が、前記カソード側熱交換器および前記アソード側熱交換器に対し、前記燃焼ガスの流れに関して下流側に接続され、前記カソード側熱交換器を通過した後の燃焼ガスおよび前記アノード側熱交換器を通過した後の燃焼ガスとの熱交換により前記液状燃料を蒸発させる、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼ガス通路が、
   前記燃焼器から延びる集合部と、
   前記燃焼ガスの流れに関して前記集合部の下流側に接続され、前記集合部を流れる前記燃焼ガスを前記カソード側およびアノード側の各熱交換器に向けて分岐させる分岐部と、
   を有し、
   前記分岐部が、
   前記カソード側熱交換器に接続され、分岐後の前記燃焼ガスを前記カソード側熱交換器に案内する第１分岐部と、
   前記アノード側熱交換器に接続され、分岐後の前記燃焼ガスを前記アノード側熱交換器に案内する第２分岐部と、
   を有する、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料蒸発器が、
   前記第１分岐部を介した前記燃焼ガスを受ける第１熱交換部と、
   前記第２分岐部を介した前記燃焼ガスを受ける第２熱交換部と、
   を有し、
   前記第２熱交換部が、前記液状燃料の流れに関して前記第１熱交換部の下流側に配設された、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１分岐部を流れる前記燃焼ガスの流量が、前記第２分岐部を流れる前記燃焼ガスの流量よりも大きい、
   請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記第１分岐部が、前記カソード側熱交換器を通過した後の前記燃焼ガスを排出する第１排出口に向かう第１排出通路に連通接続され、
   前記第２分岐部が、前記アノード側熱交換器を通過した後の前記燃焼ガスを排出する、前記第１排出口とは別個に設けられた第２排出口に向かう第２排出通路に連通接続された、
   請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記気化燃料通路が、カソードオフガスの流れに関して前記燃焼器の上流側で前記燃料電池のカソードオフガス排出ラインに接続され、
   前記気化燃料を、前記カソードオフガス排出ラインを流れるガスとの混合後、前記燃焼器に供給可能に構成された、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記液状燃料が、エタノール水溶液である、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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