JP4399884B2 - 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】
本発明は燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
前記固体高分子電解質型燃料電池システムは、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質を挟んだ構造をしている多数のセルが積層されている燃料電池、該燃料電池に水素を主成分とする燃料ガスを製造して供給する改質器、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段などから構成されている。前記燃料極側には前記燃料ガスが、前記酸化剤極側には前記酸化剤ガスが送られ、電気化学反応により発電する。
【０００５】
前記改質器は、炭化水素系燃料と水から水素を主成分とする燃料ガスを製造する装置で、３つのパーツに分かれている。炭化水素系燃料としては、メタノール、ガソリン、天然ガスなど多くの炭化水素系燃料が利用できるが、一般的にメタノールが利用されているので、以後炭化水素系燃料をメタノールで説明する。
【０００６】
前記の３つのパーツは、燃料であるメタノールと水を蒸気化する蒸発部と、蒸気化したメタノールと水を触媒により水素を主成分とする燃料ガスに改質する改質部と、この燃料ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ）を低減するＣＯ低減部である。
【０００７】
前記改質部の反応には、一般的に水蒸気改質法か部分改質法がある。水蒸気改質法は、蒸気化したメタノールと水を触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）に接触させて下記反応で改質し燃料ガスを生成する方法である。
【０００８】
ＣＨ３ＯＨ ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２ ＋ＣＯ２ ＋ ５０ＫＪ
部分改質法は、蒸気化したメタノールと水に酸素を混合し、触媒（例えば、酸化触媒及び銅−亜鉛系触媒）に接触させて下記反応で改質し燃料ガスを生成する方法である。
【０００９】
ＣＨ３ＯＨ ＋０．１３Ｏ２ ＋０．４７Ｎ２ ＋０．７５Ｈ２Ｏ
→ ２．７５Ｈ２ ＋ＣＯ２ ＋０．４７Ｎ２ ―４．５ＫＪ
前記ＣＯ低減部の反応は、燃料ガスに酸素を混合し、触媒（例えば、白金触媒）に接触させて下記反応でＣＯを選択的に酸化して除去する反応である。
【００１０】
ＣＯ ＋ １／２Ｏ２ → ＣＯ２ − ２５７．２ＫＪ
改質反応として、水蒸気改質法を採用した場合にはＣＯ低減部に酸素を供給する必要があり、部分改質法を採用した場合には改質部とＣＯ低減部に酸素を供給する必要がある。この酸素は酸化剤ガス供給手段により供給される。酸化剤ガスとして一般的に空気が利用される。
【００１１】
以上のように燃料電池システムにおいては、燃料電池本体および改質器に酸化剤ガスを供給する必要があり、その酸化剤ガスの供給を制御することは重要である。
【００１２】
従来技術として、特開平９−２１３３５５号公報には、燃料電池本体と改質器に、別々の酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスを供給する燃料電池システムが開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は、酸化剤ガス供給手段および酸化剤ガス供給系の制御が簡単になるが、複数の酸化剤ガス供給手段が必要であるので、消費電力が多い問題がある。自動車など車載用の燃料電池システムでは、できる限り少ない電力で走行できることが求められている。
【００１４】
本発明は上記課題を解決したもので、消費電力が少ない燃料電池システムを提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃焼部、改質部、CO低減部を有し、炭化水素系燃料を燃料ガスに改質する改質器と、前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させる燃焼手段と、該燃焼手段から排出される排ガスの燃焼エネルギーを利用して回転するタービンと、該タービンに連結し酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサを備えている酸化剤ガス供給手段が設けられ、前記コンプレッサの出力は、前記燃料電池とつながると共に、前記酸化剤ガス加圧手段を介して、前記改質部および前記CO低減部に連結されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１７】
すなわち、前記酸化剤ガス供給手段から改質器に供給される酸化剤ガスを酸化剤ガス加圧手段でさらに加圧することができるため、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化剤ガスの圧力バランスをとることができ、燃料電池の固体高分子電解質膜の耐久性、前記燃焼手段に酸化剤ガスが投入できない問題が解決され、前記燃料電池の燃焼ガスオフガスの燃焼エネルギーを利用した酸化剤ガス供給手段から該燃料電池と前記改質器に酸化剤ガスを供給することができるので、燃料電池システムの消費電力を少なくすることができる。
【００１８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記コンプレッサの出力は、少なくとも一つの流量制御手段を介して、前記改質部および前記CO低減部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。
【００１９】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２０】
すなわち、前記流量制御手段により、前記改質部と前記ＣＯ低減部に供給する酸化剤ガスの流量を別々に制御することができるので、前記改質部と前記ＣＯ低減部それぞれに最適な流量の酸化剤ガスを供給することができる。
【００２１】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記酸化剤ガス加圧手段は、二つ設けられ、一方は前記改質部に連結され、他方は前記CO低減部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。
【００２２】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２３】
すなわち、二つの酸化剤ガス加圧手段により前記改質部と前記ＣＯ低減部に個別に供給することができるので、前記改質部と前記ＣＯ低減部それぞれに最適な流量の酸化剤ガスを供給することができる。
【００２４】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと前記燃料ガスの差圧を検出する差圧検出手段が前記燃料電池のガス供給側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。
【００２５】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２６】
すなわち、前記差圧検出手段により酸化剤ガスと燃料ガスの差圧を検出することができるので、前記酸化剤ガス供給手段、前記酸化剤ガス加圧手段、前記流量制御手段の運転を最適にでき、ガス供給系の圧力・流量バランスをとることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
酸化剤ガス供給手段に用いられる消費電力を少なくし燃料電池システムの効率を向上するために、本出願人は、燃料電池から排出される燃料ガスオフガスのエネルギーを酸化剤ガス供給手段の動力源として利用する方法を考案した。
【００２８】
すなわち、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素は１００％利用されることはなく、およそ８０％の利用率である。燃料電池から排出される燃料ガスオフガスには、かなりの水素が含まれている。この燃料ガスオフガスを燃焼手段で燃焼し、その排ガスのエネルギーでタービンを回転させる。このタービンの回転に連動してコンプレッサを回転させて、酸化剤ガス供給手段として用いるシステムである。
【００２９】
上記のシステムにおいて、タービンを利用した酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスを燃料電池に供給し、別の酸化剤ガス供給手段を使用して酸化剤ガスを改質器に供給していた。しかし、タービンを利用した酸化剤ガス供給手段から分岐し改質器へも酸化剤ガスを投入すると酸化剤ガス供給手段の数が少なくでき、さらに消費電力を小さくすることができる。
【００３０】
しかしながら、共通の酸化剤ガス供給手段により、改質器と燃料電池に供給するためには次のような解決すべき問題点がある。改質器で生成される燃料ガスの圧力は、改質器に投入される酸化剤ガスの圧力により決定される。このため共通の酸化剤ガス供給手段を用いた場合、該酸化剤ガス供給手段から直接燃料電池に供給される酸化剤ガスと、改質器から燃料電池に供給される燃料ガスの間で圧力差が生じる。
【００３１】
その圧力差のほとんどは改質器での圧力損失に起因する。この場合燃料電池の両ガスの圧力差が大きいと燃料電池の固体高分子電解質である固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。
【００３２】
さらにタービンを利用した酸化剤ガス供給手段を用いたシステムでは、燃料電池から排出される酸化剤ガス、燃料ガスの両オフガスを燃焼手段で燃焼される。酸化剤ガス供給手段の吐出圧からできる限り圧力降下しないよう燃料電池へと酸化剤ガスを流し、そのまま燃焼手段へと酸化剤ガスオフガスを流すと燃焼手段の燃焼ガス圧力が高くなり、タービンでの動力回収量が増加する。
【００３３】
しかし、燃料ガスオフガスは前述の通り、燃料電池入口部で改質器の圧損分だけ低い圧力となっており、酸化剤ガス圧より低いため酸化剤ガス圧が支配的となっている燃焼手段への燃料ガスオフガスの投入ができなくなる。さらに、燃焼手段への燃料ガスオフガス管路を逆流し燃料電池の燃料極側へ酸化剤ガスが流れ込むおそれもある。
【００３４】
そこで燃焼手段への燃料ガスオフガスの投入ができるように圧力バランスをとろうとすると、酸化剤ガス管路に絞りバルブを配置し、燃焼手段に流れる酸化剤ガスの圧力を燃料ガスの圧力にそろえてやる必要がある。しかしその結果として酸化剤ガス管路の抵抗が増え酸化剤ガス供給手段の吐出する酸化剤ガス流量が減ることになる。
【００３５】
この問題を解決するために、燃料ガスを高圧化すればよく、そのためには改質器に供給する酸化剤ガスの投入圧力を高圧にすればよい。すなわち、改質器へ供給する酸化剤ガスは燃料電池へ供給する酸化剤ガス供給手段から分岐するが、その分岐ラインの途中に酸化剤ガスをさらに加圧する酸化剤ガス加圧手段を配置し改質器で必要なだけ加圧してやる。
【００３６】
それにより問題となっていたガス供給系全体のガス圧力のバランスは一挙に解消でき、改質器へ流す酸化剤ガスの流量も制御しやすくなる。また、追加する酸化剤ガス供給手段の消費動力についても、大気からの昇圧ではなく、もともと加圧された空気を０．５ｋｇｆ／ｃｍ２程度昇圧するだけでよいので大きな電力を必要としない。
【００３７】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。本実施例の構成を説明する。本実施例では酸化剤ガスとして空気を使用し、燃料ガスとしてメタノールを改質した燃料ガスを使用している。
【００３８】
本固体高分子電解質型燃料電池システムは、改質器１、燃料電池２、燃焼手段であるバーナ３、酸化剤ガス供給手段であるターボアシストコンプレッサ４および酸化剤ガス加圧手段であるコンプレッサ５１から構成されている。また前記固体高分子電解質型燃料電池システムには、水タンク５、メタノールタンク６、流量制御手段である流量制御バルブＶ１、Ｖ２、差圧検出手段である差圧計７および各種のポンプや管路が備えられている。
【００３９】
前記改質器１は燃料である水とメタノールを改質して水素を主成分とする燃料ガスに変換する装置で、燃焼部１０１、蒸発部１０２、改質部１０３およびＣＯ低減部１０４から構成されている。前記改質器１の燃焼部１０１は、メタノールを貯蔵しているメタノールタンク６とメタノールポンプＰ３を介して連結し、エアーコンプレッサＣ１と空気管路１３を介して連結している。前記改質器１の蒸発部１０２は、水を貯蔵している水タンク５と水ポンプＰ１を介して連結し、前記メタノールタンク６とメタノールポンプＰ２を介して連結している。
【００４０】
前記ターボアシストコンプレッサ４は、タービン４１、モータ４２、コンプレッサ４３から構成されている。前記タービンは、前記バーナ３の排ガスのエネルギーを利用して回転し、前記コンプレッサ４３を回転させる装置である。前記モータ４２は、燃料電池システムの起動時など前記バーナ３の排ガスのエネルギーが少ないときに電力でコンプレッサ４３を回転する装置である。
【００４１】
前記コンプレッサ４３は酸化剤ガスである空気を圧縮して供給する装置で、空気管路１６を介して燃料電池２の空気供給口２２と連結している。また前記コンプレッサ４３は、空気管路１６から分岐している空気管路１６ａを介して前記コンプレッサ５１と連結している。
【００４２】
該コンプレッサ５１は、空気管路１６ｂを介して流量制御バルブＶ１と連結し、該流量制御バルブＶ１は空気管路１６ｃを介して前記改質部１０３と連結している。また前記コンプレッサ５１は、前記空気管路１６ｂから分岐している空気管路１６ｄを介して流量制御バルブＶ２と連結し、該流量制御バルブＶ２は空気管路１６ｅを介して前記ＣＯ低減部１０４と連結している。該ＣＯ低減部１０４は燃料ガス管路１４を介して燃料電池２の燃料ガス供給口２１と連結している。
【００４３】
差圧計７は、燃料電池２に供給する燃料ガスと空気のガス圧力差を検出する差圧検出手段で、燃料電池２の燃料ガス供給口２１、空気供給口２２の近くの前記燃料ガス管路１４と空気管路１６の間に跨って設けられている。なお、差圧検出手段としては、燃料ガス管路１４、空気管路１６のそれぞれに圧力検出手段を設け、それで検出された圧力の差を計算する差圧検出手段なども考えられる。
【００４４】
前記燃料電池２の燃料ガスオフガス排出口２３は、燃料ガスオフガス管路１９を介して前記バーナ３の燃料ガスオフガス供給口３１と連結している。前記燃料電池２の空気オフガス排出口２４は、空気オフガス管路２０を介して前記バーナ３の空気オフガス供給口３３と連結している。
【００４５】
バーナ３は、空気オフガスを助燃剤として燃料ガスオフガスを燃焼する燃焼手段である。前記バーナ３の排ガス排出口３５は、排ガス管路２７を介してターボアシストコンプレッサ４のタービン４１と連結している。
【００４６】
以下、本第１実施例の動作および作用について説明する。
【００４７】
燃料電池システムが起動されると、メタノールタンク６からメタノールポンプＰ３によりメタノールが改質器１の燃焼部１０１に供給される。ターボアシストコンプレッサ４のモータ４２も起動されてコンプレッサ４３が起動される。同時にエアーコンプレッサＣ１も起動される。前記燃焼部１０１に供給されたメタノールは、前記エアーコンプレッサＣ１から供給された空気を助燃剤として燃焼し、蒸発器１０２を加熱する。
【００４８】
水タンク５から水ポンプＰ１により水が、またメタノールタンク６からメタノールポンプＰ２によりメタノールが改質器１の蒸発部１０２に供給される。供給された水とメタノールは、前記蒸発部１０２で気化され改質部１０３に送られる。
【００４９】
前記ターボアシストコンプレッサ４のコンプレッサ４３は、空気管路１６を介して燃料電池２の空気供給口２２に空気を供給する。同時に空気管路１６ａを介してコンプレッサ５１に空気が送られ、該コンプレッサ５１で空気をさらに加圧する。この加圧された空気は、空気管路１６ｂ、流量制御バルブＶ１、空気管路１６ｃを介して改質部１０３に送られる。また加圧された空気は、空気管路１６ｂ、１６ｄ、流量制御バルブＶ２、空気管路１６ｅを介してＣＯ低減部１０４に送られる。
【００５０】
前記改質部１０３では、水とメタノールの蒸気はコンプレッサ５１から送られた空気と混合され、改質触媒（例えば、Ｐｄ触媒とＣｕ−Ｚｎ触媒等）により水素を主成分とする燃料ガスに下記の反応で改質されＣＯ低減部１０４に送られる。
【００５１】
ＣＨ３ＯＨ ＋０．１３Ｏ２ ＋０．４７Ｎ２ ＋０．７５Ｈ２Ｏ
→ ２．７５Ｈ２ ＋ＣＯ２ ＋０．４７Ｎ２
この燃料ガスはＣＯを０．５〜１％含んでおり、前記ＣＯ低減部１０４のＣＯ低減触媒（例えば、Ｐｔ触媒等）によりＣＯを前記コンプレッサ５１から送られた空気で酸化してＣＯ２に変え、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にして燃料ガス管路１４を介して燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される。
【００５２】
前記燃料電池２は多数のセルが積層されており、該セルは二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質膜を挟んだ構造をしている。該燃料極では燃料ガス中の水素ガスが触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
【００５３】
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋４ｅ−
Ｈ＋は、固体高分子電解質膜中を移動し酸化剤極触媒に達し空気中の酸素と反応して水となる。この電気化学反応により発電する。
【００５４】
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
前記燃料電池２では燃料ガス中の水素は１００％利用されることはなく、およそ８０％の利用率である。前記燃料電池２で利用されなかった燃料ガスオフガスは燃料ガスオフガス管路１９を介してバーナ３の燃料ガス供給口３１に送られる。
【００５５】
一方、前記燃料電池２には過剰の空気を送っているので、空気オフガスが空気オフガス排出口２４から排出される。前記空気オフガスは、空気オフガス管路２０を介してバーナ３の空気供給口３３に送られる。
【００５６】
前記バーナ３では、前記燃料電池２から送られた燃料ガスオフガスと空気オフガスで燃焼する。前記バーナ３の排ガスはターボアシストコンプレッサ４のタービン４１に送られ、該タービン４１を回転する。該タービン４１の回転により前記コンプレッサ４３が回転されるので、前記モータ４２の負荷が低減され、電力が節約できる。前記燃料電池システムの定常運転時には、燃料ガスオフガスの燃焼エネルギーが十分あるので、前記モータを動かす必要がなくなり前記モータは停止される。補助電力が限られている自動車等車載用の燃料電池システムでは、この効果は重要である。
【００５７】
本第１実施例においては、前記コンプレッサ４３から吐出される空気圧力は３ａｔａである。燃料電池２の空気供給口２２には、ほぼこの３ａｔａの空気が供給される。前記コンプレッサ４３からコンプレッサ５１に供給された空気は、該コンプレッサ５１により空気圧力３．５ａｔａに加圧される。この空気が改質部１０３、ＣＯ低減部１０４に供給され、改質器１から排出される燃料ガス圧力が決まる。この燃料ガス圧力は、改質器１の圧力損失などにより該改質器１に供給される空気圧力よりやや低く、３．２ａｔａである。
【００５８】
これにより、改質器１から燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される燃料ガス圧力は、空気供給口２２に供給される空気圧力よりやや高い３．２ａｔａである。燃料ガスと空気は、燃料電池２でほぼ同じ圧力損失が生ずるので、両ガスは同じ圧力差のままバーナ３に供給される。これにより、バーナ３に燃料ガスを投入することができ、供給される空気が燃料ガスオフガス管路１９に逆流することはなくなった。
【００５９】
燃料電池２に供給される燃料ガスと空気の圧力差が大きすぎると、燃料電池２の固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。一方、この圧力差が小さすぎると、バーナ３に燃料ガスを投入することができなくなるおそれがある。この圧力差を適切に保つために、差圧計７により圧力差を検出し、その値に応じてコンプレッサ５１の加圧力を調整している。
【００６０】
このように、燃料電池システムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ４は、バーナ３の燃焼エネルギーだけで運転されているので、電力を消費することはない。またコンプレッサ５１は、ターボアシストコンプレッサ４で圧縮された空気を少し（本実施例では０．５ｋｇｆ／ｃｍ２）加圧するだけでよい。改質器１に供給するため、専用のコンプレッサを設けると、大気圧から３．５ａｔａに加圧しなければならない。このため、コンプレッサ５１の消費電力は、専用のコンプレッサに比べて大幅に小さい。
【００６１】
なお、流量制御バルブＶ１、Ｖ２により改質部１０３とＣＯ酸化部１０４それぞれに必要な空気流量を調整する。
【００６２】
図２は、本発明の第２実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。本第２実施例は、第１実施例が一つの酸化剤ガス加圧手段を使用している替わりに、改質部とＣＯ低減部それぞれに供給する空気のために、二つの酸化剤ガス加圧手段を設けている以外は同じ構成である。同じ構成の部位には同じ符号を使用し、説明は省略する。
【００６３】
本第２実施例では、酸化剤ガス供給手段であるターボアシストコンプレッサ４により改質部１に供給される空気をさらに加圧する酸化剤ガス加圧手段として二つのコンプレッサ５２、５３が設けられている。前記ターボアシストコンプレッサ４のコンプレッサ４３は、空気管路１６から分岐している空気管路１６ｆを介して前記コンプレッサ５２と連結している。該コンプレッサ５２は、空気管路１６ｇを介して改質部１０３と連結している。また前記コンプレッサ４３は、同じく空気管路１６から分岐している空気管路１６ｈを介して前記コンプレッサ５３と連結している。該コンプレッサ５３は、空気管路１６ｊを介してＣＯ低減部１０４と連結している。
【００６４】
本第２実施例においても、前記コンプレッサ４３から吐出される空気圧力は３ａｔａである。燃料電池２の空気供給口２２には、ほぼこの３ａｔａの空気が供給される。前記コンプレッサ４３からコンプレッサ５２、５３に供給された空気は、該コンプレッサ５２、５３により空気圧力およそ３．５ａｔａに加圧される。この空気が改質部１０３、ＣＯ低減部１０４に供給され、改質器１から排出される燃料ガス圧力が決まる。この燃料ガス圧力は、改質器１の圧力損失などにより該改質器１に供給される空気圧力よりやや低く、３．２ａｔａである。
【００６５】
これにより、改質器１から燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される燃料ガス圧力は、空気供給口２２に供給される空気圧力よりやや高い３．２ａｔａである。燃料ガスと空気は、燃料電池２でほぼ同じ圧力損失が生ずるので、両ガスは同じ圧力差のままバーナ３に供給される。これにより、バーナ３に燃料ガスを投入することができ、供給される空気が燃料ガスオフガス管路１９に逆流することはなくなった。
【００６６】
燃料電池２に供給される燃料ガスと空気の圧力差が大きすぎると、燃料電池２の固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。一方、この圧力差が小さすぎると、バーナ３に燃料ガスを投入することができなくなるおそれがある。この圧力差を適切に保つために、差圧計７により圧力差を検出し、その値に応じてコンプレッサ５２および５３の加圧力を調整している。
【００６７】
このように、燃料電池システムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ４は、バーナ３の燃焼エネルギーだけで運転されているので、電力を消費することはない。またコンプレッサ５２、５３は、ターボアシストコンプレッサ４で圧縮された空気を少し（本実施例では０．５ｋｇｆ／ｃｍ２）加圧するだけでよい。改質器１に供給するため、専用のコンプレッサを設けると、大気圧から３．５ａｔａに加圧しなければならない。このため、コンプレッサ５２、５３の消費電力は、専用のコンプレッサに比べて大幅に小さい。二つのコンプレッサを使用して改質部１０３とＣＯ酸化部１０４それぞれに必要な空気流量を送ることができるので、このコンプレッサと改質器の間に流量制御手段を設ける必要がなくなる。
【００６８】
図３は、本発明の第３実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。本第３実施例は、第１実施例が二つの流量制御バルブＶ１、Ｖ２を使用している替わりに、流量制御手段である一つの三方弁Ｖ３が設けられいる以外は同じ構成である。同じ構成の部位には同じ符号を使用し、説明は省略する。
【００６９】
本第３実施例では、酸化剤ガス加圧手段であるコンプレッサ５１は、空気管路１６ｋを介して三方弁Ｖ３と連結している。該三方弁Ｖ３は、空気管路１６ｍを介して前記改質部１０３と連結し、空気管路１６ｎを介してＣＯ低減部１０４と連結している。
【００７０】
本第３実施例においても、前記コンプレッサ４３から吐出される空気圧力は３ａｔａである。燃料電池２の空気供給口２２には、ほぼこの３ａｔａの空気が供給される。前記コンプレッサ４３からコンプレッサ５１に供給された空気は、該コンプレッサ５１により空気圧力３．５ａｔａに加圧される。この空気が改質部１０３、ＣＯ低減部１０４に供給され、改質器１から排出される燃料ガス圧力が決まる。この燃料ガス圧力は、改質器１の圧力損失などにより該改質器１に供給される空気圧力よりやや低く、３．２ａｔａである。
【００７１】
これにより、改質器１から燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される燃料ガス圧力は、空気供給口２２に供給される空気圧力よりやや高い３．２ａｔａである。燃料ガスと空気は、燃料電池２でほぼ同じ圧力損失が生ずるので、両ガスは同じ圧力差のままバーナ３に供給される。これにより、バーナ３に燃料ガスを投入することができ、供給される空気が燃料ガスオフガス管路１９に逆流することはなくなった。
【００７２】
燃料電池２に供給される燃料ガスと空気の圧力差が大きすぎると、燃料電池２の固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。一方、この圧力差が小さすぎると、バーナ３に燃料ガスを投入することができなくなるおそれがある。この圧力差を適切に保つために、差圧計７により圧力差を検出し、その値に応じてコンプレッサ５１の加圧力を調整している。
【００７３】
このように、燃料電池システムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ４は、バーナ３の燃焼エネルギーだけで運転されているので、電力を消費することはない。またコンプレッサ５１は、ターボアシストコンプレッサ４で圧縮された空気を少し（本実施例では０．５ｋｇｆ／ｃｍ２）加圧するだけでよい。改質器１に供給するため、専用のコンプレッサを設けると、大気圧から３．５ａｔａに加圧しなければならない。このため、コンプレッサ５１の消費電力は、専用のコンプレッサに比べて大幅に小さい。
【００７４】
なお、三方弁Ｖ３により改質部１０３とＣＯ酸化部１０４それぞれに必要な空気流量を調整する。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、該燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段から排出される排ガスの燃焼エネルギーを利用して回転するタービンと、該タービンに連結し酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサを備えている酸化剤ガス供給手段が設けられ、該酸化剤ガス供給手段が、前記燃料電池と、少なくとも一つの酸化剤ガス加圧手段を介して、炭化水素系燃料を燃料ガスに改質する改質器に連結されていることを特徴とする燃料電池システムであるので、燃料電池システムの消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図
【図２】本発明の第２実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図
【図３】本発明の第３実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図
【符号の説明】
１…改質器
２…燃料電池
３…バーナ（燃焼手段）
４…ターボアシストコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
７…差圧計（差圧検出手段）
４１…タービン
４２…モータ
４３…コンプレッサ
５１〜５３…コンプレッサ（酸化剤ガス加圧手段）
１０１…燃焼部
１０２…蒸発部
１０３…改質部
１０４…ＣＯ低減部
Ｖ１、Ｖ２…流量制御バルブ（流量制御手段）
Ｖ１…三方弁（流量制御手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
前記固体高分子電解質型燃料電池システムは、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質を挟んだ構造をしている多数のセルが積層されている燃料電池、該燃料電池に水素を主成分とする燃料ガスを製造して供給する改質器、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段などから構成されている。前記燃料極側には前記燃料ガスが、前記酸化剤極側には前記酸化剤ガスが送られ、電気化学反応により発電する。
【０００５】
前記改質器は、炭化水素系燃料と水から水素を主成分とする燃料ガスを製造する装置で、３つのパーツに分かれている。炭化水素系燃料としては、メタノール、ガソリン、天然ガスなど多くの炭化水素系燃料が利用できるが、一般的にメタノールが利用されているので、以後炭化水素系燃料をメタノールで説明する。
【０００６】
前記の３つのパーツは、燃料であるメタノールと水を蒸気化する蒸発部と、蒸気化したメタノールと水を触媒により水素を主成分とする燃料ガスに改質する改質部と、この燃料ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ）を低減するＣＯ低減部である。
【０００７】
前記改質部の反応には、一般的に水蒸気改質法か部分改質法がある。水蒸気改質法は、蒸気化したメタノールと水を触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）に接触させて下記反応で改質し燃料ガスを生成する方法である。
【０００８】
ＣＨ３ＯＨ ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２ ＋ＣＯ２ ＋ ５０ＫＪ
部分改質法は、蒸気化したメタノールと水に酸素を混合し、触媒（例えば、酸化触媒及び銅−亜鉛系触媒）に接触させて下記反応で改質し燃料ガスを生成する方法である。
【０００９】
ＣＨ３ＯＨ ＋０．１３Ｏ２ ＋０．４７Ｎ２ ＋０．７５Ｈ２Ｏ
→ ２．７５Ｈ２ ＋ＣＯ２ ＋０．４７Ｎ２ ―４．５ＫＪ
前記ＣＯ低減部の反応は、燃料ガスに酸素を混合し、触媒（例えば、白金触媒）に接触させて下記反応でＣＯを選択的に酸化して除去する反応である。
【００１０】
ＣＯ ＋ １／２Ｏ２ → ＣＯ２ − ２５７．２ＫＪ
改質反応として、水蒸気改質法を採用した場合にはＣＯ低減部に酸素を供給する必要があり、部分改質法を採用した場合には改質部とＣＯ低減部に酸素を供給する必要がある。この酸素は酸化剤ガス供給手段により供給される。酸化剤ガスとして一般的に空気が利用される。
【００１１】
以上のように燃料電池システムにおいては、燃料電池本体および改質器に酸化剤ガスを供給する必要があり、その酸化剤ガスの供給を制御することは重要である。
【００１２】
従来技術として、特開平９−２１３３５５号公報には、燃料電池本体と改質器に、別々の酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスを供給する燃料電池システムが開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は、酸化剤ガス供給手段および酸化剤ガス供給系の制御が簡単になるが、複数の酸化剤ガス供給手段が必要であるので、消費電力が多い問題がある。自動車など車載用の燃料電池システムでは、できる限り少ない電力で走行できることが求められている。
【００１４】
本発明は上記課題を解決したもので、消費電力が少ない燃料電池システムを提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃焼部、改質部、CO低減部を有し、炭化水素系燃料を燃料ガスに改質する改質器と、前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させる燃焼手段と、該燃焼手段から排出される排ガスの燃焼エネルギーを利用して回転するタービンと、該タービンに連結し酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサを備えている酸化剤ガス供給手段が設けられ、前記コンプレッサの出力は、前記燃料電池とつながると共に、前記酸化剤ガス加圧手段を介して、前記改質部および前記CO低減部に連結されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１６】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１７】
すなわち、前記酸化剤ガス供給手段から改質器に供給される酸化剤ガスを酸化剤ガス加圧手段でさらに加圧することができるため、燃料電池に供給される燃料ガスと酸化剤ガスの圧力バランスをとることができ、燃料電池の固体高分子電解質膜の耐久性、前記燃焼手段に酸化剤ガスが投入できない問題が解決され、前記燃料電池の燃焼ガスオフガスの燃焼エネルギーを利用した酸化剤ガス供給手段から該燃料電池と前記改質器に酸化剤ガスを供給することができるので、燃料電池システムの消費電力を少なくすることができる。
【００１８】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記コンプレッサの出力は、少なくとも一つの流量制御手段を介して、前記改質部および前記CO低減部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。
【００１９】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２０】
すなわち、前記流量制御手段により、前記改質部と前記ＣＯ低減部に供給する酸化剤ガスの流量を別々に制御することができるので、前記改質部と前記ＣＯ低減部それぞれに最適な流量の酸化剤ガスを供給することができる。
【００２１】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記酸化剤ガス加圧手段は、二つ設けられ、一方は前記改質部に連結され、他方は前記CO低減部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。
【００２２】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２３】
すなわち、二つの酸化剤ガス加圧手段により前記改質部と前記ＣＯ低減部に個別に供給することができるので、前記改質部と前記ＣＯ低減部それぞれに最適な流量の酸化剤ガスを供給することができる。
【００２４】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと前記燃料ガスの差圧を検出する差圧検出手段が前記燃料電池のガス供給側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムである。
【００２５】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２６】
すなわち、前記差圧検出手段により酸化剤ガスと燃料ガスの差圧を検出することができるので、前記酸化剤ガス供給手段、前記酸化剤ガス加圧手段、前記流量制御手段の運転を最適にでき、ガス供給系の圧力・流量バランスをとることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
酸化剤ガス供給手段に用いられる消費電力を少なくし燃料電池システムの効率を向上するために、本出願人は、燃料電池から排出される燃料ガスオフガスのエネルギーを酸化剤ガス供給手段の動力源として利用する方法を考案した。
【００２８】
すなわち、燃料電池に供給される燃料ガス中の水素は１００％利用されることはなく、およそ８０％の利用率である。燃料電池から排出される燃料ガスオフガスには、かなりの水素が含まれている。この燃料ガスオフガスを燃焼手段で燃焼し、その排ガスのエネルギーでタービンを回転させる。このタービンの回転に連動してコンプレッサを回転させて、酸化剤ガス供給手段として用いるシステムである。
【００２９】
上記のシステムにおいて、タービンを利用した酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスを燃料電池に供給し、別の酸化剤ガス供給手段を使用して酸化剤ガスを改質器に供給していた。しかし、タービンを利用した酸化剤ガス供給手段から分岐し改質器へも酸化剤ガスを投入すると酸化剤ガス供給手段の数が少なくでき、さらに消費電力を小さくすることができる。
【００３０】
しかしながら、共通の酸化剤ガス供給手段により、改質器と燃料電池に供給するためには次のような解決すべき問題点がある。改質器で生成される燃料ガスの圧力は、改質器に投入される酸化剤ガスの圧力により決定される。このため共通の酸化剤ガス供給手段を用いた場合、該酸化剤ガス供給手段から直接燃料電池に供給される酸化剤ガスと、改質器から燃料電池に供給される燃料ガスの間で圧力差が生じる。
【００３１】
その圧力差のほとんどは改質器での圧力損失に起因する。この場合燃料電池の両ガスの圧力差が大きいと燃料電池の固体高分子電解質である固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。
【００３２】
さらにタービンを利用した酸化剤ガス供給手段を用いたシステムでは、燃料電池から排出される酸化剤ガス、燃料ガスの両オフガスを燃焼手段で燃焼される。酸化剤ガス供給手段の吐出圧からできる限り圧力降下しないよう燃料電池へと酸化剤ガスを流し、そのまま燃焼手段へと酸化剤ガスオフガスを流すと燃焼手段の燃焼ガス圧力が高くなり、タービンでの動力回収量が増加する。
【００３３】
しかし、燃料ガスオフガスは前述の通り、燃料電池入口部で改質器の圧損分だけ低い圧力となっており、酸化剤ガス圧より低いため酸化剤ガス圧が支配的となっている燃焼手段への燃料ガスオフガスの投入ができなくなる。さらに、燃焼手段への燃料ガスオフガス管路を逆流し燃料電池の燃料極側へ酸化剤ガスが流れ込むおそれもある。
【００３４】
そこで燃焼手段への燃料ガスオフガスの投入ができるように圧力バランスをとろうとすると、酸化剤ガス管路に絞りバルブを配置し、燃焼手段に流れる酸化剤ガスの圧力を燃料ガスの圧力にそろえてやる必要がある。しかしその結果として酸化剤ガス管路の抵抗が増え酸化剤ガス供給手段の吐出する酸化剤ガス流量が減ることになる。
【００３５】
この問題を解決するために、燃料ガスを高圧化すればよく、そのためには改質器に供給する酸化剤ガスの投入圧力を高圧にすればよい。すなわち、改質器へ供給する酸化剤ガスは燃料電池へ供給する酸化剤ガス供給手段から分岐するが、その分岐ラインの途中に酸化剤ガスをさらに加圧する酸化剤ガス加圧手段を配置し改質器で必要なだけ加圧してやる。
【００３６】
それにより問題となっていたガス供給系全体のガス圧力のバランスは一挙に解消でき、改質器へ流す酸化剤ガスの流量も制御しやすくなる。また、追加する酸化剤ガス供給手段の消費動力についても、大気からの昇圧ではなく、もともと加圧された空気を０．５ｋｇｆ／ｃｍ２程度昇圧するだけでよいので大きな電力を必要としない。
【００３７】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。本実施例の構成を説明する。本実施例では酸化剤ガスとして空気を使用し、燃料ガスとしてメタノールを改質した燃料ガスを使用している。
【００３８】
本固体高分子電解質型燃料電池システムは、改質器１、燃料電池２、燃焼手段であるバーナ３、酸化剤ガス供給手段であるターボアシストコンプレッサ４および酸化剤ガス加圧手段であるコンプレッサ５１から構成されている。また前記固体高分子電解質型燃料電池システムには、水タンク５、メタノールタンク６、流量制御手段である流量制御バルブＶ１、Ｖ２、差圧検出手段である差圧計７および各種のポンプや管路が備えられている。
【００３９】
前記改質器１は燃料である水とメタノールを改質して水素を主成分とする燃料ガスに変換する装置で、燃焼部１０１、蒸発部１０２、改質部１０３およびＣＯ低減部１０４から構成されている。前記改質器１の燃焼部１０１は、メタノールを貯蔵しているメタノールタンク６とメタノールポンプＰ３を介して連結し、エアーコンプレッサＣ１と空気管路１３を介して連結している。前記改質器１の蒸発部１０２は、水を貯蔵している水タンク５と水ポンプＰ１を介して連結し、前記メタノールタンク６とメタノールポンプＰ２を介して連結している。
【００４０】
前記ターボアシストコンプレッサ４は、タービン４１、モータ４２、コンプレッサ４３から構成されている。前記タービンは、前記バーナ３の排ガスのエネルギーを利用して回転し、前記コンプレッサ４３を回転させる装置である。前記モータ４２は、燃料電池システムの起動時など前記バーナ３の排ガスのエネルギーが少ないときに電力でコンプレッサ４３を回転する装置である。
【００４１】
前記コンプレッサ４３は酸化剤ガスである空気を圧縮して供給する装置で、空気管路１６を介して燃料電池２の空気供給口２２と連結している。また前記コンプレッサ４３は、空気管路１６から分岐している空気管路１６ａを介して前記コンプレッサ５１と連結している。
【００４２】
該コンプレッサ５１は、空気管路１６ｂを介して流量制御バルブＶ１と連結し、該流量制御バルブＶ１は空気管路１６ｃを介して前記改質部１０３と連結している。また前記コンプレッサ５１は、前記空気管路１６ｂから分岐している空気管路１６ｄを介して流量制御バルブＶ２と連結し、該流量制御バルブＶ２は空気管路１６ｅを介して前記ＣＯ低減部１０４と連結している。該ＣＯ低減部１０４は燃料ガス管路１４を介して燃料電池２の燃料ガス供給口２１と連結している。
【００４３】
差圧計７は、燃料電池２に供給する燃料ガスと空気のガス圧力差を検出する差圧検出手段で、燃料電池２の燃料ガス供給口２１、空気供給口２２の近くの前記燃料ガス管路１４と空気管路１６の間に跨って設けられている。なお、差圧検出手段としては、燃料ガス管路１４、空気管路１６のそれぞれに圧力検出手段を設け、それで検出された圧力の差を計算する差圧検出手段なども考えられる。
【００４４】
前記燃料電池２の燃料ガスオフガス排出口２３は、燃料ガスオフガス管路１９を介して前記バーナ３の燃料ガスオフガス供給口３１と連結している。前記燃料電池２の空気オフガス排出口２４は、空気オフガス管路２０を介して前記バーナ３の空気オフガス供給口３３と連結している。
【００４５】
バーナ３は、空気オフガスを助燃剤として燃料ガスオフガスを燃焼する燃焼手段である。前記バーナ３の排ガス排出口３５は、排ガス管路２７を介してターボアシストコンプレッサ４のタービン４１と連結している。
【００４６】
以下、本第１実施例の動作および作用について説明する。
【００４７】
燃料電池システムが起動されると、メタノールタンク６からメタノールポンプＰ３によりメタノールが改質器１の燃焼部１０１に供給される。ターボアシストコンプレッサ４のモータ４２も起動されてコンプレッサ４３が起動される。同時にエアーコンプレッサＣ１も起動される。前記燃焼部１０１に供給されたメタノールは、前記エアーコンプレッサＣ１から供給された空気を助燃剤として燃焼し、蒸発器１０２を加熱する。
【００４８】
水タンク５から水ポンプＰ１により水が、またメタノールタンク６からメタノールポンプＰ２によりメタノールが改質器１の蒸発部１０２に供給される。供給された水とメタノールは、前記蒸発部１０２で気化され改質部１０３に送られる。
【００４９】
前記ターボアシストコンプレッサ４のコンプレッサ４３は、空気管路１６を介して燃料電池２の空気供給口２２に空気を供給する。同時に空気管路１６ａを介してコンプレッサ５１に空気が送られ、該コンプレッサ５１で空気をさらに加圧する。この加圧された空気は、空気管路１６ｂ、流量制御バルブＶ１、空気管路１６ｃを介して改質部１０３に送られる。また加圧された空気は、空気管路１６ｂ、１６ｄ、流量制御バルブＶ２、空気管路１６ｅを介してＣＯ低減部１０４に送られる。
【００５０】
前記改質部１０３では、水とメタノールの蒸気はコンプレッサ５１から送られた空気と混合され、改質触媒（例えば、Ｐｄ触媒とＣｕ−Ｚｎ触媒等）により水素を主成分とする燃料ガスに下記の反応で改質されＣＯ低減部１０４に送られる。
【００５１】
ＣＨ３ＯＨ ＋０．１３Ｏ２ ＋０．４７Ｎ２ ＋０．７５Ｈ２Ｏ
→ ２．７５Ｈ２ ＋ＣＯ２ ＋０．４７Ｎ２
この燃料ガスはＣＯを０．５〜１％含んでおり、前記ＣＯ低減部１０４のＣＯ低減触媒（例えば、Ｐｔ触媒等）によりＣＯを前記コンプレッサ５１から送られた空気で酸化してＣＯ２に変え、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下にして燃料ガス管路１４を介して燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される。
【００５２】
前記燃料電池２は多数のセルが積層されており、該セルは二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質膜を挟んだ構造をしている。該燃料極では燃料ガス中の水素ガスが触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
【００５３】
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋４ｅ−
Ｈ＋は、固体高分子電解質膜中を移動し酸化剤極触媒に達し空気中の酸素と反応して水となる。この電気化学反応により発電する。
【００５４】
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
前記燃料電池２では燃料ガス中の水素は１００％利用されることはなく、およそ８０％の利用率である。前記燃料電池２で利用されなかった燃料ガスオフガスは燃料ガスオフガス管路１９を介してバーナ３の燃料ガス供給口３１に送られる。
【００５５】
一方、前記燃料電池２には過剰の空気を送っているので、空気オフガスが空気オフガス排出口２４から排出される。前記空気オフガスは、空気オフガス管路２０を介してバーナ３の空気供給口３３に送られる。
【００５６】
前記バーナ３では、前記燃料電池２から送られた燃料ガスオフガスと空気オフガスで燃焼する。前記バーナ３の排ガスはターボアシストコンプレッサ４のタービン４１に送られ、該タービン４１を回転する。該タービン４１の回転により前記コンプレッサ４３が回転されるので、前記モータ４２の負荷が低減され、電力が節約できる。前記燃料電池システムの定常運転時には、燃料ガスオフガスの燃焼エネルギーが十分あるので、前記モータを動かす必要がなくなり前記モータは停止される。補助電力が限られている自動車等車載用の燃料電池システムでは、この効果は重要である。
【００５７】
本第１実施例においては、前記コンプレッサ４３から吐出される空気圧力は３ａｔａである。燃料電池２の空気供給口２２には、ほぼこの３ａｔａの空気が供給される。前記コンプレッサ４３からコンプレッサ５１に供給された空気は、該コンプレッサ５１により空気圧力３．５ａｔａに加圧される。この空気が改質部１０３、ＣＯ低減部１０４に供給され、改質器１から排出される燃料ガス圧力が決まる。この燃料ガス圧力は、改質器１の圧力損失などにより該改質器１に供給される空気圧力よりやや低く、３．２ａｔａである。
【００５８】
これにより、改質器１から燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される燃料ガス圧力は、空気供給口２２に供給される空気圧力よりやや高い３．２ａｔａである。燃料ガスと空気は、燃料電池２でほぼ同じ圧力損失が生ずるので、両ガスは同じ圧力差のままバーナ３に供給される。これにより、バーナ３に燃料ガスを投入することができ、供給される空気が燃料ガスオフガス管路１９に逆流することはなくなった。
【００５９】
燃料電池２に供給される燃料ガスと空気の圧力差が大きすぎると、燃料電池２の固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。一方、この圧力差が小さすぎると、バーナ３に燃料ガスを投入することができなくなるおそれがある。この圧力差を適切に保つために、差圧計７により圧力差を検出し、その値に応じてコンプレッサ５１の加圧力を調整している。
【００６０】
このように、燃料電池システムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ４は、バーナ３の燃焼エネルギーだけで運転されているので、電力を消費することはない。またコンプレッサ５１は、ターボアシストコンプレッサ４で圧縮された空気を少し（本実施例では０．５ｋｇｆ／ｃｍ２）加圧するだけでよい。改質器１に供給するため、専用のコンプレッサを設けると、大気圧から３．５ａｔａに加圧しなければならない。このため、コンプレッサ５１の消費電力は、専用のコンプレッサに比べて大幅に小さい。
【００６１】
なお、流量制御バルブＶ１、Ｖ２により改質部１０３とＣＯ酸化部１０４それぞれに必要な空気流量を調整する。
【００６２】
図２は、本発明の第２実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。本第２実施例は、第１実施例が一つの酸化剤ガス加圧手段を使用している替わりに、改質部とＣＯ低減部それぞれに供給する空気のために、二つの酸化剤ガス加圧手段を設けている以外は同じ構成である。同じ構成の部位には同じ符号を使用し、説明は省略する。
【００６３】
本第２実施例では、酸化剤ガス供給手段であるターボアシストコンプレッサ４により改質部１に供給される空気をさらに加圧する酸化剤ガス加圧手段として二つのコンプレッサ５２、５３が設けられている。前記ターボアシストコンプレッサ４のコンプレッサ４３は、空気管路１６から分岐している空気管路１６ｆを介して前記コンプレッサ５２と連結している。該コンプレッサ５２は、空気管路１６ｇを介して改質部１０３と連結している。また前記コンプレッサ４３は、同じく空気管路１６から分岐している空気管路１６ｈを介して前記コンプレッサ５３と連結している。該コンプレッサ５３は、空気管路１６ｊを介してＣＯ低減部１０４と連結している。
【００６４】
本第２実施例においても、前記コンプレッサ４３から吐出される空気圧力は３ａｔａである。燃料電池２の空気供給口２２には、ほぼこの３ａｔａの空気が供給される。前記コンプレッサ４３からコンプレッサ５２、５３に供給された空気は、該コンプレッサ５２、５３により空気圧力およそ３．５ａｔａに加圧される。この空気が改質部１０３、ＣＯ低減部１０４に供給され、改質器１から排出される燃料ガス圧力が決まる。この燃料ガス圧力は、改質器１の圧力損失などにより該改質器１に供給される空気圧力よりやや低く、３．２ａｔａである。
【００６５】
これにより、改質器１から燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される燃料ガス圧力は、空気供給口２２に供給される空気圧力よりやや高い３．２ａｔａである。燃料ガスと空気は、燃料電池２でほぼ同じ圧力損失が生ずるので、両ガスは同じ圧力差のままバーナ３に供給される。これにより、バーナ３に燃料ガスを投入することができ、供給される空気が燃料ガスオフガス管路１９に逆流することはなくなった。
【００６６】
燃料電池２に供給される燃料ガスと空気の圧力差が大きすぎると、燃料電池２の固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。一方、この圧力差が小さすぎると、バーナ３に燃料ガスを投入することができなくなるおそれがある。この圧力差を適切に保つために、差圧計７により圧力差を検出し、その値に応じてコンプレッサ５２および５３の加圧力を調整している。
【００６７】
このように、燃料電池システムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ４は、バーナ３の燃焼エネルギーだけで運転されているので、電力を消費することはない。またコンプレッサ５２、５３は、ターボアシストコンプレッサ４で圧縮された空気を少し（本実施例では０．５ｋｇｆ／ｃｍ２）加圧するだけでよい。改質器１に供給するため、専用のコンプレッサを設けると、大気圧から３．５ａｔａに加圧しなければならない。このため、コンプレッサ５２、５３の消費電力は、専用のコンプレッサに比べて大幅に小さい。二つのコンプレッサを使用して改質部１０３とＣＯ酸化部１０４それぞれに必要な空気流量を送ることができるので、このコンプレッサと改質器の間に流量制御手段を設ける必要がなくなる。
【００６８】
図３は、本発明の第３実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図である。本第３実施例は、第１実施例が二つの流量制御バルブＶ１、Ｖ２を使用している替わりに、流量制御手段である一つの三方弁Ｖ３が設けられいる以外は同じ構成である。同じ構成の部位には同じ符号を使用し、説明は省略する。
【００６９】
本第３実施例では、酸化剤ガス加圧手段であるコンプレッサ５１は、空気管路１６ｋを介して三方弁Ｖ３と連結している。該三方弁Ｖ３は、空気管路１６ｍを介して前記改質部１０３と連結し、空気管路１６ｎを介してＣＯ低減部１０４と連結している。
【００７０】
本第３実施例においても、前記コンプレッサ４３から吐出される空気圧力は３ａｔａである。燃料電池２の空気供給口２２には、ほぼこの３ａｔａの空気が供給される。前記コンプレッサ４３からコンプレッサ５１に供給された空気は、該コンプレッサ５１により空気圧力３．５ａｔａに加圧される。この空気が改質部１０３、ＣＯ低減部１０４に供給され、改質器１から排出される燃料ガス圧力が決まる。この燃料ガス圧力は、改質器１の圧力損失などにより該改質器１に供給される空気圧力よりやや低く、３．２ａｔａである。
【００７１】
これにより、改質器１から燃料電池２の燃料ガス供給口２１に供給される燃料ガス圧力は、空気供給口２２に供給される空気圧力よりやや高い３．２ａｔａである。燃料ガスと空気は、燃料電池２でほぼ同じ圧力損失が生ずるので、両ガスは同じ圧力差のままバーナ３に供給される。これにより、バーナ３に燃料ガスを投入することができ、供給される空気が燃料ガスオフガス管路１９に逆流することはなくなった。
【００７２】
燃料電池２に供給される燃料ガスと空気の圧力差が大きすぎると、燃料電池２の固体高分子電解質膜にかかる応力が大きくなり、該固体高分子電解質膜の耐久性などに問題を起こすおそれがある。一方、この圧力差が小さすぎると、バーナ３に燃料ガスを投入することができなくなるおそれがある。この圧力差を適切に保つために、差圧計７により圧力差を検出し、その値に応じてコンプレッサ５１の加圧力を調整している。
【００７３】
このように、燃料電池システムの定常運転時にはターボアシストコンプレッサ４は、バーナ３の燃焼エネルギーだけで運転されているので、電力を消費することはない。またコンプレッサ５１は、ターボアシストコンプレッサ４で圧縮された空気を少し（本実施例では０．５ｋｇｆ／ｃｍ２）加圧するだけでよい。改質器１に供給するため、専用のコンプレッサを設けると、大気圧から３．５ａｔａに加圧しなければならない。このため、コンプレッサ５１の消費電力は、専用のコンプレッサに比べて大幅に小さい。
【００７４】
なお、三方弁Ｖ３により改質部１０３とＣＯ酸化部１０４それぞれに必要な空気流量を調整する。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、該燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼手段から排出される排ガスの燃焼エネルギーを利用して回転するタービンと、該タービンに連結し酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサを備えている酸化剤ガス供給手段が設けられ、該酸化剤ガス供給手段が、前記燃料電池と、少なくとも一つの酸化剤ガス加圧手段を介して、炭化水素系燃料を燃料ガスに改質する改質器に連結されていることを特徴とする燃料電池システムであるので、燃料電池システムの消費電力を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図
【図２】本発明の第２実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図
【図３】本発明の第３実施例の自動車等車載用の固体高分子電解質型燃料電池システム図
【符号の説明】
１…改質器
２…燃料電池
３…バーナ（燃焼手段）
４…ターボアシストコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
７…差圧計（差圧検出手段）
４１…タービン
４２…モータ
４３…コンプレッサ
５１〜５３…コンプレッサ（酸化剤ガス加圧手段）
１０１…燃焼部
１０２…蒸発部
１０３…改質部
１０４…ＣＯ低減部
Ｖ１、Ｖ２…流量制御バルブ（流量制御手段）
Ｖ１…三方弁（流量制御手段）
Claims (4)
- 燃料ガスと酸化剤ガスを利用して発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃焼部、改質部、CO低減部を有し、炭化水素系燃料を燃料ガスに改質する改質器と、前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを燃焼させる燃焼手段と、該燃焼手段から排出される排ガスの燃焼エネルギーを利用して回転するタービンと、該タービンに連結し酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサを備えている酸化剤ガス供給手段が設けられ、
前記コンプレッサの出力は、前記燃料電池とつながると共に、前記酸化剤ガス加圧手段を介して、前記改質部および前記CO低減部に連結されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記コンプレッサの出力は、少なくとも一つの流量制御手段を介して、前記改質部および前記CO低減部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記酸化剤ガス加圧手段は、二つ設けられ、一方は前記改質部に連結され、他方は前記CO低減部に連結されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスと前記燃料ガスの差圧を検出する差圧検出手段が前記燃料電池のガス供給側に設けられてい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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