JP3700662B2

JP3700662B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP3700662B2
Application number: JP2002072046A
Authority: JP
Inventors: 雅俊飯尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: JP2003272689A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システム、特にＣＯ除去器内の水凝縮防止手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質装置を備えた燃料電池システムとして、特開平８−１０６９１３号公報等が提案されている。この発明における燃料電池システムは、燃料電池に充填された白金触媒等の劣化の原因となる一酸化炭素を除去するためのCO除去器上流に水分除去器を備え、改質反応器内に設けられた変成手段から排出された改質ガス中の余剰水分を水分除去器で除去した後、CO除去器で一酸化炭素を除去し、再度改質ガスを加湿してから燃料電池に供給している。
【０００３】
ここでは、水分除去器において改質ガス中の余剰水分を除去するために、改質ガスを冷却して余剰水分を凝縮する方法が採られている。また、熱交換型CO除去器において選択酸化触媒により改質ガス中の一酸化炭素を除去する際にも、活性温度に保つために触媒を冷却するので同時に改質ガスも冷却される。特開平８−１０６９１３号公報においては、水分除去器に供給された改質ガスおよびCO除去器に充填した触媒の冷却を、一系統の冷却水循環系を用いて行っている。
【０００４】
水分除去器に流入する、変成手段から排出された改質ガスは余剰水蒸気を多量に含んでいるが、CO除去器に導入される前に水分除去器を通過させることで余剰水蒸気を凝縮回収し、CO除去器に用いられている選択酸化触媒の表面を濡らして目詰まりを生じさせ、活性面にガスが接触するのを妨げることを防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、水分除去器およびCO除去器での改質ガスの圧力調整が、燃料電池の運転圧を調整することによりなされるので、以下のような問題があった。
【０００６】
まず、水分除去器およびCO除去器内の改質ガス圧力がほぼ同じであるため、水分除去器と熱交換型CO除去器を1系統の冷却媒体で冷却した場合、ＣＯ除去器内で水分の凝縮が起こるという問題がある。水分除去器が十分な容量を持ち、冷却媒体と改質ガスの温度差がほぼなくなるまで改質ガスの温度を低下させて水蒸気量を低下させなければ、CO除去器内でさらに改質ガス温度が低下するので、その結果CO除去器内で水蒸気の凝縮による選択酸化触媒の目詰まりが生じ、一酸化炭素の選択酸化反応が阻害される。
【０００７】
また、CO除去器に流入する水分量を水分除去器に流入する冷却水の流量により制御するため、冷却水の循環に要する時間および水分除去器自体の熱容量分だけ応答時間が生じる。一方、燃料電池システムを車輌等の負荷変化の頻繁なシステムの動力源として用いた場合には、燃料電池システム内の圧力は素早く変化する。このため、従来の水分除去装置の応答時間では応答遅れを生じて、CO除去器内で水が凝縮してしまうという問題がある。
【０００８】
さらに、固体高分子形燃料電池においては、CO除去器を含めた各改質要素に比べて燃料電池が低温で運転されるので、十分な燃料電池の冷却量を得るためには、燃料電池冷却用冷媒の冷却装置を大型化して十分な放熱量を確保する必要があるという問題がある。
【０００９】
そこで本発明はCO除去器における水分の凝縮を回避し、また燃料電池の十分な冷却を行い、効率的に出力を得ることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、改質反応により生成した改質ガスを燃料電池に用いて発電を行う改質型燃料電池システムにおいて、改質ガスを生成する改質反応器と、前記改質反応器により生成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒により除去するＣＯ除去器と、前記ＣＯ除去器の上流に設置された改質ガス中の水分を凝縮することにより除去する水分除去器と、前記水分除去器と前記ＣＯ除去器の間に設置された圧力調整弁と、前記水分除去器および前記ＣＯ除去器を冷媒により冷却する改質用冷却システムと、前記圧力調整弁を用いて前記水分除去器内の圧力を調整することにより、前記水分除去器内での水分の凝縮量を制御する制御手段とを備えた。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記ＣＯ除去器の圧力と温度に基づき、前記水分除去器内の圧力を制御する。
【００１２】
第３の発明は、第１の発明において、前記ＣＯ除去器の圧力と温度に基づき、前記水分除去器内の圧力と温度を制御する。
【００１３】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記燃料電池システムの運転負荷と、その運転負荷に応じて前記ＣＯ除去器より上流側に供給される水分量と、前記改質反応器に供給される空気量とから前記ＣＯ除去器に流入する改質ガス中の水分量を推定するモデルを備え、前記モデルによる推定結果に基づいて前記水分除去器内の圧力を制御する。
【００１４】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記ＣＯ除去器の上流に水分凝縮を検知する検知手段を設け、前記水分除去器の圧力を前記検知手段の検知結果に基づいて制御する。
【００１５】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記燃料電池に空気を供給する発電用空気供給装置と、前記改質反応器に空気を供給する改質用空気供給装置と、を備え、前記発電用空気供給装置に対して前記改質用空気供給装置を少容量高圧型にした。
【００１６】
第７の発明は、第１から６のいずれか一つの発明において、前記ＣＯ除去器から排出されてから前記燃料電池で発電に使用されるまでの間に改質ガスに水分を供給する水供給部と、前記燃料電池を冷却する発電用冷却システムとを備え、前記発電用冷却システムの放熱量が不足する運転条件では、前記水分除去器の圧力を上昇させて前記改質ガス中の水分の凝縮量を増加させることにより、前記改質用冷却システムの放熱量を増加して前記発電用冷却システムにおける放熱量の不足を補う。
【００１７】
第８の発明は、第１から７のいずれか一つの発明において、前記燃料電池における改質ガス圧力を制御してから前記水分除去器の圧力を制御する。
【００１８】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、水分除去器内の水分凝縮量を圧力により制御する制御手段を備えたので、燃料電池の運転条件が変化したときにも応答よく水分凝縮量を増加して、ＣＯ除去器での水分凝縮を回避することで、選択酸化触媒の目詰まりを防止できる。
【００１９】
第２の発明によれば、ＣＯ除去器の圧力と温度に基づき水分除去器内の圧力を調整することで、水分除去器の圧力上昇をＣＯ除去器で水が凝縮しない範囲で抑えることができる。
【００２０】
第３の発明によれば、水分除去器の圧力と温度を調整することで、圧力により応答よくＣＯ除去器内での水分凝縮を回避し、温度を調整することにより水分除去器の圧力上昇を抑制することができるので、圧力上昇のためのシステム効率低下を防止することができる。
【００２１】
第４の発明によれば、燃料電池の運転条件に応じて圧力調整を行うため、改質ガスに含まれる水分量が少なく、元々水凝縮が起こらない条件では圧力調整を省略して効率を向上させることができる。
【００２２】
第５の発明によれば、水分凝縮を検知する手段を備えることで、水分除去器の圧力調整を確実に行うことができる。
【００２３】
第６の発明によれば、発電用空気供給装置に対して改質用空気供給装置を少容量高圧型にしたため、空気供給装置の動力の増加を小さく抑えることができる。
【００２４】
第７の発明によれば、水分除去器の圧力を上昇させて改質ガス中の水分の凝縮量を増加させることにより改質用冷却システムの放熱量を増加することで、発電用冷却システムにおける放熱量の不足を補うことができる。
【００２５】
第８の発明によれば、水分除去器内の圧力を制御する前にまず燃料電池内における改質ガスの圧力を調整することで、要求出力を得るために必要な燃料電池の改質ガス運転圧力を確実に実現することができるので制御性が向上する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態における燃料電池システムの構成を図１に示す。
【００２７】
内部加湿型の固体高分子形燃料電池２（以下、燃料電池２）の酸素極には発電用空気供給装置であるブロア７より適量の空気が供給され、一方燃料極には後述する燃料改質システムにより水素含有ガスが供給され、電極間を水素イオンが移動することにより化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。このとき、電気エネルギーに変換できなかった分は熱エネルギーとして燃料電池２の温度を上昇させる。そこで、効率的な発電を行うために燃料電池冷媒流路３１を循環する冷媒により燃料電池２の冷却を行う。この冷媒の流量および温度は、燃料電池冷媒流路３１上に設置した燃料電池冷媒ポンプ３２、燃料電池冷却装置３０により調整する。
【００２８】
燃料電池２からの排ガスは、排空気流路２０および排水素ガス流路２１を通り、燃焼器１に供給される。排空気流路２０および排水素ガス流路２１上には、燃料電池２のそれぞれの電極の圧力を調整する圧力調整弁４１、４２と、コンデンサー２２、２３を設置する。コンデンサー２２、２３は後述の燃料改質システムに水を供給する水タンク１０に接続されており、燃料電池２からの排ガス中の水分を再び燃料電池システムで利用するために水タンク１０に回収する。
【００２９】
燃焼器１に供給された排ガスは、燃焼器１内に充填された燃焼触媒により後述する燃料改質システムに必要な熱を生成した後、燃料電池システム外部に排出される。
【００３０】
次にこのような燃料電池システムに用いる水素を含有する改質ガスを生成する燃料改質システムについて説明する。
【００３１】
燃料タンク１１に保有している炭化水素系燃料、たとえばメタノールと、水タンク１０に保有している水をそれぞれ燃料ポンプ１２、水ポンプ１３により、改質反応を行う改質部とシフト反応を行うシフト部を備えた改質反応器４に供給する。改質反応器４では改質用空気供給装置であるコンプレッサ８により加えられた圧力下で改質反応、シフト反応が起こり、水素リッチな改質ガスが生成される。このように生成された改質ガス中には、燃料電池２に充填された白金触媒の劣化の原因となる一酸化炭素が含まれている。そこで、これを除去するために、改質反応器４の下流にＣＯ除去器５を設置する。
【００３２】
ＣＯ除去器５は選択酸化触媒層と、選択触媒層で発生した酸化熱を除去し触媒の活性温度を維持するための熱交換器とから形成されている。ＣＯ除去器５内の温度は後述する冷媒流路３３を循環する冷媒により調整され、またＣＯ除去器５内の改質ガスにはコンプレッサ８により圧力が加えられる。
【００３３】
ここで、改質反応器４で生成された改質ガスは水蒸気を多量に含んでおり、これをＣＯ除去器５に直接供給すると、ＣＯ除去器５に充填された選択酸化触媒層で余剰水蒸気による目詰まりを生じることがある。凝縮による目詰まりが生じると、改質ガスと接する触媒の面積が減少し、反応が十分に行われないことがある。この目詰まりを防ぐために、改質反応器４とＣＯ除去器５の間に水分除去器６を設置する。
【００３４】
水分除去器６を、後述する冷媒流路３３を循環する冷媒により改質ガスを冷却する熱交換器と、改質ガス中の余剰水分を分離する気水分離器とから形成する。水分除去器６内を流れる冷媒の温度、流量により改質ガス中の水分の凝縮量を調整することができる。
【００３５】
このようなＣＯ除去器５および水分除去器６を冷却する冷媒を一系統の冷媒流路３３により供給する。冷媒流路３３上には冷却装置３５およびポンプ３４を設置し、温度・流量を調整した冷媒を水分除去器６に供給する。冷媒は水分除去器６内で余剰水分を凝縮した後、ＣＯ除去器５で選択酸化触媒層および改質ガスの冷却を行い、再び冷却装置３５に供給される。
【００３６】
前述のような燃料改質システムにおいては、水分除去器６とＣＯ除去器５に供給される冷媒温度がほぼ同じであるので、改質ガスが水分除去器６内で冷媒温度にまで低下していない場合には、ＣＯ除去器５の選択酸化触媒層内で改質ガスがさらに冷却されて水蒸気が凝縮し、その結果、触媒の目詰まりを生じることがある。そこで、本実施形態では水分除去器６とＣＯ除去器５の間に圧力調整弁４０を設置する。この圧力調整弁４０により、水分除去器６の圧力をＣＯ除去器５の圧力より高くすることで、ＣＯ除去器５内の水蒸気の凝縮を回避する。
【００３７】
水分除去器６内の改質ガス圧力を調整する際に、始めに燃料電池２の燃料極からの排ガス流路である排水素ガス流路２１上に設置した圧力調整弁４２により、燃料電池２内の改質ガス圧力を、要求出力を得るために必要な改質ガス圧力に調整する。同時に排空気流路２０上に設置した圧力調整弁４１を、燃料電池２の空気極が運転条件に応じた圧力となるように調整する。燃料電池２内の改質ガス圧力が所定の圧力に達した後、水分除去器６の下流に設置した圧力調整弁４０により水分除去器６内の改質ガス圧力を調整して水分凝縮量を調整する。このように、水分除去器６内の圧力を制御する前に燃料電池２内における改質ガス圧力を制御するので、要求出力を得るために必要な燃料電池２の改質ガス運転圧力を確実に実現することができ、且つ、制御性を向上することができる。
【００３８】
次に図２および図３を用いて、水分除去器６の圧力をＣＯ除去器５の圧力よりも高くすることでＣＯ除去器内の水蒸気の凝縮を回避できる点について説明する。図２、図３は、それぞれ従来例と本発明におけるガス温度に対する圧力（全圧および水蒸気分圧）の変化について飽和水蒸気分圧曲線と共に示したものである。図２、図３に共通するものとしてＣＯ除去器５の圧力をＰｃｏ、水分除去器６に流入するガス温度をＴｈ、水分除去器６により冷却された後のガス温度、すなわちＣＯ除去器５に流入するガス温度をＴｒ、ＣＯ除去器内のガス温度をＴｃｏとする。一方、図３では水分除去器６の圧力はＰｃｏより大きいＰｒとしている。ここで、Ｔｒに比べてＴｃｏが低くなっているのは、水分除去器内部で改質ガスの温度は冷媒温度まで低下することはないので、ＣＯ除去器には温度Ｔｒ以下の冷媒が流入し、ＣＯ除去器内の特に反応が活発でない領域で改質ガスの温度が低下するためである。
【００３９】
図２において温度Ｔｈ、水蒸気分圧Ｐａのガスが水分除去器６に流入すると、温度Ｔｒに冷却されて水蒸気分圧は飽和水蒸気分圧Ｐｓｒにまで低下する。ところがさらにＣＯ除去器に流入して前述した理由により温度がＴｃｏになると水蒸気分圧はＰｓｃｏとなって、ＰｓｒとＰｓｃｏの差圧分の水蒸気がＣＯ除去器内で凝縮してしまう。
【００４０】
一方、図３において水分除去器６の圧力ＰｒはＣＯ除去器５の圧力Ｐｃｏより高いため、水分除去器６に流入するガスは温度Ｔｈ、水蒸気分圧Ｐｂとなっている。この時、図２と図３における、水分除去器６に流入するガスに含まれる水蒸気と水蒸気以外のガス成分の分圧比は同一で、図中の記号ではＡ：Ｂ＝Ｃ：Ｄの関係が成り立っている。温度Ｔｈ、水蒸気分圧Ｐｂのガスが水分除去器６に流入すると、温度がＴｒに冷却されて水蒸気分圧は飽和水蒸気分圧Ｐｓｒにまで低下する。この後本発明ではＣＯ除去器に流入する前に圧力調整弁４０が設けられていて、圧力調整弁４０を通過することにより、圧力がＣＯ除去器５の圧力と同じＰｃｏにまで低下すると共に水蒸気分圧もＰｓｒからＰｃにまで低下する。圧力調整弁４０を通過する前のガスと通過した後のガスに含まれる水蒸気と水蒸気以外のガス成分の分圧比は同一なので、図中の記号ではＥ：Ｆ＝Ｇ：Ｈの関係が成り立っている。このようにして温度Ｔｒ、水蒸気分圧Ｐｃとなったガスが、ＣＯ除去器５に流入して温度がＴｃｏになっても、水蒸気分圧Ｐｃは飽和水蒸気分圧Ｐｓｃｏ以下となるため水の凝縮は起こらない。
【００４１】
このような制御を行うために、圧力調整弁４０の上流および下流の圧力を測定する圧力センサー５０、５１、ＣＯ除去器５に供給される冷媒の温度を測定する温度センサー７０、水分除去器６の温度を測定する温度センサー７１を設置する。また、これらの測定結果により圧力調整弁４０の開度を制御する制御手段６０を設置する。
【００４２】
次に圧力制御手段６０における燃料電池システムの制御方法を図４に示す。図４に示されるフローは一定間隔で繰返し実行される。まずステップＳ１においてＣＯ除去器圧力を圧力センサー５１により測定する。ＣＯ除去器は圧力調整弁４０の下流に位置するため、ＣＯ除去器圧力は圧力調整弁４２により制御される燃料電池２の運転圧力とほぼ等しく、燃料電池２の圧力あるいはその目標値をＣＯ除去器の圧力とすることもできる。ステップＳ２でＣＯ除去器温度を測定する。本実施形態ではＣＯ除去器に流入する冷媒温度を温度センサー７０により測定し、ＣＯ除去器の取り得る最低温度として用いることにより水凝縮の発生機会を減少させている。続いてステップＳ３では、ＣＯ除去に流入しても水凝縮を生じない水分量、すなわち許容流入水分量を算出する。この水分量は、ＣＯ除去器内で水の凝縮を生じない流入水分割合（＝単位流量当たりの流入水分量）の最大値をＣＯ除去器の温度と圧力との関係で示した図５を用いて、ステップＳ１およびＳ２で求めた圧力と温度から求めることができる。
【００４３】
次にステップＳ４では水分除去器内温度を温度センサー７１により測定する。あるいは水分除去器６から排出されるガス温度を測定して、水分除去器温度と見なすこともできる。ステップＳ５では水分除去器を通過する水分量が、ステップＳ３で求めたＣＯ除去器の許容流入水分量となるような水分除去器の圧力を算出する。この圧力は、水分除去器から排出されるガスに含まれる水分量割合（＝単位流量当たりの通過水分量）の最大値を水分除去器の圧力と温度との関係で示した図６を用いて、ステップＳ３で求めたＣＯ除去器の許容流入水分量とステップＳ４で測定した水分除去器温度により求めることができる。ステップＳ６では圧力制御弁４０の開度を、例えば圧力センサー５０で測定される圧力がステップＳ５で求めた圧力となるよう調節する。圧力制御弁４０は、制御性を高める為に動作速度が速い高反応のものを使用するのが望ましい。
【００４４】
このように水分除去器内の圧力を制御することにより、ＣＯ除去器内での水凝縮を回避しＣＯ除去性能を高く維持することができる。
【００４５】
また、燃料電池２にはブロア７から、改質反応器４にはコンプレッサ８から空気を供給しているので、燃料電池２と改質反応器４はそれぞれ独立して圧力を設定することができる。ここでは、改質反応器４には高圧・小流量の空気を供給し、燃料電池２にはそれよりも低圧・大流量の空気を供給する。これにより、水分除去器６での改質ガス圧力上昇に合わせて燃料電池２へ供給する空気の圧力を上昇させる必要がなく、空気供給装置（ブロア７、コンプレッサ８）の動力増加を抑えることができる。
【００４６】
さらに、水分除去器６と燃料電池２の冷却系をそれぞれ独立して設置するので、水分除去器６の冷媒は、燃料電池２の冷媒よりも高温（例えば１００℃〜１５０℃）で冷却装置３５において冷却されるため、例えば大気に放熱する場合には、大気と冷媒の温度差が燃料電池２の冷媒（例えば６０〜８０℃）よりも大きくなり、冷却装置３５を小型にすることができる。また、冷却装置３５における放熱を大きくすることができ、燃料電池２の冷媒の冷却装置３０からの放熱量不足を補うことができる。
【００４７】
次に第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は図７に示すような構成で、第1の実施形態に対して水分除去器６の冷却系とＣＯ除去器５の冷却系が独立している点が異なる。すなわち水分除去器の冷却系は、冷媒流路３３、ポンプ３４、および冷却装置３５とで構成され、ＣＯ除去器の冷却系は、冷媒流路３６、ポンプ３７、および冷却装置３８とで構成される。このような構成とすることで、反応に適したＣＯ除去器の温度に影響を与えることなく水分除去器の温度を制御することができる。
【００４８】
今まで説明してきた通り、水分除去器を通過する水分量は水分除去器の圧力と温度に依存する。第１の実施形態では、ＣＯ除去器温度を反応に適した温度に維持するために冷却水の流量および温度は決められていたので、水分除去器の温度は制御することができず圧力だけを制御した。圧力を高めるには改質器上流に位置するコンプレッサ８の運転圧力を高めなければならない場合も出てくるが、ところが一般に気体空気を送出するコンプレッサは特に高圧側で液体ポンプに比べて消費する電力が大きい。従って運転圧力を高めた場合にシステム全体の電力総消費量が大きくなってしまい、圧力増加はシステム効率を低下させる。そこで実施形態２では水分除去器６の冷却系をＣＯ除去器５の冷却系と独立させて、水分除去器の温度を下げることによっても通過水分量を減らすことができるようにした。従って、コンプレッサ圧力を高いまま運転を継続する必要がなくなり効率が向上すると共に、冷却水の温度が目標に達しない間は第１の実施形態と同様、圧力を制御することで応答性が高い水凝縮防止を行うことができる。
【００４９】
図８に第２の実施形態における制御方法を示す。図８に示されるフローは一定間隔で繰返し実行される。ステップＳ１からステップＳ６までは第１実施形態と同一で、新たにステップＳ７、ステップＳ８が追加されている。ステップＳ１からステップＳ６までの説明は第１実施例と同じなので、ステップＳ７、ステップＳ８について説明する。
【００５０】
ステップＳ７では水分除去器６の目標温度を、水分除去器６の目標圧力とＣＯ除去器許容流入水分量とから算出する。圧力制御弁４０はできるだけ開いていたほうがコンプレッサ８の出力が小さくて済むので、圧力制御弁４０を開いた場合の圧力、すなわちＣＯ除去器５の圧力を水分除去器６の目標圧力とする。従って水分除去器の目標温度は、ステップＳ１で求めたＣＯ除去器圧力とステップＳ３で求めたＣＯ除去器許容流入水分量とから、図６の関係を使って求めることができる。ステップＳ８では水分除去器６の温度を目標温度とするために、予め決められた制御量に基づいてポンプ３４あるいは冷却装置３５を制御することにより、冷媒の流量あるいは温度を低下させる。
【００５１】
このように制御することで、コンプレッサ圧力を高いまま運転を継続する必要がなくなるので、効率向上と応答性が高い水凝縮防止の両立を図ることができる。
【００５２】
次に第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の構成は、第１の実施形態（図１）あるいは第２の実施形態（図７）と同じである。第３の実施形態ではガスに含まれる水分量を改質反応モデルによって推定し、推定された水分量がＣＯ除去器の許容水分量以下である場合にはＣＯ除去装置の水凝縮防止制御を行わないことに特徴がある。このように制御することで、元々ＣＯ除去器に流入する水分量が許容流入水分量よりも少なく水凝縮防止制御が不要である場合に、水分凝縮器の圧力上昇に必要なコンプレッサや温度低下に必要な冷却水ポンプあるいは冷却装置が無駄に動作しないようにして効率を高めることができる。
【００５３】
図９に本実施形態の制御フロー図を示す。本フローは一定間隔で繰返し実行される。ステップＳ１からステップＳ８までは第２の実施形態（図８）と同一で、新たにステップＳ９とステップＳ１０が追加されている。ステップＳ１からステップＳ８までの説明は第２の実施形態と同じなので、ステップＳ９およびステップＳ１０について説明する。
【００５４】
ステップＳ９では改質反応モデルを用いて、改質ガスに含まれる水分量Ｗを算出する。改質ガスに含まれる水分量Ｗを算出する方法について、図１０を用いて説明する。
【００５５】
まず改質反応により消費する水分量を算出する。改質反応器４に供給する空気中に含まれる酸素量Ｗ_O2、また改質反応器４に供給される燃料に含まれる炭素量Ｗ_Cを燃料電池システムに要求される運転条件から算出する。この結果から図１１のような改質反応モデルを用いて改質反応で消費する水分量Ｗ₂を推定する。
【００５６】
次に、シフト反応により消費する水分量を算出する。図１１において、酸素量Ｗ_O2と炭素量Ｗ_Cより改質反応において生成される一酸化炭素量Ｗ_COを求める。これと、改質反応器運転負荷を用いて、図１２のようなシフト反応モデルからシフト反応に必要な水分量Ｗ₃を推定する。
【００５７】
また、改質反応器４に供給する水分量Ｗ₁およびその他水分除去器６に供給されるまでに供給される水分量Ｗ₄を燃料電池システムに要求される運転条件から算出し、これらより水分除去器６に供給される改質ガス中に含まれる水分量Ｗを下式により算出する。
【００５８】
【式１】

続いて、ステップＳ１０でガスに含まれる水分量ＷとＣＯ除去器許容流入水分量を比較する。もしガスに含まれる水分量ＷがＣＯ除去器許容流入水分量を上回っている場合には、ステップＳ４以降に進み前述の水凝縮防止制御を継続する。一方、ガスに含まれる水分量ＷがＣＯ除去器許容流入水分量以下の場合には、水凝縮防止制御を行わない。このようにして水凝縮防止制御が不要な場合を予め判断して、無駄な動作を行わせないようにすることで効率を高めることができる。
【００５９】
第４の実施形態における燃料電池システムの構成を図１３に示す。
【００６０】
圧力調整弁４０とＣＯ除去器５の間に、ＣＯ除去器５内で水凝縮を発生させる改質ガスの水分濃度よりも低い濃度から水凝縮を検知し始める水分凝縮センサー８０を設ける。このセンサー８０としては、例えば、ＣＯ除去器５より低い温度で管理された改質ガスのバイパス経路において、凝縮水が付着した場合に熱線の抵抗が変化することで、水分凝縮の検知を行う等の方法が考えられる。
【００６１】
これにより、水分凝縮センサー８０で水分が凝縮する場合を検知できるため、改質反応器４における改質反応やシフト反応を行う触媒の性能が低下した場合においても、ＣＯ除去器５で水分が凝縮するのを確実に回避することができる。
【００６２】
第５の実施形態における燃料電池システムの構成を図１４に示す。
【００６３】
第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池２を冷却する冷媒の温度を検知する温度センサー７２を設け、検知した冷媒温度から燃料電池２の運転温度が上限設定を超えているかどうかを判断する。上限設定を超えていると判断した場合には、圧力調整弁４０を調整して水分除去器６の改質ガス圧力を増大させ、ＣＯ除去器５および燃料電池２に流入する水分量を低減する。燃料電池２へ供給される改質ガスの水分減少により発電効率が低下するが、ＣＯ除去器５の下流に改質ガスに水分を供給する手段、たとえば、本実施形態では燃料電池２を内部加湿型とすることで発電効率の低下を抑制できる。
【００６４】
このように燃料電池２に流入する水分量を低減することで改質ガスの熱容量が減少し、燃料電池２に流入する熱量が減少するので、燃料電池２の温度を低下させて性能低下を防ぐことができる。このとき、燃料電池冷却装置３０による放熱が減少するが、冷媒流路３３を循環する冷媒に対する水分除去器６の放熱量が増加し、それに伴い冷却装置３５における放熱量も増加するので、冷却装置３０における放熱量の減少を補うことができる。また、コンデンサー２２、２３における水分の回収量も減少するが、同様に水分除去器６で凝縮した水により補うことができる。
【００６５】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図２】従来例における改質ガスの温度と圧力の変化を示した図である。
【図３】第１の実施形態における改質ガスの温度と圧力の変化を示した図である。
【図４】第１の実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図５】ＣＯ除去器許容流入水分量の割合をＣＯ除去器の圧力と温度との関係で示した図である。
【図６】水分除去器通過水分量の割合を水分除去器の圧力と温度との関係で示した図である。
【図７】第２の実施形態における燃料電池システムの構成図である。
【図８】第２の実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図９】第３の実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１０】第３の実施形態における改質ガス中の水分量の算出方法を示す
【図１１】第３の実施形態における改質反応の反応モデルである。
【図１２】第３の実施形態におけるシフト反応の反応モデルである。
【図１３】第４の発明における燃料電池システムの構成図である。
【図１４】第５の発明における燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
２燃料電池
４改質反応器
５ＣＯ除去器
６水分除去器
７ブレア（発電用空気供給装置）
８コンプレッサ（改質用空気供給装置）
３０燃料電池冷却装置（発電用冷却システム）
３５冷却装置（改質用冷却システム）
４０圧力調整弁
６０制御手段
８０水分凝縮センサー（検知手段）
７０〜７２温度センサー

Claims

改質反応により生成した改質ガスを燃料電池に用いて発電を行う改質型燃料電池システムにおいて、
改質ガスを生成する改質反応器と、
前記改質反応器により生成された改質ガス中の一酸化炭素を選択酸化触媒により除去するＣＯ除去器と、
前記ＣＯ除去器の上流に設置された改質ガス中の水分を凝縮することにより除去する水分除去器と、
前記水分除去器と前記ＣＯ除去器の間に設置された圧力調整弁と、
前記水分除去器および前記ＣＯ除去器を冷媒により冷却する改質用冷却システムと、
前記圧力調整弁を用いて前記水分除去器内の圧力を調整することにより、前記水分除去器内での水分の凝縮量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記ＣＯ除去器の圧力と温度に基づき、前記水分除去器内の圧力を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記ＣＯ除去器の圧力と温度に基づき、前記水分除去器内の圧力と温度を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムの運転負荷と、その運転負荷に応じて前記ＣＯ除去器より上流側に供給される水分量と、前記改質反応器に供給される空気量とから前記ＣＯ除去器に流入する改質ガス中の水分量を推定するモデルを備え、
前記モデルによる推定結果に基づいて前記水分除去器内の圧力を制御する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記ＣＯ除去器の上流に水分凝縮を検知する検知手段を設け、
前記水分除去器の圧力を前記検知手段の検知結果に基づいて制御する請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池に空気を供給する発電用空気供給装置と、
前記改質反応器に空気を供給する改質用空気供給装置と、を備え、
前記発電用空気供給装置に対して前記改質用空気供給装置を少容量高圧型にした請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記ＣＯ除去器から排出されてから前記燃料電池で発電に使用されるまでの間に改質ガスに水分を供給する水供給部と、前記燃料電池を冷却する発電用冷却システムとを備え、前記発電用冷却システムの放熱量が不足する運転条件では、前記水分除去器の圧力を上昇させて前記改質ガス中の水分の凝縮量を増加させることにより、前記改質用冷却システムの放熱量を増加して前記発電用冷却システムにおける放熱量の不足を補う請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記燃料電池における改質ガス圧力を制御してから前記水分除去器の圧力を制御する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。