JP4325181B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料から生成した水素を含む改質燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素或いは炭化水素系ガスを燃料とし、酸素或いは酸素を含む空気を酸化剤として使用して電気化学的反応で発電する電池である。例えば、炭化水素系ガスを燃料として用いる場合には、一般的に炭化水素系燃料の一部或いは全てを次式（１），（２）に示したような反応を用いて水素に改質して燃料電池の燃料極（アノード極）へと供給する。
【０００３】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋２）Ｈ２ ・・・（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ ・・・（２）
この反応式（１）にも示されるように、炭化水素系ガスの改質には水（Ｈ２Ｏ）が必要であり、一方、燃料電池はその発電の過程で水（Ｈ２Ｏ）を生成するため、その排ガスには十分な水分が含まれている。そこで、システム全体での燃料ガス又は酸化ガスを有効に使うために、燃料電池からの排ガスを還流して利用する燃料電池システムが検討されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００４】
前記特許文献１に開示された技術では、固体電解質型燃料電池発電システムにおいて、燃料電池のアノード排ガスの一部を供給燃料ガスと混合し、再循環系統内に設けられた再生熱交換器内で凝縮器通過後の低温の還流ガスとの熱交換により一旦冷却し、さらに凝縮器内でも冷却して排ガス中の余分な水蒸気を凝縮分離してから燃料電池アノード極入口に供給することにより、燃料電池起電力の低下を防ぎ、システム効率の向上を図っている。また、燃料ガスを循環するための循環ブロワを凝縮器通過後に設置し、循環ブロワの常温作動を可能にしている。
【０００５】
しかしながら、この特許文献１に開示される燃料電池システムは、基本的には水素ガスやメタンガス等のガスを燃料源として貯蔵搭載するものであり、次のような課題がある。すなわち、燃料電池自動車等の移動体に燃料電池システムを適用しようとする場合、燃料電池システムの容積はできる限り小さいことが重要であり、このことから燃料源はガスよりも液体であることが望ましい。この点、前記特許文献１記載のシステムは、液体に比べてエネルギー密度の小さいガスを燃料源として用いているので、貯蔵燃料を含めた燃料電池システム全体の容積は液体を燃料源とするシステムに比べて大きくなり、そのままでは移動体への搭載に適さない。
【０００６】
この問題を解決する技術として、燃料源として液体燃料を用いた燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２等を参照）。この特許文献２に開示される技術は、燃料電池の負荷に応じて液体燃料を蒸発器へ送り、燃焼バーナーで液体燃料を加熱気化して改質器へ供給する技術を併用するものであり、燃料源として液体燃料を用いることから、前記特許文献１記載の技術における搭載性の問題を解決することが可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２３３１２９号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２０００−１００４６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載される技術のように、燃焼バーナーにより蒸発器内で液体燃料を液相気化しながら燃料電池又は改質器へ燃料ガスを供給する方式では、燃料電池自動車等の移動体に適用した場合のような、燃料電池の負荷変動が大きいシステムでは必ずしも十分な応答性が得られない。応答性に関しては、複数の蒸発器を設けることにより対応する試みもなされているが、この場合には装置構成が複雑化するといった問題が生じる。また、特許文献２記載の技術では、システム停止時に蒸発器内の液体燃料の気化を速やかに止めることができず、システム停止後の気化燃料の処置を検討する必要がある。さらに、蒸発器内での燃料の液相気化によるコーキングも発生しやすく、蒸発器の性能劣化やシステムの効率低下が問題となる。
【００１０】
本発明は、このような従来の問題点を解消した燃料電池システムを提供することを目的としており、燃料源として液体燃料を用いた燃料電池システムにおいて、燃料電池の負荷の変化に対し良好な応答性を得ることができると共に、システム構成を簡易化してコストを低減することができ、また、性能劣化や効率低下が抑制された燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、アノード極とカソード極を有し改質燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の温度調整を行う冷却ガスラインと、燃料電池のアノード排ガス及びカソード排ガスを利用した熱交換部とを有する燃料電池システムに、燃料電池の冷却によって加熱されて燃料電池から排出された冷却排ガスの一部を高温ガスとして燃料ガス生成部に導入する高温ガス循環ラインと、この冷却排ガスを含む高温雰囲気中に液体燃料を供給して気化させる燃料気化器とを設けるとともに、冷却ガスラインの冷却ガスの一部が熱交換部により加熱されて、高温ガスとして燃料気化器に導入されるようにした。
【００１３】
以上のような本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の温度調整をするための冷却ガスが、例えば圧縮器等から燃料電池へと供給される。そして、燃料電池より排出される冷却排ガスは、高温ガスとして燃料ガス生成部の燃料気化器に還流される。燃料気化器では、還流された冷却排ガスによる高温雰囲気中に液体燃料が噴射供給される。これにより液体燃料は速やかに気相気化して燃料電池又は改質器へと供給される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の冷却によって加熱され排出された冷却排ガスを高温ガスとして利用し、液体燃料を気相気化して供給するようにしているので、装置構成を複雑化することなく、燃料電池の負荷の変化に対し良好な応答性を得ることが可能である。また、蒸発器を用いて液体燃料を気化する場合とは異なり、システム停止後は、燃料の噴射を止めることにより速やかに液体燃料の気化を停止することができ、無駄な燃料の気化を防ぐことができ、燃料を有効に使用することができる。さらに未使用の気化燃料の処理を行うシステムも不要となり、システム構成も簡易になり、コストを低減することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムにおいては、液体燃料が燃料気化器内で速やかに気相気化するので、液体燃料が直接に気化器内壁等の高温部分に触れるようなことことがなく、したがって液体燃料によるコーキングを防止することができ、気化する部位の性能劣化を効果的に抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
（参考例）
図１は、参考例としての燃料電池システムの概略構成を示すものである。この参考例の燃料電池システムは、水素或いは炭化水素を燃料として燃料電池１で発電を行う燃料電池システムにおいて、例えばメタノールやガソリンのような炭化水素系の液体燃料を燃料源として用い、燃料電池１を冷却した排ガスの一部を燃料気化器（気相気化器）２へ導入し、気化させた気化燃料を部分酸化反応器３にて改質し、これにより生成する改質燃料ガスを燃料電池１の燃料極（アノード極）へと供給するものである。
【００１８】
燃料電池１としては、例えば電解質が固体酸化物で構成された酸素イオン伝導タイプの固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１は、水素を含む改質燃料ガスが供給される燃料極（アノード極）と酸化剤である酸素（空気）が供給される空気極（カソード極）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、前記改質燃料ガスの供給を受けて、電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。アノード極では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード極にそれぞれ移動する。カソード極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成し、外部に排出される。
【００１９】
この参考例として示す燃料電池システムでは、燃料電池１に冷却ガスライン４が接続されており、圧縮器５から供給される空気の一部が空気制御バルブ６を介して温度調整用の冷却ガスとして燃料電池１へと送り込まれるようになっている。また、燃料電池１を冷却して加熱された冷却排ガスは、高温ガスとして、燃料電池１から排出される。燃料電池１の冷却排ガス排気側には、冷却排ガス排気ライン７及び排気制御バルブ８、さらには高温ガス循環ライン９が設けられており、前記排気制御バルブ８の操作によって、前記冷却排ガスが高温ガス循環ライン９から燃料気化器２に導入され、或いは排気される。
【００２０】
供給燃料は液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されており、燃料供給流路からインジェクタ１１へと供給され、燃料気化器２内に噴射される。燃料気化器２では、インジェクタ１１によって噴射された液体燃料が気化され、気化された気化燃料は、部分酸化反応器３に導入される。そして、この部分酸化反応器３により、水素を含む改質燃料ガスが生成されることになる。したがって、これら燃料気化器２及び部分酸化反応器３により燃料ガス生成部が構成される。
【００２１】
燃料気化器２には、冷却ガスライン４から燃料電池１に送り込まれ燃料電池１の冷却により加熱されて排出された冷却排ガスのうち、部分酸化反応器３において気化燃料の改質に必要な酸素量を含むガス量が、排気制御バルブ８を介して供給されている。したがって、燃料気化器２では、インジェクタ１１から噴射された供給燃料と冷却排ガスとが混合されることになる。ここで、冷却排ガスは、燃料電池１の冷却により加熱された高温排空気であり、これを高温ガスとして燃料気化器２に導入することで、燃料気化器２内は高温雰囲気となっている。このため、インジェクタ１１から噴霧された液体燃料は、燃料気化器２内の高温雰囲気中で速やかに気相気化して気化燃料となり、気化燃料供給流路１２を介して部分酸化反応器３に供給される。燃料改質器である部分酸化反応器３においては、部分酸化反応が行われ、燃料気化器２において気化された気化燃料は水素を含む改質燃料ガスに改質される。改質燃料ガスは、改質燃料ガス供給ライン１３を介して、燃料電池１の燃料極（アノード）に供給される。
【００２２】
なお、燃料電池１が内部改質型の固体酸化型燃料電池である場合には、燃料を改質しながら発電することができるので、前述の燃料改質器である部分酸化反応器３は省略することが可能である。
【００２３】
燃料電池１には、前記改質燃料ガスがアノード極に供給される他、酸化ガスがカソード極に供給される。参考例として示す燃料電池システムでは、先の冷却ガスライン４に導入される冷却ガスとこの酸化ガスを同じガス（空気）とし、冷却ガスライン４から分配して燃料電池１のカソード極に供給している。すなわち、燃料電池１への供給空気は、圧縮器５により送り込まれる燃料電池１の温度調整用の冷却ガスのうちから、発電に必要十分な流量が空気制御バルブ６により分配され、空気供給ライン１５を介して燃料電池１のカソード極に供給される。
【００２４】
また、この参考例として示す燃料電池システムには、燃料電池１のアノード極やカソード極からの排気を燃焼する燃焼器１６が設けられており、空気供給ライン１５により燃料電池１のカソード極に供給される空気は、燃料電池１からのカソード排ガスとアノード排ガスを利用した燃焼器１６との熱交換により加熱され、燃料電池１のカソード極へ供給されるようになっている。
【００２５】
炭化水素系ガスを改質した改質燃料ガスには、改質して得られたＨ２とほぼ同量のＣＯ２（もしくはＣＯ）が含まれており、当然、発電に使用されないＣＯ２ガスはそのまま燃料排ガスに含まれる。さらに、電池反応に用いたＨ２はＨ２Ｏとなり、燃料排ガス中には多くのＣＯ２とＨ２Ｏが含まれている。Ｈ２Ｏはその後、一部改質に用いることができるが、全てのＨ２Ｏが改質に用いられるわけではなく、循環を繰り返す毎に改質に用いない余剰のＨ２Ｏは増加する。
【００２６】
したがって、燃料電池１からの燃料排ガスを循環し発電に使用すると、循環する毎に燃料排ガス中の非Ｈ２ガス分圧が増加し、その増加量は発電量によっても異なる。燃料ガス中のＨ２分圧の変動は燃料電池１の出力の変動に直結するため、燃料ガス中の非Ｈ２分圧の変動は、燃料電池１の出力制御をより困難にし、燃料電池１の負荷変動が大きいシステムではその応答性や制御性に大きな技術課題が残る。そこで、参考例として示す燃料電池システムでは、燃料電池１からの燃料排ガス（アノード排ガスやカソード排ガス）を循環使用せず、燃焼器１６において燃焼処分し、外部に排気する構成とした。
【００２７】
次に、以上のような構成を有する燃料電池システムの制御シーケンスについて、図２を参照して説明する。この制御シーケンスは、空気制御バルブ６、排気制御バルブ８、及びインジェクタ１１の制御に関するものであり、マイクロコンピュータ及びその周辺装置からなるコントローラ（図示せず）により周期的に実行される。以下、図２に示す制御シーケンスについて、順を追って説明する。
【００２８】
本制御シーケンスでは、先ず、燃料電池１の温度を計測する（ステップＳ１−１）。そして、予め設定された燃料電池１の温度と冷却ガス供給量との関係を示すマップを参照して、計測した燃料電池１の温度に応じて必要な冷却ガスの供給量を求める（ステップＳ１−２）。なお、ここで、空気制御バルブ６より燃料電池１のカソード極へ供給される空気量は一定とする。
【００２９】
これと並行して、運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池１に対する要求負荷を求める（ステップＳ１−３）。そして、予め設定された燃料電池１に対する要求負荷とカソード供給空気との関係を示すマップを参照して、求めた要求負荷に応じて必要なカソード供給空気の供給量を求める（ステップＳ１−４）。
【００３０】
次いで、ステップＳ１−２で求めた冷却ガスの供給量と、ステップＳ１−４で求めたカソード供給空気の供給量とに基づき、圧縮器５から必要な流量の空気を送り込み、空気制御バルブ６でカソード極用と冷却ガス用とに分配して、それぞれ空気供給ライン１５或いは冷却ガスライン４を介して燃料電池１へと供給する（ステップＳ１−５）。
【００３１】
このうち、燃料電池１を冷却することで加熱されて燃料電池１から排出された高温排空気については、部分酸化反応器３において供給燃料を改質するのに必要な空気量を、予め設定された燃料量と空気量との関係を示すマップより求め（ステップＳ１−６）、排気制御バルブ８を制御することにより、必要な量の空気（冷却排ガス）を分配して燃料気化器２へ供給する（ステップＳ１−７）。
【００３２】
ステップＳ１−８では、ステップＳ１−３で求めた燃料電池１に対する要求負荷から、予め設定された燃料電池１出力と燃料供給量との関係を示すマップを参照して、要求負荷に応じて必要な燃料供給量を求める。そして、このステップＳ１−８において求められた量の液体燃料をインジェクタ１１を用いて燃料気化器２へ噴霧する（ステップＳ１−９）。
【００３３】
最後に、ステップＳ１−９において噴霧された液体燃料をステップＳ１−７で燃料気化器２へ供給された高温空気（冷却排ガス）を利用して気化し、部分酸化反応器３へ供給する（ステップＳ１−１０）。そして、この気化燃料が、部分酸化反応器３で水素を含む改質燃料ガスに改質され、燃料電池１のアノード極へと供給される（ステップＳ１−１１）。
【００３４】
以上の構成を有する参考例の燃料電池システムにおいては、燃料電池１の温度調整をするための冷却ガスは、圧縮器５によって燃料電池１に供給され、燃料電池１より排出される冷却排ガス（高温排空気）は、燃料電池システムの燃料ガス生成部に還流される。そして、この燃料電池１から還流された冷却排ガスによって、燃料ガス生成部の燃料気化器２が高温雰囲気とされ、この高温雰囲気中に液体燃料が噴射供給される。これにより燃料は速やかに気相気化して、燃料電池１又は燃料改質部である部分酸化反応器３へと供給される。このようにして、液体燃料を気相気化して供給するので、燃料電池１の負荷の変化に対し良好な応答性が得られる。
【００３５】
また、このとき、燃料気化器２内で液体燃料は速やかに気相気化するので、液体燃料が直接に燃料気化器２の内壁等の高温部分に触れるようなことがなく、したがって液体燃料によるコーキングを未然に防止することができ、気化する部位の性能劣化を抑えることができる。また、通常の蒸発器を用いた場合ような液相気化とは異なり、システム停止後は、燃料の噴射を止めることにより、無駄な燃料の気化を防ぐことができるので、燃料の有効利用を図ることができる。さらに未使用の気化燃料の処理を行うシステムも不要となり、システム構成も簡易になりコスト低減も図る上でも有利である。
【００３６】
また、参考例として示す燃料電池システムにおいては、燃料電池１の温度調整を行うための冷却ガスライン４に供給される冷却ガスを、燃料電池１のカソード極へ導入する酸化ガスと同じガス（空気）としているので、システム内で用いるガス種を燃料ガスと酸化ガスとの２種のみとすることができ、システム構成を簡素化することができる。
【００３７】
さらに、参考例として示す燃料電池システムによれば、燃料電池１の温度調整を行うための冷却ガスライン４に供給されるガスを燃料電池１のカソード極へ導入する酸化ガス（空気）と同じにすることにより、一つの圧縮器５を用いて、燃料電池１の冷却ガス、発電用のカソードガス、さらには燃料気化器２の高温ガスをシステムに供給することができ、部品点数の削減とシステム構成の簡素化を図ることができる。
【００３８】
ところで、参考例の燃料電池システムでは、燃料気化器２において酸素を含んだ高温ガスによって気化された気化燃料を部分酸化反応器３へ導入することにより、炭化水素系燃料の一部或いは全てを次式（３）に示すような反応を用いて水素に改質して燃料電池１の燃料極（アノード極）へと供給している。
【００３９】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＯ２ → ｎＣＯ２ ＋ （ｎ＋１）Ｈ２ ・・・（３）
ここで、燃料電池１に内部改質型燃料電池を用いた場合には、燃料改質部である部分酸化反応器３を用いなくとも、簡素なシステムで炭化水素燃料を用いた発電を行うことはできる。しかしながら、燃料電池１に内部改質型燃料電池を用いた場合、上述した反応式（１）は吸熱反応、前記反応式（３）が発熱反応であることから、これらの反応に伴う内部改質反応熱によって、燃料電池１の温度制御を出力の負荷変動と併せて制御することが難しくなる。
【００４０】
これに対して、燃料改質部、特に改質反応応答性に優れる部分酸化反応型の改質部（部分酸化反応器３）を別途設けた場合には、燃料気化器２と併せて負荷変動に対して応答性の良好な燃料電池システムを提供することができる。
【００４１】
また、上述した制御シーケンスにおいては、燃料電池１の出力要求から必要な改質燃料ガス量を計算し、その分の液体燃料を気化するのに必要な熱量（冷却排ガス量）のみを燃焼気化器２内へ供給するようにしているので、無駄な燃料の噴射を防ぎ、また余剰酸素をアノード側へ供給することを防ぐことができる。したがって、使用燃料量の最適化と燃料電池１の安全な運転を行うことができる。
【００４２】
（第１の実施形態）
本実施形態は、上述した参考例の燃料電池システムと同様に、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、燃料改質部である部分酸化反応器３に供給するものであり、基本的な構成は先の参考例の燃料電池システムと同様である。ただし、この第１の実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１からの冷却排ガスに加えて、冷却ガスライン４から分配され燃焼器（熱交換部）１６との熱交換により加熱された冷却ガスが、高温ガスとして燃料気化器２へ供給されるようになっている。
【００４３】
以下、本実施形態の燃料電池システムについて、図３を参照して説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムにおいて、上述した参考例の燃料電池システムと同様の構成要素については、同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４４】
本実施形態の燃料電池システムでは、図３に示すように、冷却ガスライン４から分配された空気供給ライン１５に流量制御バルブ１７が設けられ、この流量制御バルブ１７を介して、空気供給ライン１５からさらに加熱空気供給ライン１８が分岐されている。したがって、圧縮器５から送り込まれる冷却ガス（空気）は、その一部が空気制御バルブ６及び流量制御バルブ１７を介して加熱空気供給ライン１８へと導かれ、燃焼器１６に供給される。燃焼器１６は、燃料電池１からのアノード排ガスやカソード排ガスを燃焼することで発熱するので、燃焼器１６に供給された加熱空気供給ライン１８からの空気は、この燃焼器１６において熱交換されて加熱される。そして、燃焼器１６で加熱された空気が、排気制御バルブ８を介して燃料電池１からの冷却排ガスに合流され、高温ガスとして燃料気化器２へ導入される。
【００４５】
また、燃料電池１に供給される空気は、圧縮器５より送り込まれる燃料電池温度調整用の冷却ガスのうちから、空気制御バルブ６により分配され、さらに発電に必要な流量が流量制御バルブ１７によって分配され、燃焼器１６との熱交換により加熱され、燃料電池１へ供給される。
【００４６】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１の冷却排ガスだけではなく、冷却ガスライン４から分配されて、燃焼器１６によって加熱された冷却ガスも、高温ガスとして導燃料気化器２へと導入されるようになっている。これにより、燃料電池１が低出力等の状態で、それほどの温度上昇がなく、燃料電池１からの冷却排ガスの熱量、すなわち燃料電池１より回収した熱量が小さい場合でも、燃焼器１６により熱を回収したガスも併せて燃料気化器２へ導入することで、燃料気化の性能を維持することができる。
【００４７】
（第２の実施形態）
本実施形態は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの構成に水回収器を付加して、回収された水を燃料改質部に供給するようにしたものである。
【００４８】
本実施形態の燃料電池システムも、図４に示すように、参考例や第１の実施形態の燃料電池システムと同様、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、燃料改質部に供給するものである。また、第１の実施形態の燃料電池システムと同様、燃料電池１からの冷却排ガスに加え、冷却ガスライン４から分配され燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスも燃料気化器２に導入されるようになっている。
【００４９】
ただし、燃料改質部としては、部分酸化反応と水蒸気改質反応が適切な比率（例えば８：２）で起こるような燃料改質器（ＡＴＲ）１９が用いられている。したがって、本実施形態の燃料電池システムにおいては、上述した参考例や第１の実施形態と異なり、燃料改質器１９に燃料気化器２から供給される気化燃料に加えて水を供給する必要があり、この水を水回収器２０から燃料改質器１９へと供給するようにしている。ここで、燃料改質器１９に供給される水の量は、部分酸化反応と水蒸気改質反応とが８：２で起こるために必要な量である。なお、この燃料改質器１９における部分酸化反応と水蒸気改質反応の割合は一例を示したものであり、これに限られるものではない。
【００５０】
この燃料改質器１９に供給される水としては、例えば、燃料電池１のアノード排ガスに含まれる反応生成水を凝縮して回収したものが利用される。したがって、本実施形態の燃料電池システムでは、燃焼器１６の排ガス出口に、水供給装置としての水回収器２０が設置され、ここで回収された生成水が水供給ライン２１を経て燃料改質器１９に供給されるようになっている。
【００５１】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料改質器１９の機能として、部分酸化反応改質だけでなく、水蒸気改質も併せ持たせることで、発熱反応と吸熱反応による燃料改質器１９内の熱バランスをとることができる。これにより、安定した改質反応を行うことができるばかりでなく、燃料改質器１９の耐久性を向上させることができる。
【００５２】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料改質器１９に供給される水を、燃料電池１の排ガスに含まれる発電による生成水とし、これを水回収器２０で回収して使用しているので、外部からの水の補給を必要としない簡便なシステムとすることができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
本実施形態は、上述した第２の実施形態の燃料電池システムと同様、燃料改質器１９において部分酸化反応と水蒸気改質反応とにより気化燃料の改質を行うものであるが、改質に必要な水を燃料気化器２に噴霧供給し、気化燃料と共に燃料改質器１９に供給するようにしたものである。
【００５４】
すなわち、本実施形態の燃料電池システムにおいても、図５に示すように、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、燃料改質部に供給するようにしている。また、燃料電池１からの冷却排ガスに加え、冷却ガスライン４から分配され燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスも、高温ガスとして燃料気化器２に導入するようにしている。
【００５５】
ただし、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料気化器２に、液体燃料を噴霧するインジェクタ１１に加えて、水回収器２０において回収された水（反応生成水）を噴霧するインジェクタ２２が、インジェクタ１１の上流に位置して配設されている。そして、燃料気化器２に還流される燃料電池冷却排ガス及び燃焼器１６によって加熱された冷却ガス（高温ガス）からなる高温雰囲気に対して、インジェクタ１１より燃料が噴霧されると共に、インジェクタ２２より水が噴霧されて、気化された状態で燃料改質器１９へと供給されるようになっている。
【００５６】
図６に、本実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示す。本制御シーケンスでは、先ず、燃料電池１の温度を計測する（ステップＳ４−１）。そして、予め設定された燃料電池１の温度と冷却ガス供給量との関係を示すマップを参照して、計測した燃料電池１の温度に応じて必要な冷却ガス供給量を求める（ステップＳ４−２）。なお、ここで、空気制御バルブ６より流量制御バルブ１７へ供給される空気量は一定とする。
【００５７】
これと並行して、運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池１に対する要求負荷を求める（ステップＳ４−３）。そして、予め設定された燃料電池１に対する要求負荷とカソード供給空気との関係を示すマップを参照して、求めた要求負荷に応じて必要なカソード供給空気の供給量を求める（ステップＳ４−４）。
【００５８】
ステップＳ４−５では、空気制御バルブ６の操作により、圧縮器５より供給された空気から、ステップＳ４−２で求められた冷却ガス供給量に応じた空気量を分配する。さらに、流量制御バルブ１７の操作により、ステップＳ４−４で求められたカソード供給空気と加熱空気供給ライン１８へ供給する空気とを分配する。このとき、カソード供給空気の供給量は、燃料電池１に対する要求負荷に応じて決定されるので、燃料電池１の安定的な運転が実現される。すなわち、燃料電池１の出力が低いとき、燃料電池１の温度は定常状態に比べて低く、燃料電池１の温度調整用の冷却ガス流量は、それほど多くを必要としない。したがって、燃料電池１の温度調整用の冷却ガスとカソード供給空気の流量はいつも同じ割合というわけではない。そこで、燃料電池１の温度調整用冷却ガスから分配されるカソード供給空気の量については、冷却ガス流量によらず、燃料電池１の出力に応じて制御される構成とすることで、燃料電池１の安定した運転が実現されることになる。
【００５９】
ステップＳ４−６では、ステップＳ４−３で求めた燃料電池１に対する要求負荷から、予め設定された燃料電池１の出力と燃料供給量との関係を示すマップを参照して、要求負荷に応じて必要な燃料供給量を求める。
【００６０】
また、これらと並行して、ステップＳ４−７では、燃料改質器１９の温度を計測する。そして、ステップＳ４−８において、予め設定された燃料改質器温度と水蒸気改質反応量との関係を示すマップを参照して、燃料改質器１９の温度に応じて燃料改質器１９で必要な水分量を求める。
【００６１】
ステップＳ４−９では、燃料改質器１９においてステップＳ４−６で求めた供給燃料を改質するのに必要な空気量を、予め設定された燃料量と空気量との関係を示すマップを参照して求める。そして、ステップＳ４−１０において、排気制御バルブ８に供給される高温空気（高温ガス）のうち、ステップＳ４−９で求めた空気量に相当する流量を燃料気化器２へと供給する。
【００６２】
これと共に、ステップＳ４−８において求められた燃料改質器１９で必要な水分量をインジェクタ２２を用いて燃料気化器２へ噴霧し（ステップＳ４−１１）、また、ステップＳ４−６において求められた量の液体燃料をインジェクタ１１を用いて燃料気化器２へ噴霧する（ステップＳ４−１２）。
【００６３】
最後に、ステップＳ４−１２において噴霧された液体燃料をステップＳ４−１０で燃料気化器２へ供給された高温空気（高温ガス）を利用して気化し、燃料改質器１９へ供給する（ステップＳ４−１３）。このとき、ステップＳ４−１１において噴霧された水も同時に気化されて、燃料改質器１９へと供給される。そして、この水を利用して、燃料改質器１９において気化燃料が水素を含む改質燃料ガスに改質され、燃料電池１のアノード極へと供給される（ステップＳ４−１４）。
【００６４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水を供給する手法として、液体燃料を供給する手法と同様に、冷却排ガスの高温ガス中に噴射供給する方法を採用しているので、蒸発器を用いた場合に課題とされる応答性の問題を克服することができる。また、水を噴射供給する水噴射部（インジェクタ２２）を燃料気化器２に設けることでシステム全体を小型軽量にすることができる。さらに、水噴射部（インジェクタ２２）を、燃料噴射部（インジェクタ１１）よりも上流側に設けることにより、僅かながら発生することも懸念される燃料噴射による燃料気化器２内のコーキングを確実に防ぐことができ、燃料気化器２の耐久性を向上させることができる。
【００６５】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料改質器１９へと供給される水分量が燃料改質器１９の内部温度に応じて制御される構成としているので、発熱反応の部分酸化反応と吸熱反応の水蒸気改質反応による熱バランスを保つことができ、燃料改質器１９の耐久性を向上させることができる。
【００６６】
（第４の実施形態）
本実施形態は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの構成に、燃料改質部である部分酸化反応器３の温度調整（冷却）を行うための改質器冷却ラインを付加し、部分酸化反応器３を冷却することで加熱された高温ガスを、燃料電池１からの冷却排ガスや、燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスと共に燃料気化器２に導入するようにしたものである。
【００６７】
本実施形態の燃料電池システムも、図７に示すように、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様、液体の状態で燃料タンク１０に貯蔵されている供給燃料を、燃料気化器２に還流される高温ガス中にインジェクタ１１から噴霧混合して気化させ、部分酸化反応器３に供給するものであり、燃料気化器２には、燃料電池１からの冷却排ガスに加え、冷却ガスライン４から分配され燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスも高温ガスとして導入されるようになっている。
【００６８】
ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気制御バルブ６において改質器冷却ライン２３が分岐され、ここに分配される温度調整用の冷却ガスにより部分酸化反応器３が冷却されるようになっている。部分酸化反応器３の過熱は、部分酸化反応器３の改質触媒の劣化や、炭素の析出を引き起こし、燃料改質の性能劣化につながるため、このような部分酸化反応器３の過熱を防止するための対策は、燃料電池システムを適正に運用していく上で重要である。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、空気制御バルブ６において温度調整用の冷却ガスを分配し、改質器冷却ライン２３を通して部分酸化反応器３に供給することで、部分酸化反応器３の過熱を防止するようにしている。
【００６９】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、部分酸化反応器３の冷却により加熱された冷却ガスを、燃料気化器２での液体燃料の気化を促進するための高温ガスとして有効利用するようにしている。すなわち、この燃料電池システムでは、部分酸化反応器３の冷却により加熱された冷却ガス（高温ガス）が、排気制御バルブ８へと導かれ、燃料電池１からの冷却排ガスや燃焼器１６との熱交換により加熱された冷却ガスと共に、燃料気化器２に導入されるようになっている。
【００７０】
図８に、本実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示す。本制御シーケンスでは、先ず、燃料電池１の温度を計測する（ステップＳ５−１）。そして、予め設定された燃料電池１の温度と冷却ガス供給量との関係を示すマップを参照して、計測した燃料電池１の温度に応じて必要な冷却ガス供給量を求める（ステップＳ５−２）。
【００７１】
これと並行して、運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池１に対する要求負荷を求める（ステップＳ５−３）。そして、予め設定された燃料電池１に対する要求負荷とカソード供給空気との関係を示すマップを参照して、求めた要求負荷に応じて必要なカソード供給空気の供給量を求める（ステップＳ５−４）。
【００７２】
さらに、これらと並行して、燃料改質部である部分酸化反応器３の温度を計測し（ステップＳ５−５）、予め設定された部分酸化反応器３の温度と冷却空気供給量との関係を示すマップを参照して、計測した部分酸化反応器３の温度に応じて必要な改質器冷却空気量を求める（ステップＳ５−６）。
【００７３】
これらの結果に基づいて、ステップＳ５−７では、空気制御バルブ６の操作により、圧縮器５より供給された空気から、ステップＳ５−２で求められた冷却ガス供給量に応じた空気量、及びステップＳ５−６で求められた改質器冷却空気量を分配する。さらに、ステップＳ５−８で、流量制御バルブ１７の操作により、ステップＳ５−４で求められたカソード供給空気と加熱空気供給ライン１８へ供給する空気とを分配する。
【００７４】
一方、ステップＳ５−９では、ステップＳ５−３で求めた燃料電池１に対する要求負荷から、予め設定された燃料電池１の出力と燃料供給量との関係を示すマップを参照して、要求負荷に応じて必要な燃料供給量を求める。そして、部分酸化反応器３においてステップＳ５−９で求めた供給燃料を改質するのに必要な空気量を、予め設定された燃料量と空気量との関係を示すマップを参照して求め（ステップＳ５−１０）、制御バルブ８に供給される高温空気（高温ガス）のうち、ステップＳ５−１０で求めた空気量に相当する流量を燃料気化器２へと供給する（ステップＳ５−１１）。そして、ステップＳ５−９において求められた量の液体燃料をインジェクタ１１を用いて燃料気化器２へ噴霧する（ステップＳ５−１２）。
【００７５】
最後に、ステップＳ５−１２において噴霧された液体燃料をステップＳ５−１１で燃料気化器２へ供給された高温空気（高温ガス）を利用して気化し、部分酸化反応器３へ供給する（ステップＳ５−１３）。そして、この気化燃料が、部分酸化反応器３で水素を含む改質燃料ガスに改質され、燃料電池１のアノード極へと供給される（ステップＳ５−１４）。
【００７６】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料改質部である部分酸化反応器３を温度調整するための冷却ライン２３が設けられていると共に、燃料電池１によって加熱された冷却排ガス、燃焼器１６での熱交換によって加熱された冷却ガスに加えて、部分酸化反応器３の温度調整によって加熱された改質部冷却排ガスが、高温ガスとして燃料気化器２へと導入される構成としているので、発熱反応により燃料改質が行われる部分酸化反応器３の冷却を促して、部分酸化反応器３の耐久性を向上させながら、その熱を有効利用して、燃料気化器２における液体燃料の気化を促進させることができる。
【００７７】
また、部分酸化反応器３の温度調整用の冷却ガスが、燃料電池１の温度調整用の冷却ガスライン４より分配される構成としているので、冷却ガスを供給するための冷却ガス供給器（圧縮器等）を一つにすることができ、システム全体を小型化することができ、制御も簡便化することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、空気制御バルブ６で分配されて部分酸化反応器３へと供給される冷却ガスの流量が、部分酸化反応器３の内部温度に応じて制御される構成としているので、部分酸化反応器３を効果的に冷却させてその耐久性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例として示す燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】 参考例の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図３】 第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図４】 第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図５】 第３の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図６】 第３の実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すフローチャートである。
【図７】 第４の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図８】 第４の実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料気化器
３ 部分酸化反応器
４ 冷却ガスライン
６ 空気制御バルブ
８ 排気制御バルブ
９ 高温ガス循環ライン
１０ 燃料タンク
１１ インジェクタ
１６ 燃焼器
１７ 流量制御バルブ
１８ 加熱空気供給ライン
１９ 燃料改質器
２０ 水回収器
２２ インジェクタ
２３ 改質器冷却ライン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates power using a reformed fuel gas containing hydrogen generated from a liquid fuel.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a cell that generates electricity by an electrochemical reaction using hydrogen or a hydrocarbon-based gas as fuel and oxygen or air containing oxygen as an oxidant. For example, when using a hydrocarbon-based gas as a fuel, in general, a part or all of the hydrocarbon-based fuel is reformed into hydrogen using a reaction as shown in the following formulas (1) and (2). To the fuel electrode (anode electrode) of the fuel cell.
[0003]
CnH2n + 2+ NH2O → nCO + (n + 2) H2  ... (1)
CO + H2O → CO2+ H2                    ... (2)
As shown in this reaction formula (1), water (H2O) is required, while the fuel cell is water (H2In order to produce O), the exhaust gas contains sufficient moisture. Therefore, in order to effectively use the fuel gas or the oxidizing gas in the entire system, a fuel cell system that recirculates and uses the exhaust gas from the fuel cell has been studied (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
In the technique disclosed in Patent Document 1, in the solid oxide fuel cell power generation system, a part of the anode exhaust gas of the fuel cell is mixed with the supply fuel gas, and then in a regenerative heat exchanger provided in the recirculation system. Once cooled by heat exchange with the low-temperature reflux gas after passing through the condenser, and further cooled in the condenser to condense and separate excess water vapor in the exhaust gas, and then supply it to the fuel cell anode electrode inlet. It prevents battery electromotive force from decreasing and improves system efficiency. In addition, a circulation blower for circulating the fuel gas is installed after passing through the condenser so that the circulation blower can be operated at room temperature.
[0005]
However, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 basically stores and mounts a gas such as hydrogen gas or methane gas as a fuel source, and has the following problems. That is, when the fuel cell system is applied to a moving body such as a fuel cell vehicle, it is important that the volume of the fuel cell system is as small as possible. Therefore, the fuel source is preferably a liquid rather than a gas. . In this regard, since the system described in Patent Document 1 uses a gas having a lower energy density than the liquid as the fuel source, the volume of the entire fuel cell system including the stored fuel is a system using the liquid as the fuel source. It is larger than that, and it is not suitable for mounting on mobile objects.
[0006]
As a technique for solving this problem, a fuel cell system using liquid fuel as a fuel source has been proposed (see, for example, Patent Document 2). The technique disclosed in Patent Document 2 uses a technique in which liquid fuel is sent to an evaporator according to the load of the fuel cell, and the liquid fuel is heated and vaporized by a combustion burner and supplied to the reformer. Since liquid fuel is used as the fuel source, it is possible to solve the mountability problem in the technique described in Patent Document 1.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-233129
[0008]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-1000046
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, as in the technique described in Patent Document 2, the fuel gas is supplied to the fuel cell or the reformer while the liquid fuel is vaporized in the evaporator by the combustion burner. In a system where the load fluctuation of the fuel cell is large, such as when applied to the body, sufficient responsiveness cannot always be obtained. With respect to responsiveness, attempts have been made to provide a plurality of evaporators. However, in this case, there is a problem that the apparatus configuration becomes complicated. Further, in the technique described in Patent Document 2, the vaporization of the liquid fuel in the evaporator cannot be promptly stopped when the system is stopped, and it is necessary to consider the treatment of the vaporized fuel after the system is stopped. Furthermore, coking due to liquid phase vaporization of the fuel in the evaporator is likely to occur, which causes problems such as deterioration of the performance of the evaporator and reduction of the system efficiency.
[0010]
An object of the present invention is to provide a fuel cell system that solves such conventional problems, and in a fuel cell system that uses liquid fuel as a fuel source, a good response to changes in the load of the fuel cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which performance can be obtained, the cost can be reduced by simplifying the system configuration, and performance deterioration and efficiency reduction are suppressed.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention comprises:A fuel gas generation unit that generates reformed fuel gas containing hydrogen from liquid fuel, a fuel cell that has an anode and a cathode, and that receives power from the reformed fuel gas to generate power, and cooling that adjusts the temperature of the fuel cell A fuel cell system having a gas line and a heat exchanging unit using anode exhaust gas and cathode exhaust gas of a fuel cell is used as fuel with a part of the cooled exhaust gas heated by the cooling of the fuel cell and discharged from the fuel cell as a high temperature gas. A high-temperature gas circulation line to be introduced into the gas generation unit and a fuel vaporizer for supplying and vaporizing liquid fuel in a high-temperature atmosphere containing this cooling exhaust gas are provided, and a part of the cooling gas in the cooling gas line is a heat exchange unit And was introduced into the fuel vaporizer as a hot gas.
[0013]
In the fuel cell system of the present invention as described above, the cooling gas for adjusting the temperature of the fuel cell is supplied from, for example, a compressor to the fuel cell. And the cooling exhaust gas discharged | emitted from a fuel cell is recirculated to the fuel vaporizer of a fuel gas production | generation part as high temperature gas. In the fuel vaporizer, liquid fuel is injected and supplied into a high-temperature atmosphere by the recirculated cooling exhaust gas. As a result, the liquid fuel is rapidly vaporized and supplied to the fuel cell or reformer.
[0014]
【The invention's effect】
In the fuel cell system of the present invention, the cooling exhaust gas heated and discharged by the cooling of the fuel cell is used as a high-temperature gas, and the liquid fuel is vaporized and supplied, thus complicating the apparatus configuration. Therefore, it is possible to obtain good responsiveness to changes in the load of the fuel cell. Also, unlike when vaporizing liquid fuel using an evaporator, after stopping the system, it is possible to stop vaporization of liquid fuel quickly by stopping fuel injection, thus preventing unnecessary fuel vaporization. Can be used effectively. Furthermore, a system for processing unused vaporized fuel is not required, the system configuration is simplified, and the cost can be reduced.
[0015]
Further, in the fuel cell system of the present invention, since the liquid fuel is rapidly vaporized in the fuel vaporizer, the liquid fuel does not directly touch the high temperature part such as the inner wall of the vaporizer, and therefore the liquid fuel Coking by fuel can be prevented, and the performance deterioration of the portion to be vaporized can be effectively suppressed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel cell system to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
  (Reference example)
  FIG.As a reference example1 shows a schematic configuration of a fuel cell system. thisReference exampleThe fuel cell system of the present invention is a fuel cell system in which hydrogen or hydrocarbon is used as a fuel and the fuel cell 1 generates power. For example, a hydrocarbon liquid fuel such as methanol or gasoline is used as a fuel source, and the fuel cell 1 is cooled. A part of the exhaust gas is introduced into a fuel vaporizer (gas phase vaporizer) 2, and the vaporized vaporized fuel is reformed in the partial oxidation reactor 3, and the reformed fuel gas generated thereby is used as the fuel of the fuel cell 1. It supplies to an electrode (anode electrode).
[0018]
As the fuel cell 1, for example, an oxygen ion conduction type solid oxide fuel cell (SOFC) in which an electrolyte is composed of a solid oxide is used. In the fuel cell 1, an electrolyte / electrode catalyst composite is composed of a fuel electrode (anode electrode) supplied with reformed fuel gas containing hydrogen and an air electrode (cathode electrode) supplied with oxygen (air) as an oxidant. A power generation cell is configured by being sandwiched and overlapped, and has a structure in which a plurality of power generation cells are stacked in multiple stages, and receives supply of the reformed fuel gas and converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction. . At the anode electrode, when hydrogen is supplied, it is dissociated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte, the electrons pass through an external circuit, generate electric power, and move to the cathode electrode. At the cathode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.
[0019]
  Shown as a reference exampleIn the fuel cell system, the cooling gas line 4 is connected to the fuel cell 1, and a part of the air supplied from the compressor 5 is supplied to the fuel cell 1 through the air control valve 6 as a temperature adjusting cooling gas. It is supposed to be sent. In addition, the cooling exhaust gas heated by cooling the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 as a high-temperature gas. A cooling exhaust gas exhaust line 7, an exhaust control valve 8, and a high-temperature gas circulation line 9 are provided on the cooling exhaust gas exhaust side of the fuel cell 1. By operating the exhaust control valve 8, the cooling exhaust gas is converted into a high-temperature gas. It is introduced into the fuel vaporizer 2 from the circulation line 9 or exhausted.
[0020]
The supplied fuel is stored in the fuel tank 10 in a liquid state, supplied from the fuel supply flow path to the injector 11, and injected into the fuel vaporizer 2. In the fuel vaporizer 2, the liquid fuel injected by the injector 11 is vaporized, and the vaporized vaporized fuel is introduced into the partial oxidation reactor 3. The partial oxidation reactor 3 generates reformed fuel gas containing hydrogen. Therefore, the fuel gas generator 2 and the partial oxidation reactor 3 constitute a fuel gas generation unit.
[0021]
In the fuel vaporizer 2, oxygen required for reforming vaporized fuel in the partial oxidation reactor 3 out of the cooled exhaust gas sent from the cooling gas line 4 to the fuel cell 1 and heated and discharged by cooling the fuel cell 1. The amount of gas including the amount is supplied through the exhaust control valve 8. Therefore, in the fuel vaporizer 2, the supply fuel injected from the injector 11 and the cooling exhaust gas are mixed. Here, the cooling exhaust gas is high-temperature exhaust air heated by the cooling of the fuel cell 1 and is introduced into the fuel vaporizer 2 as a high-temperature gas, whereby the fuel vaporizer 2 is in a high-temperature atmosphere. For this reason, the liquid fuel sprayed from the injector 11 is rapidly vaporized in the high-temperature atmosphere in the fuel vaporizer 2 to become vaporized fuel, and is supplied to the partial oxidation reactor 3 via the vaporized fuel supply channel 12. Is done. In the partial oxidation reactor 3, which is a fuel reformer, a partial oxidation reaction is performed, and the vaporized fuel vaporized in the fuel vaporizer 2 is reformed into a reformed fuel gas containing hydrogen. The reformed fuel gas is supplied to the fuel electrode (anode) of the fuel cell 1 through the reformed fuel gas supply line 13.
[0022]
When the fuel cell 1 is an internal reforming solid oxide fuel cell, power can be generated while reforming the fuel, so the partial oxidation reactor 3 that is the above-described fuel reformer is omitted. Is possible.
[0023]
  The fuel cell 1 is supplied with the reformed fuel gas to the anode electrode and the oxidizing gas to the cathode electrode.Fuel cell system shown as a reference exampleThen, the cooling gas introduced into the cooling gas line 4 and the oxidizing gas are made the same gas (air), distributed from the cooling gas line 4 and supplied to the cathode electrode of the fuel cell 1. That is, the supply air to the fuel cell 1 is distributed by the air control valve 6 from the cooling gas for adjusting the temperature of the fuel cell 1 fed by the compressor 5 by the air control valve 6, and the air supply line 15. To the cathode electrode of the fuel cell 1.
[0024]
  Also,Shown as a reference exampleThe fuel cell system is provided with a combustor 16 that combusts exhaust gas from the anode and cathode of the fuel cell 1, and the air supplied to the cathode of the fuel cell 1 by the air supply line 15 is the fuel cell. 1 is heated by heat exchange between the cathode exhaust gas from No. 1 and the combustor 16 using the anode exhaust gas, and is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 1.
[0025]
The reformed fuel gas obtained by reforming the hydrocarbon-based gas includes H2Almost the same amount of CO2(Or CO), which is naturally not used for power generation2The gas is included in the fuel exhaust gas as it is. Furthermore, H used for battery reaction2Is H2O, and a lot of CO in the fuel exhaust gas2And H2O is included. H2O can then be used for partial modification, but all H2O is not used for reforming, and excess H that is not used for reforming each time the circulation is repeated2O increases.
[0026]
  Accordingly, when the fuel exhaust gas from the fuel cell 1 is circulated and used for power generation, the non-H in the fuel exhaust gas is circulated every time it is circulated.2The gas partial pressure increases, and the amount of increase depends on the amount of power generation. H in fuel gas2Since fluctuations in partial pressure are directly linked to fluctuations in the output of the fuel cell 1, non-H in the fuel gas2The fluctuation of the partial pressure makes the output control of the fuel cell 1 more difficult, and a large technical problem remains in the responsiveness and controllability of the system in which the load fluctuation of the fuel cell 1 is large. Therefore,Fuel cell system shown as a reference exampleThen, the fuel exhaust gas (anode exhaust gas or cathode exhaust gas) from the fuel cell 1 is not circulated and used, but combusted and disposed in the combustor 16 and exhausted to the outside.
[0027]
Next, a control sequence of the fuel cell system having the above configuration will be described with reference to FIG. This control sequence relates to the control of the air control valve 6, the exhaust control valve 8, and the injector 11, and is periodically executed by a controller (not shown) including a microcomputer and its peripheral devices. Hereinafter, the control sequence shown in FIG. 2 will be described in order.
[0028]
In this control sequence, first, the temperature of the fuel cell 1 is measured (step S1-1). Then, referring to a map showing the relationship between the preset temperature of the fuel cell 1 and the cooling gas supply amount, the required supply amount of the cooling gas is obtained according to the measured temperature of the fuel cell 1 (step S1- 2). Here, the amount of air supplied from the air control valve 6 to the cathode electrode of the fuel cell 1 is constant.
[0029]
In parallel with this, the required load on the fuel cell 1 is obtained from the amount of accelerator operation by the driver and the moving speed (step S1-3). Then, with reference to a preset map showing the relationship between the required load for the fuel cell 1 and the cathode supply air, a necessary supply amount of the cathode supply air is determined according to the determined required load (step S1-4). .
[0030]
Next, based on the supply amount of the cooling gas obtained in step S1-2 and the supply amount of the cathode supply air obtained in step S1-4, air of a necessary flow rate is sent from the compressor 5, and the air control valve 6 The fuel is distributed to the cathode electrode and the cooling gas, and supplied to the fuel cell 1 via the air supply line 15 or the cooling gas line 4 (step S1-5).
[0031]
Among these, for the high-temperature exhaust air heated by cooling the fuel cell 1 and discharged from the fuel cell 1, the amount of air necessary for reforming the supplied fuel in the partial oxidation reactor 3 is set in advance. Is obtained from a map showing the relationship between the fuel amount and the air amount (step S1-6), and by controlling the exhaust control valve 8, a necessary amount of air (cooling exhaust gas) is distributed and supplied to the fuel carburetor 2. (Step S1-7).
[0032]
In step S1-8, it is necessary according to the required load by referring to a map showing the relationship between the preset output of the fuel cell 1 and the fuel supply amount from the required load for the fuel cell 1 obtained in step S1-3. Find the correct fuel supply. And the quantity of liquid fuel calculated | required in this step S1-8 is sprayed to the fuel vaporizer 2 using the injector 11 (step S1-9).
[0033]
Finally, the liquid fuel sprayed in step S1-9 is vaporized using the high-temperature air (cooled exhaust gas) supplied to the fuel vaporizer 2 in step S1-7 and supplied to the partial oxidation reactor 3 (step) S1-10). The vaporized fuel is reformed into a reformed fuel gas containing hydrogen in the partial oxidation reactor 3 and supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 (step S1-11).
[0034]
  Having the above configurationReference exampleIn this fuel cell system, the cooling gas for adjusting the temperature of the fuel cell 1 is supplied to the fuel cell 1 by the compressor 5, and the cooling exhaust gas (high temperature exhaust air) discharged from the fuel cell 1 is the fuel cell. It is returned to the fuel gas generator of the system. Then, the fuel vaporizer 2 of the fuel gas generation unit is made into a high temperature atmosphere by the cooling exhaust gas recirculated from the fuel cell 1, and liquid fuel is injected and supplied into the high temperature atmosphere. Thus, the fuel is quickly vaporized and supplied to the fuel cell 1 or the partial oxidation reactor 3 which is a fuel reforming section. In this way, since liquid fuel is vaporized and supplied, good responsiveness to changes in the load of the fuel cell 1 can be obtained.
[0035]
At this time, since the liquid fuel is rapidly vaporized in the fuel vaporizer 2, the liquid fuel does not directly touch the high temperature portion such as the inner wall of the fuel vaporizer 2. Can be prevented in advance, and the performance degradation of the portion to be vaporized can be suppressed. In addition, unlike liquid phase vaporization such as when using an ordinary evaporator, wasteful fuel vaporization can be prevented by stopping fuel injection after the system is stopped, so that the fuel can be used effectively. be able to. Furthermore, a system for processing unused vaporized fuel is not required, and the system configuration is simplified, which is advantageous for cost reduction.
[0036]
  Also,Fuel cell system shown as a reference exampleIn FIG. 2, the cooling gas supplied to the cooling gas line 4 for adjusting the temperature of the fuel cell 1 is the same gas (air) as the oxidizing gas introduced into the cathode electrode of the fuel cell 1, and is used in the system. Only two types of gas, fuel gas and oxidizing gas, can be used, and the system configuration can be simplified.
[0037]
  further,Fuel cell system shown as a reference exampleAccording to the above, by making the gas supplied to the cooling gas line 4 for adjusting the temperature of the fuel cell 1 the same as the oxidizing gas (air) introduced into the cathode electrode of the fuel cell 1, one compressor 5 is provided. , The cooling gas of the fuel cell 1, the cathode gas for power generation, and the high-temperature gas of the fuel vaporizer 2 can be supplied to the system, and the number of parts can be reduced and the system configuration can be simplified. .
[0038]
  by the way,Reference exampleIn the fuel cell system, by introducing the vaporized fuel vaporized by the high-temperature gas containing oxygen in the fuel vaporizer 2 into the partial oxidation reactor 3, part or all of the hydrocarbon fuel is expressed by the following equation (3). The fuel is reformed into hydrogen using a reaction as shown and supplied to the fuel electrode (anode electrode) of the fuel cell 1.
[0039]
CnH2n + 2+ NO2  → nCO2  + (N + 1) H2  ... (3)
Here, when an internal reforming fuel cell is used as the fuel cell 1, power generation using a hydrocarbon fuel is performed with a simple system without using the partial oxidation reactor 3 which is a fuel reforming section. I can. However, when an internal reforming fuel cell is used as the fuel cell 1, the above reaction formula (1) is an endothermic reaction, and the above reaction formula (3) is an exothermic reaction. The reaction heat makes it difficult to control the temperature control of the fuel cell 1 together with the load variation of the output.
[0040]
On the other hand, when a fuel reforming section, particularly a partial oxidation reaction type reforming section (partial oxidation reactor 3) excellent in reforming reaction responsiveness, is provided separately with the fuel vaporizer 2, the load fluctuation Therefore, it is possible to provide a fuel cell system with good response.
[0041]
Further, in the above-described control sequence, the amount of reformed fuel gas required from the output request of the fuel cell 1 is calculated, and only the amount of heat (cooling exhaust gas amount) necessary to vaporize the liquid fuel is calculated as a combustion vaporizer. Therefore, it is possible to prevent unnecessary fuel injection and supply of excess oxygen to the anode side. Therefore, the amount of fuel used can be optimized and the fuel cell 1 can be operated safely.
[0042]
  (First embodiment)
  This embodiment has been described above.Reference exampleAs in the fuel cell system, the fuel supplied in the fuel tank 10 in the liquid state is sprayed and mixed from the injector 11 into the high-temperature gas recirculated to the fuel vaporizer 2 to be vaporized. Is supplied to the partial oxidation reactor 3, and the basic configuration isReference fuel cell systemIt is the same. However, thisFirst embodimentIn this fuel cell system, in addition to the cooling exhaust gas from the fuel cell 1, the cooling gas distributed from the cooling gas line 4 and heated by heat exchange with the combustor (heat exchange unit) 16 is used as a high-temperature gas as a fuel vaporizer. 2 is supplied.
[0043]
  Hereinafter, the fuel cell system of the present embodiment will be described with reference to FIG. In the fuel cell system of the present embodiment, the above-describedReference fuel cell systemConstituent elements that are the same as those in FIG.
[0044]
In the fuel cell system of this embodiment, as shown in FIG. 3, a flow control valve 17 is provided in the air supply line 15 distributed from the cooling gas line 4, and the air supply line 15 is provided via this flow control valve 17. Further, the heated air supply line 18 is branched. Therefore, a part of the cooling gas (air) fed from the compressor 5 is guided to the heated air supply line 18 via the air control valve 6 and the flow rate control valve 17 and supplied to the combustor 16. Since the combustor 16 generates heat by burning the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas from the fuel cell 1, the air from the heated air supply line 18 supplied to the combustor 16 is heat-exchanged in the combustor 16. Heated. Then, the air heated by the combustor 16 is merged with the cooling exhaust gas from the fuel cell 1 via the exhaust control valve 8 and is introduced into the fuel vaporizer 2 as a high-temperature gas.
[0045]
The air supplied to the fuel cell 1 is distributed by the air control valve 6 from the fuel cell temperature adjusting cooling gas sent from the compressor 5, and the flow rate required for power generation is further increased by the flow control valve 17. The fuel is distributed, heated by heat exchange with the combustor 16, and supplied to the fuel cell 1.
[0046]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, not only the cooling exhaust gas of the fuel cell 1 but also the cooling gas distributed from the cooling gas line 4 and heated by the combustor 16 is conducted as a high-temperature gas. It is introduced into the vaporizer 2. Thereby, even when the temperature of the fuel cell 1 is low, the temperature does not increase so much, and the amount of heat of the cooling exhaust gas from the fuel cell 1, that is, the amount of heat recovered from the fuel cell 1 is small, heat is generated by the combustor 16. The collected gas is also introduced into the fuel vaporizer 2 so that the fuel vaporization performance can be maintained.
[0047]
  (Second embodiment)
  This embodiment has been described above.First embodimentIn this fuel cell system, a water recovery device is added to supply the recovered water to the fuel reforming unit.
[0048]
  As shown in FIG. 4, the fuel cell system of this embodiment is alsoReference examples and first embodimentIn the same manner as the fuel cell system, the fuel supplied in the fuel tank 10 in the liquid state is sprayed and mixed from the injector 11 into the high-temperature gas recirculated to the fuel carburetor 2 to be vaporized. To supply. Also,First embodimentAs in the fuel cell system of FIG. 1, in addition to the cooling exhaust gas from the fuel cell 1, cooling gas distributed from the cooling gas line 4 and heated by heat exchange with the combustor 16 is also introduced into the fuel vaporizer 2. Yes.
[0049]
  However, as the fuel reforming section, a fuel reformer (ATR) 19 is used in which the partial oxidation reaction and the steam reforming reaction occur at an appropriate ratio (for example, 8: 2). Therefore, in the fuel cell system of this embodiment, the above-describedReference examples and first embodimentUnlike the vaporized fuel supplied from the fuel vaporizer 2, it is necessary to supply water to the fuel reformer 19, and this water is supplied from the water recovery unit 20 to the fuel reformer 19. Yes. Here, the amount of water supplied to the fuel reformer 19 is an amount necessary for the partial oxidation reaction and the steam reforming reaction to occur at 8: 2. In addition, the ratio of the partial oxidation reaction and the steam reforming reaction in the fuel reformer 19 is an example, and is not limited to this.
[0050]
As water supplied to the fuel reformer 19, for example, water obtained by condensing and collecting reaction product water contained in the anode exhaust gas of the fuel cell 1 is used. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the water recovery device 20 as a water supply device is installed at the exhaust gas outlet of the combustor 16, and the generated water recovered here passes through the water supply line 21 and is a fuel reformer. 19 is supplied.
[0051]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the fuel reformer 19 has not only partial oxidation reaction reforming but also steam reforming as a function, so that fuel by exothermic reaction and endothermic reaction can be obtained. The heat balance in the reformer 19 can be achieved. Thereby, not only a stable reforming reaction can be performed, but also the durability of the fuel reformer 19 can be improved.
[0052]
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the water supplied to the fuel reformer 19 is generated water generated by power generation contained in the exhaust gas of the fuel cell 1 and is recovered and used by the water recovery unit 20. Therefore, it is possible to provide a simple system that does not require replenishment of water from the outside.
[0053]
  (Third embodiment)
  This embodiment has been described above.Second embodimentAs in the fuel cell system, the fuel reformer 19 reforms the vaporized fuel by a partial oxidation reaction and a steam reforming reaction. The fuel vaporizer 2 is sprayed and supplied with water necessary for the reforming. The fuel reformer 19 is supplied together with the vaporized fuel.
[0054]
That is, also in the fuel cell system of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the supplied fuel stored in the fuel tank 10 in the liquid state is supplied from the injector 11 into the high-temperature gas recirculated to the fuel vaporizer 2. The mixture is vaporized by spray mixing and supplied to the fuel reforming section. In addition to the cooling exhaust gas from the fuel cell 1, the cooling gas distributed from the cooling gas line 4 and heated by heat exchange with the combustor 16 is also introduced into the fuel vaporizer 2 as a high-temperature gas.
[0055]
However, in the fuel cell system of the present embodiment, in addition to the injector 11 that sprays liquid fuel on the fuel vaporizer 2, the injector 22 that sprays the water (reaction product water) recovered in the water recovery unit 20, It is located upstream of the injector 11. Then, fuel is sprayed from the injector 11 and water is supplied from the injector 22 to a high temperature atmosphere composed of the fuel cell cooling exhaust gas recirculated to the fuel vaporizer 2 and the cooling gas (high temperature gas) heated by the combustor 16. Is sprayed and supplied to the fuel reformer 19 in a vaporized state.
[0056]
FIG. 6 shows a control sequence in the fuel cell system of the present embodiment. In this control sequence, first, the temperature of the fuel cell 1 is measured (step S4-1). Then, referring to a map showing a relationship between the preset temperature of the fuel cell 1 and the cooling gas supply amount, a required cooling gas supply amount is obtained according to the measured temperature of the fuel cell 1 (step S4-2). ). Here, the amount of air supplied from the air control valve 6 to the flow control valve 17 is constant.
[0057]
In parallel with this, the required load on the fuel cell 1 is obtained from the amount of accelerator operation by the driver and the moving speed (step S4-3). Then, a predetermined supply amount of cathode supply air is determined according to the calculated required load with reference to a map showing a relationship between the predetermined load for the fuel cell 1 and the cathode supply air (step S4-4). .
[0058]
In step S4-5, by operating the air control valve 6, the air amount corresponding to the cooling gas supply amount obtained in step S4-2 is distributed from the air supplied from the compressor 5. Further, by operating the flow control valve 17, the cathode supply air obtained in step S4-4 and the air supplied to the heated air supply line 18 are distributed. At this time, the supply amount of the cathode supply air is determined in accordance with the required load on the fuel cell 1, so that stable operation of the fuel cell 1 is realized. That is, when the output of the fuel cell 1 is low, the temperature of the fuel cell 1 is lower than that in the steady state, and the cooling gas flow rate for adjusting the temperature of the fuel cell 1 does not require as much. Therefore, the flow rates of the cooling gas for adjusting the temperature of the fuel cell 1 and the cathode supply air are not always the same ratio. Therefore, the amount of cathode supply air distributed from the temperature adjustment cooling gas of the fuel cell 1 is controlled according to the output of the fuel cell 1 regardless of the flow rate of the cooling gas. Stable operation will be realized.
[0059]
In step S4-6, referring to a preset map indicating the relationship between the output of the fuel cell 1 and the fuel supply amount from the required load for the fuel cell 1 obtained in step S4-3, according to the required load. Find the required fuel supply.
[0060]
In parallel with these, in step S4-7, the temperature of the fuel reformer 19 is measured. In step S4-8, the fuel reformer 19 determines the temperature of the fuel reformer 19 with reference to a map showing the relationship between the preset fuel reformer temperature and the steam reforming reaction amount. Find the amount of water needed.
[0061]
In step S4-9, refer to the map showing the relationship between the preset fuel amount and the air amount for the air amount required to reform the supplied fuel obtained in step S4-6 in the fuel reformer 19 And ask. In step S4-10, the flow rate corresponding to the air amount obtained in step S4-9 among the high-temperature air (hot gas) supplied to the exhaust control valve 8 is supplied to the fuel carburetor 2.
[0062]
At the same time, the amount of water necessary for the fuel reformer 19 obtained in step S4-8 is sprayed onto the fuel vaporizer 2 using the injector 22 (step S4-11), and also obtained in step S4-6. A predetermined amount of liquid fuel is sprayed onto the fuel vaporizer 2 using the injector 11 (step S4-12).
[0063]
Finally, the liquid fuel sprayed in step S4-12 is vaporized using the high-temperature air (hot gas) supplied to the fuel vaporizer 2 in step S4-10, and supplied to the fuel reformer 19 (step) S4-13). At this time, the water sprayed in step S4-11 is also vaporized and supplied to the fuel reformer 19. Then, using this water, the vaporized fuel is reformed into a reformed fuel gas containing hydrogen in the fuel reformer 19 and supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 (step S4-14).
[0064]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, as a method of supplying water, a method of injecting and supplying into the high-temperature gas of the cooling exhaust gas is adopted as in the method of supplying liquid fuel. It is possible to overcome the problem of responsiveness, which is a problem when using an evaporator. Further, by providing the fuel vaporizer 2 with a water injection unit (injector 22) for supplying water, the entire system can be reduced in size and weight. Further, by providing the water injection unit (injector 22) on the upstream side of the fuel injection unit (injector 11), coking in the fuel carburetor 2 due to fuel injection, which may be slightly generated, is surely prevented. The durability of the fuel vaporizer 2 can be improved.
[0065]
Further, in the fuel cell system of the present embodiment, the amount of water supplied to the fuel reformer 19 is controlled according to the internal temperature of the fuel reformer 19, so that the partial oxidation reaction of the exothermic reaction and The heat balance by the steam reforming reaction of the endothermic reaction can be maintained, and the durability of the fuel reformer 19 can be improved.
[0066]
  (Fourth embodiment)
  This embodiment has been described above.First embodimentThe fuel cell system is heated by cooling the partial oxidation reactor 3 by adding a reformer cooling line for adjusting the temperature (cooling) of the partial oxidation reactor 3 as a fuel reforming unit. The high-temperature gas is introduced into the fuel vaporizer 2 together with the cooling exhaust gas from the fuel cell 1 and the cooling gas heated by heat exchange with the combustor 16.
[0067]
  As shown in FIG. 7, the fuel cell system of this embodiment is also described above.First embodimentAs in the fuel cell system of FIG. 1, the fuel supplied to the fuel tank 10 in the liquid state is sprayed and mixed from the injector 11 into the high-temperature gas recirculated to the fuel vaporizer 2 to be vaporized. In addition to the cooling exhaust gas from the fuel cell 1, a cooling gas distributed from the cooling gas line 4 and heated by heat exchange with the combustor 16 is also introduced into the fuel vaporizer 2 as a high-temperature gas. It has become so.
[0068]
Here, in the fuel cell system of the present embodiment, the reformer cooling line 23 is branched in the air control valve 6 so that the partial oxidation reactor 3 is cooled by the cooling gas for temperature adjustment distributed thereto. It has become. Overheating of the partial oxidation reactor 3 causes deterioration of the reforming catalyst of the partial oxidation reactor 3 and carbon deposition, leading to deterioration of fuel reforming performance. Therefore, such overheating of the partial oxidation reactor 3 is prevented. Measures to do this are important for the proper operation of the fuel cell system. Therefore, in the fuel cell system of the present embodiment, the air control valve 6 distributes the temperature-adjusting cooling gas and supplies it to the partial oxidation reactor 3 through the reformer cooling line 23. I try to prevent overheating.
[0069]
Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, the cooling gas heated by cooling the partial oxidation reactor 3 is effectively used as a high-temperature gas for promoting the vaporization of the liquid fuel in the fuel vaporizer 2. Yes. That is, in this fuel cell system, the cooling gas (high temperature gas) heated by the cooling of the partial oxidation reactor 3 is led to the exhaust control valve 8, and the heat from the cooling exhaust gas from the fuel cell 1 and the combustor 16. It is introduced into the fuel vaporizer 2 together with the cooling gas heated by the exchange.
[0070]
FIG. 8 shows a control sequence in the fuel cell system of the present embodiment. In this control sequence, first, the temperature of the fuel cell 1 is measured (step S5-1). Then, referring to a map showing the relationship between the preset temperature of the fuel cell 1 and the cooling gas supply amount, the required cooling gas supply amount is obtained according to the measured temperature of the fuel cell 1 (step S5-2). ).
[0071]
In parallel with this, the required load on the fuel cell 1 is obtained from the amount of accelerator operation by the driver and the moving speed (step S5-3). Then, with reference to a preset map showing the relationship between the required load for the fuel cell 1 and the cathode supply air, a necessary supply amount of the cathode supply air is determined according to the determined required load (step S5-4). .
[0072]
Furthermore, in parallel with these, the temperature of the partial oxidation reactor 3 which is a fuel reforming part is measured (step S5-5), and the relationship between the preset temperature of the partial oxidation reactor 3 and the cooling air supply amount is measured. The required reformer cooling air amount is determined according to the measured temperature of the partial oxidation reactor 3 (step S5-6).
[0073]
On the basis of these results, in step S5-7, the air amount corresponding to the cooling gas supply amount obtained in step S5-2 from the air supplied from the compressor 5 by the operation of the air control valve 6, and The reformer cooling air amount obtained in step S5-6 is distributed. Further, in step S5-8, by operating the flow control valve 17, the cathode supply air obtained in step S5-4 and the air supplied to the heating air supply line 18 are distributed.
[0074]
On the other hand, in step S5-9, the required load for the fuel cell 1 obtained in step S5-3 is referred to a preset map showing the relationship between the output of the fuel cell 1 and the fuel supply amount. The required fuel supply amount is determined accordingly. Then, the air amount necessary for reforming the supplied fuel obtained in step S5-9 in the partial oxidation reactor 3 is obtained with reference to a map showing the relationship between a preset fuel amount and air amount ( Step S5-10) Of the high-temperature air (high-temperature gas) supplied to the control valve 8, a flow rate corresponding to the air amount obtained in Step S5-10 is supplied to the fuel carburetor 2 (Step S5-11). . And the quantity of liquid fuel calculated | required in step S5-9 is sprayed to the fuel vaporizer 2 using the injector 11 (step S5-12).
[0075]
Finally, the liquid fuel sprayed in step S5-12 is vaporized using the high-temperature air (hot gas) supplied to the fuel vaporizer 2 in step S5-11, and supplied to the partial oxidation reactor 3 (step) S5-13). Then, this vaporized fuel is reformed into reformed fuel gas containing hydrogen in the partial oxidation reactor 3, and supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 (step S5-14).
[0076]
As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the cooling line 23 for adjusting the temperature of the partial oxidation reactor 3 that is the fuel reforming unit is provided, and the cooling exhaust gas heated by the fuel cell 1 is provided. In addition to the cooling gas heated by the heat exchange in the combustor 16, the reforming portion cooling exhaust gas heated by adjusting the temperature of the partial oxidation reactor 3 is introduced into the fuel vaporizer 2 as a high-temperature gas. Therefore, cooling of the partial oxidation reactor 3 in which fuel reforming is performed by exothermic reaction is promoted, and the durability of the partial oxidation reactor 3 is improved, and the heat is effectively used to improve the durability of the partial oxidation reactor 3. The vaporization of the liquid fuel can be promoted.
[0077]
Further, since the cooling gas for adjusting the temperature of the partial oxidation reactor 3 is distributed from the cooling gas line 4 for adjusting the temperature of the fuel cell 1, a cooling gas supply device (compression) for supplying the cooling gas is used. The entire system can be miniaturized and the control can be simplified.
[0078]
Furthermore, in the fuel cell system of the present embodiment, the flow rate of the cooling gas distributed by the air control valve 6 and supplied to the partial oxidation reactor 3 is controlled according to the internal temperature of the partial oxidation reactor 3. Therefore, the partial oxidation reactor 3 can be effectively cooled to further improve its durability.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]Shown as a reference exampleIt is a figure which shows schematic structure of a fuel cell system.
[Figure 2]Reference exampleIt is a flowchart which shows the control sequence in the fuel cell system of.
[Fig. 3]First embodimentIt is a figure which shows schematic structure of this fuel cell system.
[Fig. 4]Second embodimentIt is a figure which shows schematic structure of this fuel cell system.
[Figure 5]Third embodimentIt is a figure which shows schematic structure of this fuel cell system.
[Fig. 6]Third embodimentIt is a flowchart which shows the control sequence in the fuel cell system of.
[Fig. 7]Fourth embodimentIt is a figure which shows schematic structure of this fuel cell system.
[Fig. 8]Fourth embodimentIt is a flowchart which shows the control sequence in the fuel cell system of.
[Explanation of symbols]
  1 Fuel cell
  2 Fuel vaporizer
  3 Partial oxidation reactor
  4 Cooling gas line
  6 Air control valve
  8 Exhaust control valve
  9 Hot gas circulation line
  10 Fuel tank
  11 Injector
  16 Combustor
  17 Flow control valve
  18 Heating air supply line
  19 Fuel reformer
  20 Water collector
  22 Injector
  23 Reformer cooling line

Claims (18)

液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、アノード極とカソード極を有し前記改質燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の温度調整を行う冷却ガスラインと、前記燃料電池のアノード排ガス及びカソード排ガスを利用した熱交換部とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の冷却によって加熱されて前記燃料電池から排出された冷却排ガスの一部を高温ガスとして前記燃料ガス生成部に導入する高温ガス循環ラインと、前記冷却排ガスを含む高温雰囲気中に液体燃料を供給して気化させる燃料気化器とが設けられているとともに、
前記冷却ガスラインの冷却ガスの一部が前記熱交換部により加熱されて、高温ガスとして前記燃料気化器に導入されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel gas generation unit that generates a reformed fuel gas containing hydrogen from a liquid fuel, a fuel cell that has an anode and a cathode, and that generates power upon receiving the supply of the reformed fuel gas, and temperature adjustment of the fuel cell In a fuel cell system having a cooling gas line to be performed and a heat exchanging unit using the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas of the fuel cell,
A high-temperature gas circulation line for introducing a part of the cooling exhaust gas heated by the cooling of the fuel cell and discharged from the fuel cell as a high-temperature gas into the fuel gas generation unit; And a fuel vaporizer that vaporizes by supplying
A part of the cooling gas in the cooling gas line is heated by the heat exchanging unit and introduced into the fuel vaporizer as a high-temperature gas . 前記燃料電池の冷却ガスとして、前記燃料電池のカソード極へ供給する酸化ガスと同じガスを用い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。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the same gas as the oxidizing gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell is used as the cooling gas for the fuel cell. 前記燃料電池のカソード極へ供給される酸化ガスは、前記冷却ガスラインから分配されて、前記燃料電池のカソード極へと導入され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。The fuel cell system according to claim 2 , wherein the oxidizing gas supplied to the cathode electrode of the fuel cell is distributed from the cooling gas line and introduced to the cathode electrode of the fuel cell. 前記燃料ガス生成部は燃料改質部を備え、前記燃料気化部によって気化された気化燃料が前記燃料改質部へと導入され、前記燃料改質部において改質された改質燃料ガスが前記燃料電池のアノード極へと導入されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel gas generation unit includes a fuel reforming unit, the vaporized fuel vaporized by the fuel vaporization unit is introduced into the fuel reforming unit, and the reformed fuel gas reformed in the fuel reforming unit is The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell system is introduced into an anode electrode of the fuel cell. 前記燃料改質部は、部分酸化反応により気化燃料を改質する燃料改質部であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 4, wherein the fuel reforming unit is a fuel reforming unit that reforms vaporized fuel by a partial oxidation reaction . 前記燃料改質部の温度調整用の冷却ガスラインを有し、
前記燃料電池によって加熱された冷却排ガス、及び前記熱交換部によって加熱された冷却ガスに加えて、前記燃料改質部の温度調整によって加熱された冷却排ガスが高温ガスとして前記燃料気化器へと導入されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池システム。 A cooling gas line for adjusting the temperature of the fuel reforming section;
In addition to the cooling exhaust gas heated by the fuel cell and the cooling gas heated by the heat exchange unit, the cooling exhaust gas heated by adjusting the temperature of the fuel reforming unit is introduced into the fuel vaporizer as a high-temperature gas. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell system is provided. 前記燃料改質部の温度調整用の冷却ガスは、前記燃料電池の温度調整用の冷却ガスラインより分配されて、前記燃料改質部へと供給されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。 The cooling gas for adjusting the temperature of the fuel reforming section is distributed from a cooling gas line for adjusting the temperature of the fuel cell and supplied to the fuel reforming section. the fuel cell system. 前記燃料改質部は、部分酸化反応及び水蒸気改質反応により気化燃料を改質する燃料改質部であり、
前記燃料改質部に気化した水を供給する水供給装置を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 The fuel reforming section is a fuel reforming section that reforms vaporized fuel by a partial oxidation reaction and a steam reforming reaction,
The fuel cell system according to claim 4, further comprising a water supply device that supplies vaporized water to the fuel reforming unit . 前記水供給装置は、冷却排ガス中に水を噴射供給する水噴射部を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。The fuel cell system according to claim 8, wherein the water supply device includes a water injection unit that injects and supplies water into the cooling exhaust gas . 前記水噴射部は、前記燃料気化器に設置されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 9, wherein the water injection unit is installed in the fuel vaporizer . 前記燃料気化器は、冷却排ガス中に液体燃料を噴射供給する燃料噴射部を有し、
前記水噴射部は前記燃料噴射部よりも冷却排ガス流の上流側に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。 The fuel vaporizer has a fuel injection unit that injects and supplies liquid fuel into the cooling exhaust gas,
The fuel cell system according to claim 10, wherein the water injection unit is provided upstream of the fuel injection unit in the cooling exhaust gas flow . 前記水供給装置により供給される水は、前記燃料電池による生成水を凝集して得られた水であることを特徴とする請求項８乃至１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 8 to 11, wherein the water supplied by the water supply device is water obtained by aggregating water generated by the fuel cell. 前記燃料電池の出力要求に対して必要な燃料量に応じて、前記燃料気化器内への高温ガスの供給量、及び供給燃料量が制御されることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。 13. The supply amount of high-temperature gas into the fuel vaporizer and the supply fuel amount are controlled according to the fuel amount required for the output request of the fuel cell. The fuel cell system according to claim 1. 前記燃料電池の温度調整用の冷却ガスラインから分配されて前記燃料電池のカソード極へと導入される酸化ガスの量が、前記燃料電池の出力に応じて制御され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。 The amount of oxidizing gas distributed from the cooling gas line for temperature adjustment of the fuel cell and introduced into the cathode electrode of the fuel cell is controlled according to the output of the fuel cell. 4. The fuel cell system according to 3 . 前記燃料電池の温度調整用の冷却ガスラインから分配されて前記燃料改質部へと供給される冷却ガスの量が、前記燃料改質部の内部温度に応じて制御されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。 The amount of cooling gas distributed from the cooling gas line for temperature adjustment of the fuel cell and supplied to the fuel reforming unit is controlled according to the internal temperature of the fuel reforming unit. The fuel cell system according to claim 7 . 前記水供給装置により前記燃料改質部へと供給される水分量が、前記燃料改質部の内部温度に応じて制御されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8, wherein the amount of water supplied to the fuel reforming unit by the water supply device is controlled according to an internal temperature of the fuel reforming unit . 前記燃料電池は、固体電解質型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 前記燃料電池は、内部改質型の固体電解質型燃料電池であり、前記燃料改質部が前記燃料電池に内在されていることを特徴とする請求項４乃至１６の何れか１項に記載の燃料電池システム。 17. The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell is an internal reforming solid oxide fuel cell, and the fuel reforming unit is included in the fuel cell. Fuel cell system.
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