JP3620486B2

JP3620486B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3620486B2
Application number: JP2001252595A
Authority: JP
Inventors: 忠庄子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: JP2003068344A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
改質器を有する燃料電池システムでは、燃料電池から排出されるアノード排ガス中に含まれる水素を燃焼させ、その燃焼熱により改質用の原料（炭化水素系燃料またはこれと水との混合燃料。以下同様。）を気化することでエネルギ効率を高めることができる。
【０００３】
原料の気化方法として、熱交換型の蒸発器を適用した場合、例えば燃料電池のアノード排ガスを可燃ガスとし、酸素と燃焼反応を起こさせると、燃焼エネルギは燃焼器そのもの温度上昇に利用されたのち蒸発器へ供給され、次いで蒸発器がある程度昇温してから液体燃料の気化が開始される。すなわち、燃焼器と蒸発器を組み合わせた気化方法では、燃焼器と蒸発器の熱容量が起動までの遅れ時間の主な要因となる。
【０００４】
ところで、燃料電池のアノード排ガスを可燃成分とした燃焼ガスを燃料蒸発のためのエネルギ源に用いる場合には、供給熱量が気化熱とほぼ同等以上でなければならない。燃料電池というエネルギーシステムの効率から排気熱量が多いことは望ましくない。余剰エネルギが少ないということは、一定運転条件を保持した場合には高効率運転が成立するが、例えば運転負荷が低負荷から高負荷へ変動する場合には運転そのものが不可能となる。運転負荷を高負荷側に変動するということは、改質燃料の蒸発量を増やす必要性があることを意味している。
【０００５】
しかしながら、気化熱に利用できる熱量には制限があり、この問題に対しては、外部からエネルギを加えるか、前述の余剰エネルギを効率的に利用する必要がある。アノード排ガスを燃焼させる機構において、前記の外部からエネルギ供給を行う手法では、これはすなわち改質燃料を蒸発させるために別経路からエネルギ供給を行う機構を装備するということであり、装置の複雑化を招き、エネルギ効率的にも好ましくない。また余剰エネルギを利用する手法では、一般に設備の熱容量から負荷変動要求に対する遅れ時間が大きくなってしまうという問題が生じる。
【０００６】
これに対して、特開2000-100462号公報には、小型化した燃焼バーナと蒸発器を組み合わせた気化装置を並列に複数組み合わせる構造が開示されている。この場合、低負荷で運転する場合には、作動させる燃焼バーナーを1個ないしは少数にしぼること、および個々の燃焼器や蒸発器を小型化している効果で、前述した熱容量に伴う遅れ時間を改善できるとしている。しかしながら、低負荷から高負荷へ移行する場合には、液体の蒸発温度よりずっと低い温度にある蒸発器を加熱する必要があるため、蒸発器が小型であるからといっても必ずしも燃料の気化応答性は速くならない。また、蒸発器へ供給される燃焼ガスは、蒸発器内での温度分布を少なくするため、触媒燃焼により得られた燃焼ガスを用いることが望ましいが、燃焼触媒には燃焼可能となる温度(Light Off Temperature)が設定されており、燃料が供給されてもこの温度以下では燃焼しない。
【０００７】
また、特開2000-203801号公報には、プレートフィン型熱交換器において、加熱ガスが流れる流路の表面に燃焼触媒を担持させた装置が提案されている。この装置では可燃ガスと酸素が蒸発器を通過する際に、蒸発器に担持してある触媒表面で燃焼し、生じた熱エネルギはプレートフインを介して改質燃料の気化に利用される。この場合、燃焼器と蒸発器を一体とすることで全体の熱容量を減少させ、遅れ時間を短縮している。しかしながら、このように燃焼バーナの代わりに触媒燃焼器を適応したとしても、低負荷のとき作動しない燃焼器は低温となるため、高負荷へ変化した場合もそれまで停止していた触媒燃焼器は作動しない。よって、負荷変動時の遅れ時間を短縮する効果は不十分である。また、熱交換器のプレートフインには本来熱伝導度のよい金属を用いるが、プレートフインに触媒を担持させる場合にはセラミックスを担体として使用することになるため、それだけ熱交換性能を低下させることとなる。一方、触媒燃焼は主には触媒表面で起こる化学反応であり、その時に生じる熱量は触媒ではなく気体に与えられると考えてよい。これらのことから考えると、蒸発器へ触媒を担持させた構造は、燃焼エネルギを蒸発器で効率的に利用することは困難である。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、燃料電池の負荷変動に対し、応答性よく改質用の原料を蒸発させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、液体燃料を含む原料から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器に供給する原料を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器に熱源となる加熱ガスを供給する燃焼器とを複数組設け、かつ前記複数の蒸発器および燃焼器を、蒸発器からの排出加熱ガスが下流側の燃焼器に導入されるように直列に接続した。
【００１０】
また、前記複数の蒸発器に原料を供給する原料供給装置を、燃料電池の負荷に応じた個数の蒸発器に選択的に原料を供給するように構成した。
【００１１】
第２の発明は、前記第１の発明において、その燃焼器を、燃焼触媒を用いた触媒燃焼器で構成した。
【００１２】
第３の発明は、前記各発明における燃焼器には、可燃性成分として燃料電池アノード排ガス中に含まれる炭化水素成分および/または酸化助剤として燃料電池カソード排ガス中に含まれる酸素を供給するようにした。
【００１３】
第４の発明は、前記第３の発明における複数の燃焼器は、その総燃焼能力を、燃料電池アノード排気ガスの可燃性成分を略全量燃焼させることが可能なように設定した。
【００１４】
第５の発明は、前記第１の発明から第４の発明において、複数の燃焼器を、下流側に位置するものほど燃焼効率を高く設定した。
【００１５】
第６の発明は、前記第５の発明において、複数の燃焼器を、それぞれの燃焼能力の総和を1としたときに、上流側から１段目が０．１〜０．３、２段目が０．２〜０．４、３段目が０．３〜０．７の範囲でそれぞれの燃焼能力が設定される３個の燃焼器から構成した。
【００１６】
第７の発明は、前記第３から第６の発明において、燃焼器へ供給される燃料電池アノード排気ガス流量を測定し、燃焼器へ供給する酸素量を制御するようにした。
【００１７】
第８の発明は、前記各発明において、原料中の燃料成分として、アルコール類またはガソリン等の低級炭化水素を含むものとした。
【００１８】
【作用・効果】
第１の発明以下の各発明によれば、燃焼器と蒸発器を直列に複数段で組み合わせたことにより、例えば燃料電池が極低負荷で運転した場合には、直列に配した燃焼器の１段目のみが作動する。このとき燃焼器に隣接して蒸発器を配することにより燃焼器で得た熱量を効率よく蒸発器へ与えることができる。この場合、1段目に位置する燃焼器の熱量は、2段目以降の燃焼器と蒸発器を昇温するための熱量を与える必要が無く、言い換えれば、この構成によれば、燃焼器と蒸発器の必要温度まで昇温する熱容量を最小限にすることが可能となる。
【００１９】
より詳細には、直列に組み合わせた燃焼器および蒸発器のうちの任意の個数を作動させることでより効率を高めることができる。すなわち、運転負荷が低い場合には上流側に位置する１段目の燃焼器および蒸発器のみを作動させ、ある程度以上に負荷が増大したときには、１段目の燃焼器で燃焼しきれなかった可燃ガスが２段目以降の燃焼器へ供給されるので、２段目以降に原料を供給することで所要量の改質ガスを生成することが可能となる。３段以上の燃焼器および蒸発器を有する場合も同様であり、このようにして運転負荷に対応した量の改質ガスを的確に供給することができる。
【００２０】
前記燃焼器としては、第２の発明として示したように、触媒燃焼器を適用することが可能である。仮に特開2000-100462に開示されているように燃焼器と蒸発器を並列に組み合わせた構成を採用した場合、低負荷のときには作動していない燃焼器が低温になるため、触媒の活性化温度にまで上がらず、すぐには燃焼を開始できず応答性が悪い。これに対して、本発明では燃焼器と蒸発器を直列に組み合わせたことで、上流の燃焼器から排出される燃焼ガス温度は、蒸発させる液体の気化温度相当となる。一般に、改質燃料の気化温度は６０℃〜１２０℃程度であり、本発明の構成では、作動していない燃焼器や蒸発器は低負荷状態でもこの温度で暖機されており、しかも前述の６０℃〜１２０℃の温度は通常の燃焼触媒の活性化温度以上であるため、低負荷から高負荷へ負荷変動した場合にも優れた応答性を発揮することが可能となる。
【００２１】
第３の発明によれば、前記燃焼器で燃焼する可燃成分を燃料電池本体から排出されるアノード排気ガス中から得るものとしている。アノード排ガス中に含まれる残留水素成分が燃焼して、蒸発に必要な熱量を供給することによって、燃料電池全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。
【００２２】
第４の発明によれば、直列に多段化した燃焼器の燃焼効率の和が、燃料電池を定格運転した場合に排出されるアノード排ガス中に含まれる可燃ガス成分をほぼ全量燃焼させることを可能とする。これは、燃料電池の特性に応じて予め燃焼器の能力を定めておく。排気ガス中の可燃成分は主には水素、その他微量ではあるが、一酸化炭素や炭化水素も含まれる。本発明によりこれらの有害ガスの排出を低減することができる。
【００２３】
燃焼温度と燃焼により生じる発熱量は可燃ガス組成と流量、酸化助剤(通常は酸素)の濃度と流量、不燃性ガスの濃度と流量によって決まる。燃料電池のアノード排気ガスを燃焼させる場合、分析器などで調査することで各ガス成分の組成や濃度を把握することは容易に可能である。燃焼器で発生する熱量と温度を把握することができれば、各蒸発器で必要な熱量を各燃焼器から供給させることが可能となる。この特徴は第５の発明に関する。
【００２４】
燃料電池の定格（最大出力）値が極めて大きい場合はその限りでないが、車両用として現実的、一般的には、燃焼器と蒸発器の組合せは3段程度とするのが、装置の大きさおよびコストの観点から好ましく、これに加えて、第７の発明として示したように各燃焼器の燃焼能力を配分することで、低負荷から高負荷まで効率よく燃焼を行わせることが可能となる。ここで、燃焼器の総数をN、N個の燃焼器の総燃焼能力をR、Ｘ番目（ただし、１≦Ｘ≦Ｎ）の燃焼器の燃焼能力をＲｘとするとき、Ｒｘは次式で表される。なお、Rは前述のように燃料電池から排出される定格運転時の排ガスをほぼ全量燃焼させられる燃焼能力を設定する。
【００２５】
Ｒｘ＝Ｒ（Ｘ！ − (Ｘ−１)！)／Ｎ！ … （１）
燃料電池の能力によっては排気ガスを燃焼させても燃料の気化温度に達しない場合や、逆に燃焼ガス温度が高温になり、燃焼器の耐熱温度を超えてしまうことも予想される。これに対して第７の発明によれば、燃料電池のアノード排ガス流量を測定し、アノード排ガス中の可燃ガスを燃焼させ、その時の燃焼温度を制御することで前記の問題を解消することが可能である。具体的には、酸化助剤が不足した場合、または燃焼温度が高温になりすぎる場合には、外部からポンプにより空気を導入する。一方、酸化助剤が多い場合、または燃焼温度が低い場合には、リリーフバルブ等によりカソード排ガスを逃がす制御をする。
【００２６】
第８の発明として示したように、原料としてはメタノール等のアルコール類、ガソリン等の低級炭化水素またはこれらと水との混合物を適用することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を示す。図において１は改質器であり、空気供給通路１０からの空気および燃料蒸気通路５からの原料蒸気の供給を受けて水素を主成分とする改質ガスを生成する。２は前記改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器、３は前記ＣＯ除去器２から改質ガス通路６を介して送られてくる改質ガスと空気供給通路１１からの空気との供給を受けて発電を行う燃料電池スタックである。前記改質ガスは燃料電池スタック３のアノード極に供給され、空気はカソード極に供給され、それぞれの余剰ガスはアノード排ガス通路７、カソード排ガス通路８を介して多段構成の燃焼器および蒸発器に供給される。
【００２８】
図中の符号ＣとＶはそれぞれ前記の燃焼器と蒸発器であり、添え字１〜ｎはその段数を示している。燃焼器Ｃ１〜Ｃｎは触媒燃焼器、蒸発器Ｖ１〜Ｖｎは熱交換型蒸発器である。図示したように１段目の燃焼器Ｃ１と蒸発器Ｖ１の組み合わせの下流側に２段目の燃焼器Ｃ２と蒸発器Ｖ２の組み合わせが直列に接続されており、さらにその下流側に次段以降のｎ段目までの燃焼器Ｃｎと蒸発器Ｖｎが直列接続されている。最上流に位置する１段目の燃焼器Ｃ１には前記燃料電池スタック３からのアノード排ガス通路７とカソード排ガス通路８とが接続し、それぞれの排ガス中に含まれる未反応の水素と酸素とを燃焼させて蒸発器Ｖ１〜Ｖｎを加熱する。各蒸発器Ｖ１〜Ｖｎはそれぞれ原料通路４に接続した燃料コックＦＣ１〜ＦＣｎを介して図示しない燃料タンクからの液状の原料の供給を受け、前記燃焼ガスの加熱により蒸発器Ｖ１〜Ｖｎにて蒸発した原料は、前述したように燃料蒸気通路５を介して改質器１に供給される。各蒸発器での熱交換を終えた排ガスは最終段の蒸発器Ｖｎから排ガス通路９を介して外部へと排出される。
【００２９】
前記各コックＦＣ１〜ＦＣｎは、図示しない制御装置により、負荷状態に応じて表１に例示したように制御される。表中の負荷１から負荷３さらに定格負荷へと負荷が増大する。各負荷欄の左欄は燃焼器Ｃ１〜Ｃｎの燃焼状態を、右欄は燃料コックＦＣ１〜ＦＣｎの開閉状態をそれぞれ示している。
【００３０】
【表１】

ところで、低負荷の場合に蒸発させることのできる燃料は、燃料電池スタック３から供給される可燃性排ガスの量できまり、原料を蒸発器へ過剰に供給してもその全量を気化することはできない。よって、運転負荷が高まるにともなって、蒸発器Ｖ１〜Ｖｎへの燃料供給量、すなわち作動させる蒸発器の数を増やしていく必要がある。この時に問題となるのは、負荷が増加したときにそれまでに作動していなかった燃焼器が、可燃ガスが供給されてから燃焼を始めるまでの遅れ時間である。この点、本発明によれば、１段目の燃焼器Ｃ１だけが作動している場合であっても、蒸発器Ｖ１から排出されるガス温度は燃料の気化温度以上であり、この温度は後段の燃焼器Ｃ２〜Ｃｎまで触媒を暖機するために十分な温度であり、したがって負荷が高まって可燃ガスと酸化助剤である酸素が燃焼器に到達されると遅れなく作動を開始させることが可能である。
【００３１】
なお、図示しないが、各燃焼器Ｃ１〜Ｃｎの何れかまたは全部には、必要に応じて燃焼用の空気および燃料を追加供給する燃料・空気供給装置を設けた構成としてもよい。
【００３２】
図２に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態では、前記燃焼器および蒸発器を３段階に設けて制御を容易にするとともにコストを低減している。また、1段目の燃焼器Ｃ１は低負荷時に燃焼熱量を迅速に１段目の蒸発器Ｖ１へ供給するために、燃焼器自体の熱容量を小さくしてある。
【００３３】
定格負荷の場合、燃焼温度はＣ１，Ｃ２，Ｃ３の順になるが、1段目の燃焼器Ｃ１で可燃ガスを燃焼する能力が大きい時には、さらにこの温度差が大きくなる。２段目の燃焼器Ｃ２と３段目の燃焼器Ｃ３の関係も同様であり、したがって燃焼能力としてはＣ１，Ｃ２，Ｃ３の順に大きくしたほうが好ましい。例えば、燃焼器Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の燃焼能力の比を２０％，３０％，５０％とすることにより、上流部ほど異常な高温の状態になるおそれが軽減され、かつ燃焼特性と蒸発特性を両立することが可能である。
【００３４】
図３に本発明の第３の実施形態を示す。これは、第１の実施形態を基本構成として、さらに燃料電池スタック３のアノード排ガス流量を検出する流量センサ１２を設けるとともに、カソード排ガス流量を制御するポンプ１３およびリリーフバルブ１５を設け、アノード排ガス流量から想定される燃焼温度に合うようにカソード排ガス流量を制御し、燃焼器Ｃ１〜Ｃｎの温度を最適制御可能としたものである。１４は燃焼用空気を補給するための空気供給通路である。
【００３５】
なお、各実施形態において共通する部分には互いに同一の符号を付して示し、重複する説明は省略した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態の概略構成図。
【図２】本発明による燃料電池システムの第２の実施形態の概略構成図。
【図３】本発明による燃料電池システムの第３の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
１改質器
２ＣＯ除去器
３燃料電池スタック
４原料供給通路
５蒸発燃料通路
６改質ガス通
７アノード排ガス通路
８カソード排ガス通路
９排ガス通路
１０空気供給通路
１１空気供給通路
Ｃ１〜Ｃｎ燃焼器
Ｖ１〜Ｖｎ蒸発器
ＦＣ１〜ＦＣｎ燃料コック

Claims

液体燃料を含む原料から水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質器に供給する原料を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器に熱源となる加熱ガスを供給する燃焼器とを複数組設け、かつ前記複数の蒸発器および燃焼器は、蒸発器からの排出加熱ガスが下流側の燃焼器に導入されるように直列に接続し、
かつ前記複数の蒸発器に原料を供給する原料供給装置を、燃料電池の負荷に応じた個数の蒸発器に選択的に原料を供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃焼器は、燃焼触媒を用いた触媒燃焼器である請求項1記載の燃料電池システム。
前記燃焼器には、可燃性成分として燃料電池アノード排ガス中に含まれる炭化水素成分および/または酸化助剤として燃料電池カソード排ガス中に含まれる酸素を供給する請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池システム。
前記複数の燃焼器は、その総燃焼能力を、燃料電池アノード排気ガスの可燃性成分を略全量燃焼させることが可能なように設定した請求項３に記載の燃料電池システム。
前記複数の燃焼器は、下流側に位置するものほど燃焼効率を高く設定した請求項１から請求項４の何れかに記載の燃料電池システム。
前記複数の燃焼器は、それぞれの燃焼能力の総和を1としたときに、上流側から１段目が０．１〜０．３、２段目が０．２〜０．４、３段目が０．３〜０．７の範囲でそれぞれの燃焼能力が設定される３個の燃焼器からなる請求項５に記載の燃料電池システム。
前記燃焼器へ供給される燃料電池アノード排気ガス流量を測定し、燃焼器へ供給する酸素量を制御するようにした請求項３から請求項６の何れかに記載の燃料電池システム。
前記原料中の燃料成分として、アルコール類またはガソリン等の低級炭化水素を含む請求項１から請求項７に記載の燃料電池システム。