JP3702751B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車その他の移動体に用いて好ましい燃料電池システムに関し、特に蒸発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供給できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などに搭載される移動体用燃料電池システムは、メタノールなどの燃料を改質して水素リッチガスを生成する燃料改質部と、この燃料改質部で生成された水素リッチガスと別途空気供給装置から供給される酸素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池部とからなり、燃料改質部は排ガスの燃焼の際に発生した熱を用いて燃料ガスを蒸発させる蒸発器と、蒸発器で気化した燃料ガスを、実際に水素リッチなガスに改質する改質反応器とで構成される。
【０００３】
燃料電池システムを効率よく、かつ安定して運転するためには、燃料改質部から燃料電池部へ安定した燃料ガスを供給することが必要とされ、燃料改質部においては、蒸発器から改質部へ安定した燃料ガスを供給することが必要とされる。
【０００４】
ところで、燃料電池の負荷変化により燃焼器に供給される排ガス流量が変化するとき、燃料電池部の燃料極からの排ガスの量を変化させ、燃焼器の温度を制御することにより、蒸発器の温度を一定に保ち、燃料電池部へ供給される燃料ガスの量を維持していた。このように、燃焼器の温度により燃料ガスの供給量を制御する方法として、たとえば特開平１０‐１０６６０７号公報に開示されたものが知られている。この従来技術では、燃料電池部から排ガスを燃焼室に導くガスラインを分岐して燃料極の排ガスをバイパスするパスラインを設け、その分岐点より下流側の排ガスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、燃焼器への排ガスの流入量を調節する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の移動体用燃料電池システムにおいては、蒸発器および燃焼器の運転圧力による沸点温度の変化を考慮しないで、それぞれある一定の燃焼器の温度を目標値にして制御する構成になっていた。
【０００６】
そのため、燃焼器の温度が目標管理温度を超えた場合でも、蒸発器の温度が目標温度に達しておらず、燃料電池部の要求ガス量に十分な量の燃料ガスを改質反応器に供給できない場合が生じる。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、蒸発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供給できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明によれば、燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器と、前記燃料あるいは改質ガスを燃焼させ前記蒸発器へ熱量を供給する燃焼器と、該改質反応器で生成された前記改質ガスに含まれる前記水素を用いて発電を行う燃料電池部とを含む燃料電池システムにおいて、
前記蒸発器の運転圧力に基づいて当該蒸発器における前記燃料の沸点温度を推定する沸点温度推定手段と、
前記蒸発器における燃料ガスの蒸気温度を測定する蒸気温度測定手段とを有し、
前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場合には、前記燃焼器において燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムが提供される（請求項１参照）。
【０００９】
この燃料電池システムにおいては、燃料電池部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力から燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による燃料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
【００１０】
また、沸点温度と蒸気温度との差により制御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
【００１１】
（２）上記発明においては特に限定されないが、前記燃料電池部で余剰となった改質ガスを前記燃焼器に供給して燃焼させる系を有し、前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場合には、前記燃料電池部から取り出す電力を抑制して前記燃焼器において発生する熱量を増加させることがより好ましい（請求項２参照）。
【００１２】
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムから取り出す電力を制御するので、電力の取り出しを減少させた場合、燃料電池部から流出する排出改質ガスが増加する。このとき、排出された改質ガスを利用するため、燃料タンクから液体として燃料を供給する場合に比べ、効率の良い反応が進行するとともに、発熱量も増加し、多くの熱を蒸発器へ供給することができる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力から燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による燃料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
【００１４】
また、沸点温度と蒸気温度との差により制御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
【００１５】
これに加えて、請求項２記載の発明によれば、排出された改質ガスを利用するため、燃料タンクから液体として燃料を供給する場合に比べ、効率の良い反応が進行するとともに、発熱量も増加し、多くの熱を蒸発器へ供給することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図、図２は同実施形態の制御内容を説明するためのグラフ、図３は同じく制御手順を示すフローチャートである。
【００１８】
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料を貯蔵する燃料タンク１１と、この燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器１２と、燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器１３と、燃料あるいは改質ガスを燃焼させ蒸発器１２へ熱量を供給する燃焼器１４と、改質反応器１３で生成された改質ガスに含まれる水素を用いて発電を行う燃料電池部１５とを有する。また、改質反応器１３にて生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去するための一酸化炭素除去器１６と、改質反応器１３、燃料電池部１５および一酸化炭素除去器１６のそれぞれに酸化剤である空気を供給するための圧縮器１７とを有する。
【００１９】
燃料電池自動車で代表される移動体用燃料電池システム１において、燃料タンク１１内のメタノールあるいは水とメタノールとの混合液は、ポンプ１８により蒸発器１２に送られ、ここで加熱蒸発されて蒸気となり、この燃料ガスがオートサーマル改質反応器１３に送られる。
【００２０】
この改質反応器１３には蒸発器１２からの燃料ガスと圧縮器１７からの空気とが送られる。改質反応器１３では、メタノール、水ならびに空気内の酸素の、下記の触媒反応により燃料改質され、水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２１】
【化１】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２ ＋３Ｈ２ …（１）
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２ ⇔ＣＯ２＋２Ｈ２ …（２）
ここで式（１）はメタノールの水蒸気改質反応（吸熱反応）であり、式（２）はメタノールの部分酸化反応(発熱反応)である。式（１）の水蒸気改質反応は、主として下記に示されるように段階的に進行する。
【００２２】
【化２】
ＣＨ３ＯＨ⇔ＣＯ＋２Ｈ２ …（３）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２ ＋Ｈ２ …（４）
ここで式（３）はメタノールの分解反応（吸熱反応）であり、式（４）は一酸化炭素のシフト反応(発熱反応)である。本例の改質反応器１３は、これらの反応式の、発熱ならびに吸熱がバランスするオートサーマル条件で運転される断熱型反応器である。また、触媒の温度が低い起動時では、さらに下記の副反応が併発する。
【００２３】
【化３】
ＣＨ３ＯＨ⇔ＨＣＨＯ＋Ｈ２ …（５）
ＨＣＨＯ⇔ＣＯ＋Ｈ２ …（６）
改質反応器１３の運転温度は３００〜６００℃であり、熱力学的化学平衡により数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスが得られるが、一酸化炭素は固体高分子型燃料電池１５の白金等からなる燃料極電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまう。このため、改質反応器１３と燃料電池１５との間に一酸化炭素除去器１６が設けられ、数十〜１００ｐｐｍにまで一酸化炭素を低減した上で燃料電池１５に供給する。
【００２４】
本例では数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスは、一酸化炭素除去器１６に送られ、式（４）に示すシフト反応を促進する触媒により、一酸化炭素が低減される。このときの一酸化炭素除去器１６の運転温度は２００〜３００℃であり、熱力学的化学平衡により０．数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスとなる。
【００２５】
シフト反応により一酸化炭素が低減された改質ガスは、下記の触媒酸化反応(発熱反応)により、さらに一酸化炭素が数十〜高々１００ｐｐｍにまで低減される。必要な酸素は圧縮器１７から空気として供給される。
【００２６】
【化４】
ＣＯ＋１／２Ｏ２ ⇔ＣＯ２ …（７）
ここで式（７）の反応は、水素雰囲気下で進行するため、下記の水素の燃焼反応（発熱反応）も併発する。これにより、式（８）に対する式（７）の選択性が改質システムの効率に大きな影響を与える。
【００２７】
【化５】
Ｈ２ ＋１／２Ｏ２ ⇔Ｈ２Ｏ …（８）
式（７）ならびに式（８）による発熱を除去し、運転温度１００数十℃に維持するために、一酸化炭素除去器１６の式（７）ならびに式（８）の反応部は、空気あるいはＬＬＣまたはオイル等により冷却される（ただし図示は省略する）。
【００２８】
このようにして極めて低レベルな濃度にまで一酸化炭素が低減された改質ガスと圧縮器１７からの空気とが燃料電池１５の燃料極と空気極に送られ、発電が行われる。
【００２９】
なお、図１において「１９」は蒸発器１２を通過した燃料ガスの温度を測定するための温度センサであり、その出力は後述する制御手段３０に送出される。また「２０，２１」は圧縮器１７から改質反応器１３、一酸化炭素除去器１６および燃料電池１５に送られる空気の流量を調節するための流量調節弁であり、それぞれの供給系に設けられた流量センサ２２，２３の測定値に基づいてフィードバック制御等がなされる。
【００３０】
燃料電池１５においては、改質ガス中の水素を全て利用することは不可能であり、したがって一部の水素が残留した発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素が残留した発電に使用済みの空気とを、燃焼器１４に送って燃焼させる。この燃焼器１４にて得られた高温の排気ガスは、蒸発器１２に送られ、メタノールと水の蒸発のエネルギーとして再利用される。
【００３１】
図１において「２４，２５」は燃料電池１５の空気極および燃料極のそれぞれの排ガス系の圧力を測定する圧力センサ、「２６，２７」は空気極および燃料極のそれぞれの排ガス系の流量を調節する流量調節弁である。
【００３２】
移動体用燃料電池システムの効率の関係から、固体高分子型燃料電池１５の電力要求量に応じて、運転圧力は変化すると同時に、改質反応器１３に供給されるガス流量も負荷変動する。これにより、燃料タンク１１から、蒸発器１２及び燃焼器１４に供給される燃料の供給量も変動し、蒸発器１２及び改質反応器１３の運転圧力が変化する。
【００３３】
しかしながら、沸点温度と運転圧力の間には図２のマップＢに示されるような関係が存在する。そして、蒸発器１２の運転圧力は、蒸発器１２から固体高分子型燃料電池１５までの圧損と固体高分子型燃料電池１５の運転圧力より求めることができる。このため、圧力センサ２５から蒸発器１２の運転圧力を求めることにより、燃料タンク１１より供給される燃料の沸点温度（Ｔbp）を推算することができる。図１に示す沸点温度推定手段２９は、圧力センサ２５からの出力値と図２に示すマップＢとを用いて、この燃料の沸点温度（Ｔbp）を推算する。
【００３４】
ところで、蒸気温度（Ｔvap）は沸点温度（Ｔbp）より低くなることはない。すなわち、Ｔvap＜Ｔbpのときは、蒸気は発生しないし、Ｔvap＝Ｔbpでは液相と気相の２相共存となる。また、蒸気温度（Ｔvap）と沸点温度（Ｔbp）との差が大きい場合は、固体高分子型燃料電池１５の発電に十分な量の燃料ガスを得るために十分な熱量が、蒸発器１２に供給されているとみなすことができる。しかし、上記の温度差が小さくなるにつれ、蒸発器１２の持つ熱量が減少しているとみなすことができる。
【００３５】
このことから、図２のマップＡに示すように、所定の温度差Ｔcrtをゼロよりも大きい所定の値に予め設定しておき、蒸気温度（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、この所定の温度差Ｔcrtを上回っている場合には熱量は十分であり、追加燃料は供給しないこととする。一方、蒸気温度（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、所定の温度差Ｔcrtを下回った場合、蒸発器１２の熱量が不足していると判断し、蒸発器１２に供給する熱量を増加させ、蒸気温度を上昇させる。図１に示す制御手段３０は、上述した沸点温度推定手段２９により推算された沸点温度（Ｔbp）と、温度センサ１９により測定される蒸気温度（Ｔvap）とを用いてこの演算および判断を行い、判断結果を、燃料タンク１１から燃焼器１４に燃料を供給するためのポンプ２８へ出力する。
【００３６】
なお、所定の温度差Ｔcrtを設定するときに、固体高分子型燃料電池１５の十分な発電に要求される燃料ガスを得るために供給される蒸発器１２の熱量と、燃焼器１４から蒸発器１２に供給する熱量と間にマージンを持たせて温度差Ｔcrtを設定することにより、蒸発器１２の熱量が不足し、燃料ガスの供給量が減少して、固体高分子型燃料電池１５が鎮火することを回避することができると同時に、常に固体高分子型燃料電池１５に安定した燃料ガスを供給し、発電を行うことができる。
【００３７】
ここで、本実施形態の動作シーケンスを図３にしたがって説明する。
【００３８】
まず、ステップ１にて圧力センサ２５から燃料電池１５の運転圧力を読み込み、この圧力と既知の値である蒸発器１２から固体高分子型燃料電池１５までの圧損とに基づいて蒸発器１２の運転圧力を求める。
【００３９】
ステップ２では、ステップ１で求められた蒸発器１２の運転圧力と、図２のマップＢとから、燃料の沸点温度（Ｔbp）を推算する。ここまでの演算処理は図１に示す沸点温度推定手段２９にて実行される。
【００４０】
ステップ３では、温度センサ１９によって計測された実際の蒸気温度（Ｔvap）を読み込み、次のステップ４にて、ステップ２で求められた沸点温度（Ｔbp）との差（Ｔvap−Ｔbp）を所定の温度差Ｔcrtと比較する。そして、Ｔvap−Ｔbp＞Ｔcrtならば、蒸発器１２に供給される熱量は十分であるとみなし、ステップ１へ戻る。一方、Ｔvap−Ｔbp＜Ｔcrtならば、蒸発器１２に供給される熱量が不足していると判断し、ステップ５へ進み、図２のマップＡを用いて追加燃料流量を算出する。そして、ステップ６にてポンプ２８を用いて燃焼器１４への燃料供給量を増加させる。この動作は制御手段３０で実行される。
【００４１】
これにより、燃焼器１４に供給される燃料が増加し、発生した多量の熱が蒸発器１２に伝達されるため、蒸気温度（Ｔvap）が上昇し、気化する燃料流量が増加し、燃料電池部１５において安定した電力を供給できるようにガスを改質反応器１３に供給することができる。
【００４２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４３】
上記実施形態においては、燃料電池部１５における改質反応器１３の改質ガスを一酸化炭素除去器１６を通過させ、一酸化炭素濃度を低減させた後に燃料電池部１５へ供給する構成の移動体用燃料電池システム１を用いて説明したが、本発明の燃料電池システムでは一酸化炭素除去器１６の構造は特に限定されず、改質反応器１３の下流に水素分離膜を取り付け、分離された純水素を燃料電池部１５で利用し、水素が分離されたガスを燃焼器１４に送る構成の燃料電池システムに適用しても良い。
【００４４】
また、蒸発器１２と改質反応器１３との間に圧力センサを取り付け、直接、蒸発器１２の運転圧力の信号を制御手段３０に伝達する構成としてもよいし、改質反応器１３において、直接温度センサおよび圧力センサを取り付け、これらの信号を制御手段３０に伝達し、ポンプ２８により燃焼器１４への燃料流量を制御してもよい。また、図１に示すように他の制御手段３１およびポンプ１８を設置することにより、蒸発器１２に流入する燃料流量を制御し、改質反応器１３へ安定した燃料供給を行う構成としてもよい。
【００４５】
さらに、蒸発器１２から改質反応器１３への燃料ガス流量を測定し、蒸気温度と沸点温度の差と、上述した燃料ガス流量とから、蒸発器１２における余剰熱量を求める。そして、その余剰熱量に基づいて、燃焼器１４への燃料供給量を制御し、燃焼器１４から供給される熱量を調節する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの制御内容を説明するためのグラフである。
【図３】本発明の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
１１…燃料タンク
１２…蒸発器
１３…改質反応器
１４…燃焼器
１５…燃料電池部
１６…一酸化炭素除去器
１７…圧縮器
１８，２８…ポンプ
１９…温度センサ（蒸気温度測定手段）
２０，２３，２６，２７…流量調節弁
２２，２３…流量センサ
２４，２５…圧力センサ
２９…沸点温度推定手段
３０，３１…制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車その他の移動体に用いて好ましい燃料電池システムに関し、特に蒸発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供給できる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などに搭載される移動体用燃料電池システムは、メタノールなどの燃料を改質して水素リッチガスを生成する燃料改質部と、この燃料改質部で生成された水素リッチガスと別途空気供給装置から供給される酸素含有ガスとを反応させて発電する燃料電池部とからなり、燃料改質部は排ガスの燃焼の際に発生した熱を用いて燃料ガスを蒸発させる蒸発器と、蒸発器で気化した燃料ガスを、実際に水素リッチなガスに改質する改質反応器とで構成される。
【０００３】
燃料電池システムを効率よく、かつ安定して運転するためには、燃料改質部から燃料電池部へ安定した燃料ガスを供給することが必要とされ、燃料改質部においては、蒸発器から改質部へ安定した燃料ガスを供給することが必要とされる。
【０００４】
ところで、燃料電池の負荷変化により燃焼器に供給される排ガス流量が変化するとき、燃料電池部の燃料極からの排ガスの量を変化させ、燃焼器の温度を制御することにより、蒸発器の温度を一定に保ち、燃料電池部へ供給される燃料ガスの量を維持していた。このように、燃焼器の温度により燃料ガスの供給量を制御する方法として、たとえば特開平１０‐１０６６０７号公報に開示されたものが知られている。この従来技術では、燃料電池部から排ガスを燃焼室に導くガスラインを分岐して燃料極の排ガスをバイパスするパスラインを設け、その分岐点より下流側の排ガスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、燃焼器への排ガスの流入量を調節する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の移動体用燃料電池システムにおいては、蒸発器および燃焼器の運転圧力による沸点温度の変化を考慮しないで、それぞれある一定の燃焼器の温度を目標値にして制御する構成になっていた。
【０００６】
そのため、燃焼器の温度が目標管理温度を超えた場合でも、蒸発器の温度が目標温度に達しておらず、燃料電池部の要求ガス量に十分な量の燃料ガスを改質反応器に供給できない場合が生じる。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、蒸発器から改質反応器へ安定した燃料ガスを供給できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明によれば、燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器と、前記燃料あるいは改質ガスを燃焼させ前記蒸発器へ熱量を供給する燃焼器と、該改質反応器で生成された前記改質ガスに含まれる前記水素を用いて発電を行う燃料電池部とを含む燃料電池システムにおいて、
前記蒸発器の運転圧力に基づいて当該蒸発器における前記燃料の沸点温度を推定する沸点温度推定手段と、
前記蒸発器における燃料ガスの蒸気温度を測定する蒸気温度測定手段とを有し、
前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場合には、前記燃焼器において燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムが提供される（請求項１参照）。
【０００９】
この燃料電池システムにおいては、燃料電池部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力から燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による燃料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
【００１０】
また、沸点温度と蒸気温度との差により制御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
【００１１】
（２）上記発明においては特に限定されないが、前記燃料電池部で余剰となった改質ガスを前記燃焼器に供給して燃焼させる系を有し、前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値が所定値以下になった場合には、前記燃料電池部から取り出す電力を抑制して前記燃焼器において発生する熱量を増加させることがより好ましい（請求項２参照）。
【００１２】
この燃料電池システムによれば、燃料電池システムから取り出す電力を制御するので、電力の取り出しを減少させた場合、燃料電池部から流出する排出改質ガスが増加する。このとき、排出された改質ガスを利用するため、燃料タンクから液体として燃料を供給する場合に比べ、効率の良い反応が進行するとともに、発熱量も増加し、多くの熱を蒸発器へ供給することができる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池部の運転圧力状態に応じて、燃料電池部の運転圧力から燃料の沸点温度を推定するので、運転圧力変化による燃料ガスの沸点温度の変化にも追従できる。
【００１４】
また、沸点温度と蒸気温度との差により制御するので、必要な流量の燃料ガスを不足なく、かつ効果的に燃料電池部へ供給することができる。同時に、蒸発器内に未蒸発の燃料が多量に蓄積されたり、未蒸発の燃料が燃料ガスとともに放出されることがなくなる。
【００１５】
これに加えて、請求項２記載の発明によれば、排出された改質ガスを利用するため、燃料タンクから液体として燃料を供給する場合に比べ、効率の良い反応が進行するとともに、発熱量も増加し、多くの熱を蒸発器へ供給することができる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図、図２は同実施形態の制御内容を説明するためのグラフ、図３は同じく制御手順を示すフローチャートである。
【００１８】
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料を貯蔵する燃料タンク１１と、この燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器１２と、燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器１３と、燃料あるいは改質ガスを燃焼させ蒸発器１２へ熱量を供給する燃焼器１４と、改質反応器１３で生成された改質ガスに含まれる水素を用いて発電を行う燃料電池部１５とを有する。また、改質反応器１３にて生成された改質ガス中の一酸化炭素を除去するための一酸化炭素除去器１６と、改質反応器１３、燃料電池部１５および一酸化炭素除去器１６のそれぞれに酸化剤である空気を供給するための圧縮器１７とを有する。
【００１９】
燃料電池自動車で代表される移動体用燃料電池システム１において、燃料タンク１１内のメタノールあるいは水とメタノールとの混合液は、ポンプ１８により蒸発器１２に送られ、ここで加熱蒸発されて蒸気となり、この燃料ガスがオートサーマル改質反応器１３に送られる。
【００２０】
この改質反応器１３には蒸発器１２からの燃料ガスと圧縮器１７からの空気とが送られる。改質反応器１３では、メタノール、水ならびに空気内の酸素の、下記の触媒反応により燃料改質され、水素リッチな改質ガスが生成される。
【００２１】
【化１】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２ ＋３Ｈ２ …（１）
ＣＨ３ＯＨ＋１／２Ｏ２ ⇔ＣＯ２＋２Ｈ２ …（２）
ここで式（１）はメタノールの水蒸気改質反応（吸熱反応）であり、式（２）はメタノールの部分酸化反応(発熱反応)である。式（１）の水蒸気改質反応は、主として下記に示されるように段階的に進行する。
【００２２】
【化２】
ＣＨ３ＯＨ⇔ＣＯ＋２Ｈ２ …（３）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２ ＋Ｈ２ …（４）
ここで式（３）はメタノールの分解反応（吸熱反応）であり、式（４）は一酸化炭素のシフト反応(発熱反応)である。本例の改質反応器１３は、これらの反応式の、発熱ならびに吸熱がバランスするオートサーマル条件で運転される断熱型反応器である。また、触媒の温度が低い起動時では、さらに下記の副反応が併発する。
【００２３】
【化３】
ＣＨ３ＯＨ⇔ＨＣＨＯ＋Ｈ２ …（５）
ＨＣＨＯ⇔ＣＯ＋Ｈ２ …（６）
改質反応器１３の運転温度は３００〜６００℃であり、熱力学的化学平衡により数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスが得られるが、一酸化炭素は固体高分子型燃料電池１５の白金等からなる燃料極電極触媒を被毒し、その活性を著しく低下させてしまう。このため、改質反応器１３と燃料電池１５との間に一酸化炭素除去器１６が設けられ、数十〜１００ｐｐｍにまで一酸化炭素を低減した上で燃料電池１５に供給する。
【００２４】
本例では数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスは、一酸化炭素除去器１６に送られ、式（４）に示すシフト反応を促進する触媒により、一酸化炭素が低減される。このときの一酸化炭素除去器１６の運転温度は２００〜３００℃であり、熱力学的化学平衡により０．数％オーダーの一酸化炭素を含む改質ガスとなる。
【００２５】
シフト反応により一酸化炭素が低減された改質ガスは、下記の触媒酸化反応(発熱反応)により、さらに一酸化炭素が数十〜高々１００ｐｐｍにまで低減される。必要な酸素は圧縮器１７から空気として供給される。
【００２６】
【化４】
ＣＯ＋１／２Ｏ２ ⇔ＣＯ２ …（７）
ここで式（７）の反応は、水素雰囲気下で進行するため、下記の水素の燃焼反応（発熱反応）も併発する。これにより、式（８）に対する式（７）の選択性が改質システムの効率に大きな影響を与える。
【００２７】
【化５】
Ｈ２ ＋１／２Ｏ２ ⇔Ｈ２Ｏ …（８）
式（７）ならびに式（８）による発熱を除去し、運転温度１００数十℃に維持するために、一酸化炭素除去器１６の式（７）ならびに式（８）の反応部は、空気あるいはＬＬＣまたはオイル等により冷却される（ただし図示は省略する）。
【００２８】
このようにして極めて低レベルな濃度にまで一酸化炭素が低減された改質ガスと圧縮器１７からの空気とが燃料電池１５の燃料極と空気極に送られ、発電が行われる。
【００２９】
なお、図１において「１９」は蒸発器１２を通過した燃料ガスの温度を測定するための温度センサであり、その出力は後述する制御手段３０に送出される。また「２０，２１」は圧縮器１７から改質反応器１３、一酸化炭素除去器１６および燃料電池１５に送られる空気の流量を調節するための流量調節弁であり、それぞれの供給系に設けられた流量センサ２２，２３の測定値に基づいてフィードバック制御等がなされる。
【００３０】
燃料電池１５においては、改質ガス中の水素を全て利用することは不可能であり、したがって一部の水素が残留した発電に使用済みの改質ガスと、一部の酸素が残留した発電に使用済みの空気とを、燃焼器１４に送って燃焼させる。この燃焼器１４にて得られた高温の排気ガスは、蒸発器１２に送られ、メタノールと水の蒸発のエネルギーとして再利用される。
【００３１】
図１において「２４，２５」は燃料電池１５の空気極および燃料極のそれぞれの排ガス系の圧力を測定する圧力センサ、「２６，２７」は空気極および燃料極のそれぞれの排ガス系の流量を調節する流量調節弁である。
【００３２】
移動体用燃料電池システムの効率の関係から、固体高分子型燃料電池１５の電力要求量に応じて、運転圧力は変化すると同時に、改質反応器１３に供給されるガス流量も負荷変動する。これにより、燃料タンク１１から、蒸発器１２及び燃焼器１４に供給される燃料の供給量も変動し、蒸発器１２及び改質反応器１３の運転圧力が変化する。
【００３３】
しかしながら、沸点温度と運転圧力の間には図２のマップＢに示されるような関係が存在する。そして、蒸発器１２の運転圧力は、蒸発器１２から固体高分子型燃料電池１５までの圧損と固体高分子型燃料電池１５の運転圧力より求めることができる。このため、圧力センサ２５から蒸発器１２の運転圧力を求めることにより、燃料タンク１１より供給される燃料の沸点温度（Ｔbp）を推算することができる。図１に示す沸点温度推定手段２９は、圧力センサ２５からの出力値と図２に示すマップＢとを用いて、この燃料の沸点温度（Ｔbp）を推算する。
【００３４】
ところで、蒸気温度（Ｔvap）は沸点温度（Ｔbp）より低くなることはない。すなわち、Ｔvap＜Ｔbpのときは、蒸気は発生しないし、Ｔvap＝Ｔbpでは液相と気相の２相共存となる。また、蒸気温度（Ｔvap）と沸点温度（Ｔbp）との差が大きい場合は、固体高分子型燃料電池１５の発電に十分な量の燃料ガスを得るために十分な熱量が、蒸発器１２に供給されているとみなすことができる。しかし、上記の温度差が小さくなるにつれ、蒸発器１２の持つ熱量が減少しているとみなすことができる。
【００３５】
このことから、図２のマップＡに示すように、所定の温度差Ｔcrtをゼロよりも大きい所定の値に予め設定しておき、蒸気温度（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、この所定の温度差Ｔcrtを上回っている場合には熱量は十分であり、追加燃料は供給しないこととする。一方、蒸気温度（Ｔvap）から沸点温度（Ｔbp）を減じた値が、所定の温度差Ｔcrtを下回った場合、蒸発器１２の熱量が不足していると判断し、蒸発器１２に供給する熱量を増加させ、蒸気温度を上昇させる。図１に示す制御手段３０は、上述した沸点温度推定手段２９により推算された沸点温度（Ｔbp）と、温度センサ１９により測定される蒸気温度（Ｔvap）とを用いてこの演算および判断を行い、判断結果を、燃料タンク１１から燃焼器１４に燃料を供給するためのポンプ２８へ出力する。
【００３６】
なお、所定の温度差Ｔcrtを設定するときに、固体高分子型燃料電池１５の十分な発電に要求される燃料ガスを得るために供給される蒸発器１２の熱量と、燃焼器１４から蒸発器１２に供給する熱量と間にマージンを持たせて温度差Ｔcrtを設定することにより、蒸発器１２の熱量が不足し、燃料ガスの供給量が減少して、固体高分子型燃料電池１５が鎮火することを回避することができると同時に、常に固体高分子型燃料電池１５に安定した燃料ガスを供給し、発電を行うことができる。
【００３７】
ここで、本実施形態の動作シーケンスを図３にしたがって説明する。
【００３８】
まず、ステップ１にて圧力センサ２５から燃料電池１５の運転圧力を読み込み、この圧力と既知の値である蒸発器１２から固体高分子型燃料電池１５までの圧損とに基づいて蒸発器１２の運転圧力を求める。
【００３９】
ステップ２では、ステップ１で求められた蒸発器１２の運転圧力と、図２のマップＢとから、燃料の沸点温度（Ｔbp）を推算する。ここまでの演算処理は図１に示す沸点温度推定手段２９にて実行される。
【００４０】
ステップ３では、温度センサ１９によって計測された実際の蒸気温度（Ｔvap）を読み込み、次のステップ４にて、ステップ２で求められた沸点温度（Ｔbp）との差（Ｔvap−Ｔbp）を所定の温度差Ｔcrtと比較する。そして、Ｔvap−Ｔbp＞Ｔcrtならば、蒸発器１２に供給される熱量は十分であるとみなし、ステップ１へ戻る。一方、Ｔvap−Ｔbp＜Ｔcrtならば、蒸発器１２に供給される熱量が不足していると判断し、ステップ５へ進み、図２のマップＡを用いて追加燃料流量を算出する。そして、ステップ６にてポンプ２８を用いて燃焼器１４への燃料供給量を増加させる。この動作は制御手段３０で実行される。
【００４１】
これにより、燃焼器１４に供給される燃料が増加し、発生した多量の熱が蒸発器１２に伝達されるため、蒸気温度（Ｔvap）が上昇し、気化する燃料流量が増加し、燃料電池部１５において安定した電力を供給できるようにガスを改質反応器１３に供給することができる。
【００４２】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４３】
上記実施形態においては、燃料電池部１５における改質反応器１３の改質ガスを一酸化炭素除去器１６を通過させ、一酸化炭素濃度を低減させた後に燃料電池部１５へ供給する構成の移動体用燃料電池システム１を用いて説明したが、本発明の燃料電池システムでは一酸化炭素除去器１６の構造は特に限定されず、改質反応器１３の下流に水素分離膜を取り付け、分離された純水素を燃料電池部１５で利用し、水素が分離されたガスを燃焼器１４に送る構成の燃料電池システムに適用しても良い。
【００４４】
また、蒸発器１２と改質反応器１３との間に圧力センサを取り付け、直接、蒸発器１２の運転圧力の信号を制御手段３０に伝達する構成としてもよいし、改質反応器１３において、直接温度センサおよび圧力センサを取り付け、これらの信号を制御手段３０に伝達し、ポンプ２８により燃焼器１４への燃料流量を制御してもよい。また、図１に示すように他の制御手段３１およびポンプ１８を設置することにより、蒸発器１２に流入する燃料流量を制御し、改質反応器１３へ安定した燃料供給を行う構成としてもよい。
【００４５】
さらに、蒸発器１２から改質反応器１３への燃料ガス流量を測定し、蒸気温度と沸点温度の差と、上述した燃料ガス流量とから、蒸発器１２における余剰熱量を求める。そして、その余剰熱量に基づいて、燃焼器１４への燃料供給量を制御し、燃焼器１４から供給される熱量を調節する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの制御内容を説明するためのグラフである。
【図３】本発明の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
１１…燃料タンク
１２…蒸発器
１３…改質反応器
１４…燃焼器
１５…燃料電池部
１６…一酸化炭素除去器
１７…圧縮器
１８，２８…ポンプ
１９…温度センサ（蒸気温度測定手段）
２０，２３，２６，２７…流量調節弁
２２，２３…流量センサ
２４，２５…圧力センサ
２９…沸点温度推定手段
３０，３１…制御手段
Claims (2)
- 燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料を蒸発させ燃料ガスを生成する蒸発器と、前記燃料ガスから水素を含む改質ガスの生成を行う改質反応器と、前記燃料あるいは改質ガスを燃焼させ前記蒸発器へ熱量を供給する燃焼器と、該改質反応器で生成された前記改質ガスに含まれる前記水素を用いて発電を行う燃料電池部とを含む燃料電池システムにおいて、
前記蒸発器の運転圧力に基づいて当該蒸発器における前記燃料の沸点温度を推定する沸点温度推定手段と、
前記蒸発器における燃料ガスの蒸気温度を測定する蒸気温度測定手段とを有し、
前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値がゼロよりも大きい所定値以下になった場合には、前記燃焼器において燃焼させる燃料あるいは改質ガス流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池部で余剰となった改質ガスを前記燃焼器に供給して燃焼させる系を有し、前記蒸気温度から前記沸点温度を減じた値がゼロよりも大きい所定値以下になった場合には、前記燃料電池部から取り出す電力を抑制して前記燃焼器において発生する熱量を増加させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
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