JP4599634B2

JP4599634B2 - Fuel cell system

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Publication number: JP4599634B2
Application number: JP11243899A
Authority: JP
Inventors: 智青山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 1999-04-20
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2019-04-20
Also published as: JP2000306594A

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し、詳しくは、炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、加温された水との接触により加湿した空気と炭化水素系の燃料とを含む原料ガスを改質器に供給するものが提案されている（例えば、特開平１０−３３０１０１号公報など）。このシステムでは、炭化水素系の燃料と水蒸気と空気との混合ガスを改質器に供給して、炭化水素系の燃料の空気中の酸素による部分酸化反応と炭化水素系の燃料の水蒸気改質反応とを行なわせて水素リッチガスを生成し、この水素リッチガスと空気とを燃料電池に供給して電力を得ている。改質器に供給される混合ガス中の水蒸気は、燃料電池の冷却に用いた温水に空気を接触させて加湿することにより供給されるようになっている。燃料電池の冷却に用いた温水を用いるのは、空気に含まれる水蒸気の分圧を高めてより多くの水蒸気を混合ガスに供給するためである。また、この公報には、空気と炭化水素系の燃料との混合気体を燃料電池の冷却に用いた温水に接触させて加湿するものも記載されている。なお、炭化水素系の燃料としてメタンを用いた場合におけるメタンの部分酸化反応は次式（１）の反応となり、メタンの水蒸気改質反応は次式（２）の反応となる。なお、式（１）および式（２）により生成された一酸化炭素は更に水蒸気と次式（３）に示すシフト反応により水素を生じる。
【０００３】
ＣＨ₄＋（１／２）Ｏ₂→２Ｈ₂＋ＣＯ＋３５．７ｋＪ（１）
ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ−２０６．２ｋＪ（２）
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→Ｈ₂＋ＣＯ₂＋４１．２ｋＪ（３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした従来の燃料電池システムでは、改質器に供給されるガスに十分な水蒸気を含ませることができないという問題があった。燃料電池の冷却に用いられた温水は、例えば固体高分子型燃料電池の場合、燃料電池の動作温度が８０℃程度であるため、加湿される空気は８０℃における飽和水蒸気圧までしか加湿することができない。この８０℃における飽和水蒸気圧では、炭化水素系の燃料としてメタンを想定した場合、水蒸気のメタンに対するモル比（水蒸気のモル数／メタンのモル数）は１．５程度となる。前述の式（２）および式（３）から解るように、水蒸気は１モルのメタンに対して２モルが必要であり、メタンの転化率（反応率）を高めるためには、水蒸気は１モルのメタンに対して２モル以上必要となるが、８０℃では１．５程度となりメタンの転化率を低下させてしまう。また、こうした水蒸気不足は、改質器の内部でカーボンを析出させたり、改質器での反応温度を高温化したり、得られる水素リッチガス中の一酸化炭素の濃度を高めたりする問題をも生じさせる。
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、改質器に供給される原料ガスに含まれる水蒸気の混合比を高くすることを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料に見合う水蒸気を改質器に供給することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１の燃料電池システムは、炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池が発電に伴って生じる熱を用いて水を加温する水加温手段と、該加温された水に前記原料ガスを構成する少なくとも一部の気体を接触させて加湿することにより該原料ガスに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、該水蒸気供給手段の水を加熱可能な加熱手段とを備え、前記気体は、前記炭化水素の燃料を含むガス、酸素を含有する酸素含有ガスを含むガス、または、前記炭化水素系の燃料と酸素を含有する酸素含有ガスとを含むガスであり、前記酸素含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスと空気とを含むガスであって、前記酸素含有ガス中に含まれる前記酸化ガスの排ガスと空気との割合を調節する割合調節手段をさらに備えることを要旨とする。
【０００８】
この本発明の第１の燃料電池システムでは、加熱手段が水蒸気供給手段の水を加熱するから、水と接触して加湿される気体の水蒸気分圧を高くすることができる。この結果、原料ガスに含まれる水蒸気の混合比を高くすることができる。
【００１０】
また、本発明の第１の燃料電池システムによれば、前記酸素含有ガスに含まれる酸化ガスの排ガスは酸素に対する窒素の割合が高いから、加湿される気体のボリュームを多くすることにより多くの水蒸気を原料ガスに含ませることができる。すなわち、排ガスは改質器における反応に寄与しないが水蒸気を運ぶ気体として機能する窒素を多く含むため、原料ガスに排ガスを含ませることにより酸素と炭化水素系の燃料との比を変えることなく原料ガスのボリュームを多くして原料ガスに含まれる水蒸気を多くすることができるのである。
【００１１】
また、本発明の第１の燃料電池システムによれば、前記酸素含有ガス中に含まれる前記酸化ガスの排ガスと空気との割合を調節する割合調節手段を備えることで、酸素含有ガス中の酸素と窒素との割合を調節することができる。この結果、原料ガスに含まれる水蒸気の割合も調節することができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加熱手段は、前記燃料電池から排出される前記燃料ガスの排ガスを少なくとも燃料の一部として燃焼することにより前記水蒸気供給手段の水を加熱する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料ガスの利用効率を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段の水の温度を検出する温度検出手段と、該検出された温度に基づいて前記加熱手段による加熱を制御する加熱制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、水蒸気供給手段の水の温度に制御することにより加湿される気体に含まれる水蒸気の量を制御することができる。
【００１４】
加熱手段に燃料ガスの排ガスを供給すると共に加熱制御手段を備える態様の本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加熱手段に空気を供給可能な空気供給手段を備え、前記加熱制御手段は前記温度検出手段により検出された温度に基づいて前記加熱手段に供給される空気量を調節するよう前記空気供給手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、加熱手段に供給される空気量を調節することにより燃焼ガスの温度を調節することができる。この結果、水蒸気供給手段の水の温度を調節することができ、加湿される気体に含まれる水蒸気の量を調節することができる。
【００１５】
本発明の第２の燃料電池システムは、
炭化水素系の燃料と水蒸気と酸素とを含む原料ガスの供給を受けて水素を含有する燃料ガスを生成する改質器と、酸素を含有する酸化ガスと前記燃料ガスとの供給を受けて発電する燃料電池とを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池が発電に伴って生じる熱を用いて水を加温する水加温手段と、
前記改質器における反応に寄与しない非反応気体を空気における窒素の酸素に対する比率より高い比率で含有する非反応気体含有ガスを含む気体を前記水加温手段により加温された水に接触させて加湿することにより該気体に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記非反応気体含有ガスを含む気体と前記燃料とを混和して前記原料ガスとする混和手段と
を備えることを要旨とする。
【００１６】
この本発明の第２の燃料電池システムでは、改質器における反応に寄与しない非反応気体を空気における窒素の酸素に対する比率より高い比率で含有する非反応気体含有ガスを含む気体を加湿し、この気体と炭化水素系の燃料とを混和して原料ガスとする。本発明の第２の燃料電池システムによれば、原料ガスにおける非反応気体の比率を高くすることにより、炭化水素系の燃料に対する水蒸気の比率を高くすることができる。
【００１７】
こうした本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段は、前記混和手段を兼ねる手段であるものとすることもできる。こうすれば、炭化水素系の燃料も水蒸気を運ぶキャリアとして機能するから、原料ガス中の水蒸気の比率をより高くすることができる。
【００１８】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記非反応気体含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスであるものとすることもできる。酸化ガスの排ガスは、燃料電池で酸素が消費されているから、改質器における反応に寄与しない非反応気体としての窒素の比率が高くなっている。こうすれば、非反応気体含有ガスを貯蔵する必要がない。
【００１９】
あるいは、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記非反応気体含有ガスは、前記燃料電池から排出される前記酸化ガスの排ガスと空気との混合ガスであるものとすることもできる。この態様の本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記混合ガスにおける前記酸化ガスの排ガスと空気との混合比を調節する混合比調節手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、原料ガス中の酸素と窒素の比を調節することができ、この結果、原料ガス中の水蒸気の比率を調節することができる。
【００２０】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段の水を加熱する水加熱手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、加湿される気体の飽和水蒸気圧を高くすることができ、結果として原料ガス中の水蒸気の比率を高くすることができる。
【００２１】
これら各態様を含め本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段の水と接触する前記気体の圧力を調節する圧調節手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、加湿される気体の圧力を調節することにより水蒸気量を調節することができる。
【００２２】
また、本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段は、前記燃料電池を冷却する冷却系の一部を構成する手段であるものとすることもできる。こうすれば、水系統を複数持つ必要がなく、システムをコンパクトにすることができる。この態様の本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記冷却系は、前記水蒸気供給手段の前段で前記燃料電池と熱交換をする手段であるものとすることもできる。また、同様の態様の本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記冷却系は、前記水蒸気供給手段の後段で水を冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、炭化水素系の燃料としてのメタンを水蒸気改質により水素リッチな燃料ガスに改質する改質器２２と、燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスとしての空気との供給を受けて発電する燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却系統４０と、この冷却系統４０に組み込まれ改質器２２に供給するメタンや酸素を含むガスを加湿する加湿器５０と、燃料電池システム２０全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。
【００２４】
改質器２２は、メタンと酸素と水蒸気とを含む原料ガスに対して主として前述した式（１）の部分酸化反応と式（２）の水蒸気改質反応を行なう改質部２４と、主として改質部２４により生成された一酸化炭素を式（３）のシフト反応により水素と二酸化炭素にするシフト部２６と、こうして得られた燃料ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化するＣＯ選択酸化部２８とを備える。なお、改質器２２は、ＣＯ選択酸化部２８における一酸化炭素の選択酸化のために、燃料ガスに空気を導入するブロワ２７も備えている。
【００２５】
燃料電池３０は、単電池３１を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００２６】
冷却系統４０は、冷却水の循環管路４２を備えており、この循環管路４２には、冷却水の不足分を補給する水タンク４４、循環管路４２に冷却水を循環させる循環ポンプ４５、燃料電池３０と熱交換するための熱交換器４６、前述の加湿器５０、冷却水を外気により冷却するラジエータ４８がこの順に接続されている。熱交換器４６には、燃料電池３０をその一部として循環管路を形成する循環管路４７の一部が導入されており、循環管路４２を循環する冷却水と循環管路４７を循環する冷却媒体（例えば、水）とが熱交換するようになっている。したがって、循環管路４２を循環する冷却水は、この熱交換器４６で燃料電池３０の運転温度である約８０℃程度まで加温されて、加湿器５０に流入することになる。
【００２７】
加湿器５０は、温水のタンクとして形成されており、カソード排ガス管６４を介して供給される燃料電池３０のカソード３４からの排ガスとブロワ６８からの空気の混合ガスやメタンを貯蔵するメタンタンク６０からのメタンを加湿すると共に、加湿されたこれらのガスを混和する混和槽として機能する。加湿器５０には、その内部の温水を加熱するための燃焼器５２が併設されており、この燃焼器５２には、燃料電池３０のアノード３３からの排ガスとブロワ５４からの空気が導入されるようになっている。加湿器５０で加湿され混和された原料ガスは、原料ガス供給管７０を介して改質器２２に供給される。この原料ガス供給管７０の加湿器５０出口付近には調圧弁７２が取り付けられており、加湿器５０の内部の圧力が調節できるようになっている。なお、メタンタンク６０からのメタンの供給管には電磁弁６２が取り付けられており、その供給量の調節ができるようになっている。また、カソード排ガス管６４には分岐管が取り付けられており、分岐管に取り付けられた電磁弁６６を開成することにより、カソード３４の排ガスの一部または全部は大気に開放されるようになっている。
【００２８】
電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット８０には、改質器２２の各部の温度などの各種信号や加湿器５０に取り付けられた温度センサ５１からの加湿器５０内部の水温などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、改質器２２の各部への駆動信号やブロワ２９，５４，６８への駆動信号，電磁弁６２，６６を駆動するためのアクチュエータ６３，６７への駆動信号，調圧弁７２を駆動するためのアクチュエータ７３への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２９】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に改質器２２に供給する原料ガスの加湿の動作について説明する。改質器２２に供給される原料ガス中のメタンの単位時間当たりの量（モル数）は、燃料電池３０の規模やアノード３３から排出される排ガス中の水素濃度の設定などにより定められる。こうしたメタンの量に対して原料ガス中の酸素の比率はモル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］で０．４ないし０．６程度に設定される。これは、このモル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］が０．５弱では上述した式（１）ないし式（３）の反応が化学平衡上反応熱の収支が値０となるオートサーマルから発熱を実現し、モル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］が０．５以上では改質部２４は全体として発熱体となることに基づく。実施例では、メタンタンク６０からのメタンの量に対してカソード３４からの排ガスと空気との混合ガス中の酸素の量がモル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］で０．５程度になるよう調節される。なお、カソード３４からの排ガスと空気との割合は原料ガス中における水蒸気の比率をも考慮して設定されている。
【００３０】
原料ガスにおける水蒸気の比率は、温度と圧力とによって定まる。図３にキャリアガスに対する水蒸気の量と温度と圧力との関係を示す。図示するように、温度を一定とすれば圧力が高くなるほど水蒸気量は減少し、圧力を一定とすれば温度が高くなるほど水蒸気量は増加する。いま、加湿器５０の圧力が２気圧で温度が９０℃、カソード３４からの排ガスの酸素と窒素の構成比が１：８（カソード空気利用率を５０％とした場合）、混合ガス中のカソード３４からの排ガス中の酸素と空気中の酸素との混合比が１：１、原料ガス中の酸素のメタンに対するモル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］が０．５の場合を考えれば、図３のグラフから水蒸気のキャリアガスに対するモル比は約５５％であり、キャリアガスはメタンと混合ガスの和となるからメタンの当量当たり４．５モルとなる。したがって、飽和水蒸気圧でキャリアガスが加湿されるとすれば、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₄］は２．４７５となる。
【００３１】
カソード３４からの排ガスと空気との混合ガスについてもう少し説明する。図３のグラフに示すように水蒸気量はキャリアガスが多くなれば多くなるから、改質器２２に供給される原料ガスのメタンと酸素との比率を変更せずに原料ガス量を増やすことができれば、原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を高くすることができる。カソード３４からの排ガスは、燃料電池３０により酸素が消費された後の空気であり、改質器２２の反応（前述の式（１）ないし式（３））に寄与しない気体としての窒素が空気の割合に対して多くなっている。したがって、この排ガスを原料ガスに含ませることにより、原料ガスのメタンと酸素との比率を変更せずに原料ガス量を増やすことができ、この結果、原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を高くすることができる。例えば、上述の例の混合ガスをカソード３４からの排ガスのみにした場合、キャリアガスはメタンの当量当たり５．５モルとなり、飽和水蒸気圧でキャリアガスが加湿されるとすれば、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₄］は３．０２５となる。また、同様な条件で加湿器５０の温度を８０℃とすれば、図３のグラフから水蒸気のキャリアガスに対するモル比は約３０％となり、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₄］は１．６５となる。更に、加湿器５０の圧力を１．５気圧とすれば、水蒸気のキャリアガスに対するモル比は約４５％となり、原料ガスにおける水蒸気のメタンに対するモル比［Ｈ₂Ｏ／ＣＨ₄］は２．４７５となる。このように混合ガス中のカソード３４からの排ガスと空気との混合比を調節することにより、メタンの当量当たりの原料ガス量を調節でき、この結果、原料ガス中の水蒸気のメタンに対する比率を調節できるのである。
【００３２】
説明の容易のため、実施例の燃料電池システム２０を前述した加湿器５０の圧力が２気圧で温度が９０℃、カソード３４からの排ガスの酸素と窒素の構成比が１：８、混合ガス中のカソード３４からの排ガスと空気との混合比が１：１、原料ガス中の酸素のメタンに対するモル比［Ｏ₂／ＣＨ₄］が０．５となるよう運転するものとする。燃料電池３０のカソード３４に酸化ガスとしての空気を供給するブロワ２９の運転と、カソード３４からの排ガスに空気を導入するブロワ６８の運転と、電磁弁６６の開度は、加湿器５０に供給されるメタンタンク６０からのメタンの流量に対して、混合比が１：１のカソード３４からの排ガスと空気との混合ガスの流量がその比で３．５となるよう調節すればよい。
【００３３】
加湿器５０の温水の温度は、図４に例示する温度調節処理ルーチンにより行なわれる。このルーチンは、実施例の燃料電池システム２０の運転が開始されシステムが定常運転された後に所定時間毎（例えば、５秒毎）に繰り返し実行される。本ルーチンが実行されると、電子制御ユニット８０のＣＰＵ８２は、まず温度センサ５１により検出される加湿器５０の温水の温度Ｔを読み込む処理を実行する（ステップＳ１００）。続いて読み込んだ温度Ｔを閾値Ｔｒと比較する（ステップＳ１０２）。ここで、閾値Ｔｒは、加湿器５０の温水の設定温度やこの温度より若干高い温度として設定されるものである。
【００３４】
加湿器５０の温水の温度Ｔが閾値Ｔｒ未満のときには、ブロワ５４から燃焼器５２に供給される空気量Ｑａに所定値Ｑ１を設定し（ステップＳ１０４）、温度Ｔが閾値Ｔｒ以上のときには、ブロワ５４から燃焼器５２に供給される空気量Ｑａに所定値Ｑ１よりΔＱだけ大きな値を設定する（ステップＳ１０６）。ここで、所定値Ｑ１は、燃焼器５２に供給されるアノード３３の排ガスの水素に対して理論空燃比となる空気量の値やこれより若干大きな値として設定されるものであり、燃料電池３０の特性や実施例の燃料電池システム２０の仕様設定などにより定まる。そして、設定した空気量Ｑａが燃焼器５２に供給されるようブロワ５４を駆動して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。この処理で加湿器５０の温水の温度の調節を行なうことができるのは、供給される燃料の量に対する空気量が理論空燃比より大きいときには燃焼ガスの温度が低くなることに基づく。すなわち、加湿器５０の温水の温度Ｔが設定値より高いときには、燃焼器５２に供給する空気量を理論空燃比より多くして燃焼ガスの温度を低くすることにより加湿器５０の温水の温度を下げ、逆に加湿器５０の温水の温度Ｔが設定値より低いときには、燃焼器５２に供給する空気量を理論空燃比に近くして燃焼ガスの温度を高くすることにより加湿器５０の温水の温度を上げるのである。
【００３５】
以上説明したように、実施例の燃料電池システム２０によれば、加湿器５０に供給される混合ガスの流量と構成比率，加湿器５０の圧力，加湿器５０の温水の温度を調節することにより、メタンに対する水蒸気の比率が良好な原料ガスを改質器２２に供給することができる。即ち、実施例の燃料電池システム２０によれば、燃焼器５２によって加湿器５０の温水の温度を調節することにより原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を調節することができ、調圧弁７２によって加湿器５０の圧力を調節することにより原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を調節することができ、カソード３４の排ガスを原料ガスに導入することにより原料ガス中の水蒸気のメタンに対するモル比を調節することができ、この結果、メタンに対する水蒸気の比率が良好な原料ガスを改質器２２に供給することができるのである。
【００３６】
また、実施例の燃料電池システム２０によれば、加湿器５０を燃料電池３０の冷却系統４０の一部として構成したから、全体としての熱効率を向上させることができる。しかも、水系統を複数持たなくてよいから、システムをコンパクトなものにすることができる。
【００３７】
更に、実施例の燃料電池システム２０によれば、燃焼器５２の燃料としてアノード３３の排ガスを用いるから、システム全体としてのエネルギ効率を向上させることができる。
【００３８】
実施例の燃料電池システム２０では、カソード３４からの排ガスおよび空気の混合ガスとメタンタンク６０からのメタンとを加湿器５０で加湿するものとしたが、カソード３４からの排ガスおよび空気の混合ガスを加湿器５０で加湿した後に加湿した混合ガスとメタンと混和するものとしてもよく、逆にメタンタンク６０からのメタンを加湿器５０により加湿した後に加湿されたメタンとカソード３４からの排ガスや空気と混和するものとしてもよい。また、カソード３４からの排ガスおよび空気の混合ガスとメタンタンク６０からのメタンとを混和してから加湿器５０で加湿するものとしてもよい。
【００３９】
実施例の燃料電池システム２０では、カソード３４からの排ガスを加湿して改質器２２に供給する原料ガスに含ませたが、カソード３４からの排ガスを用いないものとしてもよい。
【００４０】
実施例の燃料電池システム２０では、カソード３４からの排ガスと空気とが所定の割合になるようブロワ６８の運転を設定したが、カソード３４からの排ガスと空気との混合ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサや混合ガスの流量計を取り付け、この酸素センサにより検出される値や流量計の値に基づいて単位時間当たりに供給される混合ガス中の酸素量をブロワ６８の運転によりフィードバック制御するものとしてもよい。こうすれば、より確実に原料ガス中の酸素とメタンとの比率を所望のものとすることができる。
【００４１】
実施例の燃料電池システム２０では、加湿器５０の温水を加熱する燃焼器５２を備えるが、カソード３４からの排ガスを用いることにより原料ガスにおけるメタンに対する水蒸気の比率が十分な場合には、燃焼器５２を備えない構成としてもよい。また、実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器５２にアノード３３からの排ガスを供給してこれを燃料としたが、メタンタンク６０からメタンを供給するものとしてもよく、あるいはアノード３３からの排ガスと共にメタンタンク６０からのメタンを供給するものとしてもよい。さらに、実施例の燃料電池システム２０では、燃料を燃焼して熱を得る燃焼器５２を備えるが、燃焼器５２に代えて電力の供給を受けて熱を得る電気ヒータを備えるものとしてもよい。
【００４２】
実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器５２へ供給する空気量の増減で加湿器５０の温水の温度を制御するものとしたが、冷却系統４０の循環管路４２を循環する冷却水の流量を増減することにより加湿器５０の温水の温度を制御するものとしてもよい。具体的には、温度センサ５１により検出される温度が設定した温度となるよう循環ポンプ４５の回転数をフィードバック制御すればよい。
【００４３】
実施例の燃料電池システム２０では、加湿器５０の内部の圧力が所定圧力で一定になるよう原料ガス供給管７０に調圧弁７２を取り付けたが、更に加湿器５０の内部の圧力を検出する圧力センサを取り付け、この圧力センサにより検出される値に基づいて調圧弁７２の開度をフィードバック制御するものとしてもよい。こうすれば、より確実に加湿器５０の内部の圧力を一定に保つことができる。さらに、加湿器５０の内部の目標圧力を設定できるものとすれば、加湿器５０の内部の圧力を所望の圧力にすることができる。こうすれば、炭化水素系の燃料としてメタン以外のものを燃料として用いた際に、その燃料に対して最適な圧力設定をすることができる。
【００４４】
実施例の燃料電池システム２０では、加湿器５０を燃料電池３０の冷却系統４０の一部に取り込んだ構成としたが、燃料電池３０の冷却系統とは別に加湿器５０を構成するものとしてもよい。
【００４５】
実施例の燃料電池システム２０では、炭化水素系の燃料としてメタンを用いたが、他の飽和炭化水素や不飽和炭化水素を用いてもよく、メタノール等のアルコールやエーテルなど種々の炭化水素系の燃料を用いるものとしてもよい。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】燃料電池３０を構成する単電池３１の概略の構成を示す構成図である。
【図３】キャリアガスに対する水蒸気量と温度と圧力との関係の一例を示すグラフである。
【図４】電子制御ユニット８０により実行される温度調節処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０燃料電池システム、２２改質器、２４改質部、２６シフト部、２７ブロワ、２８ＣＯ選択酸化部、３０燃料電池、３１単電池、３２電解質膜、３３アノード、３４カソード、３５セパレータ、３６，３７流路、４０冷却系統、４２循環管路、４４水タンク、４５循環ポンプ、４６熱交換器、４７循環管路、４８ラジエータ、５０加湿器、５１温度センサ、５２燃焼器、５４ブロワ、６０メタンタンク、６２，６６電磁弁、６３，６７アクチュエータ、６４カソード排ガス管、６８ブロワ、７０原料ガス供給管、７２調圧弁、７３アクチュエータ、８０電子制御ユニット、８２ＣＰＵ、８４ＲＯＭ、８６ＲＡＭ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more specifically, a reformer that generates a fuel gas containing hydrogen by supplying a raw material gas containing a hydrocarbon-based fuel, water vapor, and oxygen, and an oxygen-containing oxidation The present invention relates to a fuel cell system including a gas and a fuel cell that generates electric power by receiving supply of the fuel gas.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of fuel cell system, one that supplies a reformer with a raw material gas containing air humidified by contact with warmed water and a hydrocarbon-based fuel has been proposed (for example, JP, 10-330101, A, etc.). In this system, a mixed gas of hydrocarbon fuel, steam and air is supplied to the reformer, and partial oxidation reaction of hydrocarbon fuel with oxygen in the air and steam reforming of hydrocarbon fuel are performed. Reaction is performed to generate a hydrogen rich gas, and the hydrogen rich gas and air are supplied to the fuel cell to obtain electric power. The water vapor in the mixed gas supplied to the reformer is supplied by bringing the air into contact with the hot water used for cooling the fuel cell and humidifying it. The reason why the hot water used for cooling the fuel cell is used is to increase the partial pressure of water vapor contained in the air and supply more water vapor to the mixed gas. This publication also describes a method in which a mixed gas of air and a hydrocarbon-based fuel is humidified by being brought into contact with hot water used for cooling the fuel cell. When methane is used as the hydrocarbon-based fuel, the partial oxidation reaction of methane is represented by the following formula (1), and the steam reforming reaction of methane is represented by the following formula (2). Note that the carbon monoxide produced by the formulas (1) and (2) further generates hydrogen by steam and the shift reaction shown in the following formula (3).
[0003]
CH _Four + (1/2) O ₂ → 2H ₂ + CO + 35.7kJ (1)
CH _Four + H ₂ O → 3H ₂ + CO-206.2kJ (2)
CO + H ₂ O → H ₂ + CO ₂ + 41.2kJ (3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional fuel cell system has a problem that the gas supplied to the reformer cannot contain sufficient water vapor. For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the warm water used for cooling the fuel cell has a fuel cell operating temperature of about 80 ° C., so that the humidified air is only humidified to a saturated water vapor pressure at 80 ° C. I can't. At the saturated water vapor pressure at 80 ° C., assuming that methane is used as the hydrocarbon-based fuel, the molar ratio of water vapor to methane (number of moles of water vapor / number of moles of methane) is about 1.5. As can be seen from the above formulas (2) and (3), the water vapor needs 2 moles per mole of methane. In order to increase the conversion rate (reaction rate) of methane, the water vapor is 1 mole. Although 2 mol or more is required with respect to methane, it becomes about 1.5 at 80 ° C., and the conversion rate of methane is lowered. In addition, such a shortage of water vapor causes problems such as precipitation of carbon inside the reformer, an increase in the reaction temperature in the reformer, and an increase in the concentration of carbon monoxide in the resulting hydrogen-rich gas. Let
[0005]
One object of the fuel cell system of the present invention is to increase the mixing ratio of water vapor contained in the raw material gas supplied to the reformer. Another object of the fuel cell system of the present invention is to supply the reformer with water vapor corresponding to the hydrocarbon fuel.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
The fuel cell system of the present invention employs the following means in order to achieve at least a part of the above object.
[0007]
A first fuel cell system of the present invention includes a reformer that generates a fuel gas containing hydrogen by receiving a feed gas containing a hydrocarbon fuel, water vapor, and oxygen, and an oxidizing gas containing oxygen And a fuel cell system that generates power upon receiving the supply of the fuel gas, the water heating means for heating the water using heat generated by the fuel cell during power generation, and the heating Water vapor supply means for supplying water vapor to the raw material gas by contacting and humidifying at least a part of the gas constituting the raw material gas with heated water, and heating means capable of heating water in the water vapor supply means; With The gas is a gas containing the hydrocarbon fuel, a gas containing an oxygen-containing gas containing oxygen, or a gas containing the hydrocarbon fuel and an oxygen-containing gas containing oxygen, and the oxygen The contained gas is a gas containing exhaust gas of the oxidizing gas and air discharged from the fuel cell, and a ratio adjusting means for adjusting a ratio of the exhaust gas of the oxidizing gas and air contained in the oxygen-containing gas Further The gist is to provide.
[0008]
In the first fuel cell system of the present invention, since the heating means heats the water of the water vapor supply means, it is possible to increase the partial pressure of the water vapor in the humidified gas in contact with the water. As a result, the mixing ratio of water vapor contained in the source gas can be increased.
[0010]
In the first fuel cell system of the present invention, According to , Included in the oxygen-containing gas Since the exhaust gas of the oxidizing gas has a high ratio of nitrogen to oxygen, it is possible to include a large amount of water vapor in the raw material gas by increasing the volume of the humidified gas. That is, the exhaust gas does not contribute to the reaction in the reformer, but contains a large amount of nitrogen that functions as a gas that carries water vapor, so that the raw material gas does not change the ratio of oxygen and hydrocarbon fuel by changing the ratio of oxygen to hydrocarbon fuel. By increasing the volume of the gas, the water vapor contained in the source gas can be increased.
[0011]
Also, According to the first fuel cell system of the present invention, Providing a ratio adjusting means for adjusting a ratio of exhaust gas and air of the oxidizing gas contained in the oxygen-containing gas. With that The ratio of oxygen and nitrogen in the oxygen-containing gas can be adjusted. As a result, the ratio of water vapor contained in the source gas can also be adjusted.
[0012]
Book In the first fuel cell system of the invention, the heating means is means for heating the water of the water vapor supply means by burning the exhaust gas of the fuel gas discharged from the fuel cell as at least part of the fuel. It can also be. If it carries out like this, the utilization efficiency of fuel gas can be improved.
[0013]
In the first fuel cell system of the present invention, a temperature detection means for detecting the temperature of the water in the water vapor supply means, and a heating control means for controlling heating by the heating means based on the detected temperature. It can also be provided. By so doing, the amount of water vapor contained in the humidified gas can be controlled by controlling the temperature of the water in the water vapor supply means.
[0014]
In the first fuel cell system of the present invention, the fuel gas exhaust gas is supplied to the heating means and the heating control means is provided. The first fuel cell system of the present invention further includes an air supply means capable of supplying air to the heating means, It may be a means for controlling the air supply means so as to adjust the amount of air supplied to the heating means based on the temperature detected by the temperature detection means. In this way, the temperature of the combustion gas can be adjusted by adjusting the amount of air supplied to the heating means. As a result, the water temperature of the water vapor supply means can be adjusted, and the amount of water vapor contained in the humidified gas can be adjusted.
[0015]
The second fuel cell system of the present invention comprises:
A reformer that generates a fuel gas containing hydrogen by receiving a feed gas containing hydrocarbon fuel, water vapor, and oxygen, and a power generator that receives supply of an oxidizing gas containing oxygen and the fuel gas A fuel cell system comprising:
Water heating means for heating the water using heat generated by the fuel cell as a result of power generation;
A gas containing a non-reactive gas-containing gas containing a non-reactive gas that does not contribute to the reaction in the reformer at a ratio higher than the ratio of nitrogen to oxygen in the air is brought into contact with the water heated by the water heating means. Water vapor supply means for supplying water vapor to the gas by humidification;
A mixing means for mixing the gas containing the non-reacting gas-containing gas and the fuel into the raw material gas;
It is a summary to provide.
[0016]
In the second fuel cell system of the present invention, a gas containing a non-reactive gas-containing gas that contains a non-reactive gas that does not contribute to the reaction in the reformer at a higher ratio than the ratio of nitrogen to oxygen in the air is humidified. Gas and hydrocarbon fuel are mixed to make a raw material gas. According to the second fuel cell system of the present invention, the ratio of water vapor to hydrocarbon fuel can be increased by increasing the ratio of non-reactive gas in the raw material gas.
[0017]
In such a second fuel cell system of the present invention, the water vapor supply means can also serve as the mixing means. By doing so, the hydrocarbon fuel also functions as a carrier for carrying water vapor, so that the ratio of water vapor in the raw material gas can be further increased.
[0018]
In the second fuel cell system of the present invention, the non-reactive gas-containing gas may be exhaust gas of the oxidizing gas discharged from the fuel cell. Since the oxygen gas is consumed in the exhaust gas of the oxidizing gas, the ratio of nitrogen as a non-reactive gas that does not contribute to the reaction in the reformer is high. In this way, it is not necessary to store the non-reactive gas-containing gas.
[0019]
Alternatively, in the second fuel cell system of the present invention, the non-reactive gas-containing gas may be a mixed gas of exhaust gas of the oxidizing gas and air discharged from the fuel cell. The second fuel cell system of the present invention of this aspect may further include a mixing ratio adjusting means for adjusting a mixing ratio of the exhaust gas of the oxidizing gas and air in the mixed gas. In this way, the ratio of oxygen and nitrogen in the source gas can be adjusted, and as a result, the ratio of water vapor in the source gas can be adjusted.
[0020]
Moreover, the 2nd fuel cell system of this invention can also be equipped with the water heating means which heats the water of the said water vapor | steam supply means. If it carries out like this, the saturated water vapor pressure of the gas humidified can be made high, and as a result, the ratio of the water vapor in source gas can be made high.
[0021]
In the first or second fuel cell system of the present invention including each of these aspects, pressure adjusting means for adjusting the pressure of the gas in contact with water of the water vapor supply means may be provided. In this way, the amount of water vapor can be adjusted by adjusting the pressure of the humidified gas.
[0022]
In the first or second fuel cell system of the present invention, the water vapor supply means may be a means constituting a part of a cooling system for cooling the fuel cell. In this way, it is not necessary to have a plurality of water systems, and the system can be made compact. In the first or second fuel cell system of the present invention of this aspect, the cooling system may be a means for exchanging heat with the fuel cell in a stage preceding the water vapor supply means. Further, in the first or second fuel cell system of the present invention of the same aspect, the cooling system may include a cooling unit that cools water at a subsequent stage of the water vapor supply unit.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 20 according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, a fuel cell system 20 of an embodiment includes a reformer 22 that reforms methane as a hydrocarbon-based fuel into a hydrogen-rich fuel gas by steam reforming, and an oxidation containing fuel gas and oxygen. A fuel cell 30 that generates power upon receiving supply of air as gas, a cooling system 40 that cools the fuel cell 30, and a gas containing methane and oxygen that is incorporated in the cooling system 40 and supplied to the reformer 22 A humidifier 50 and an electronic control unit 80 for controlling the entire fuel cell system 20.
[0024]
The reformer 22 includes a reforming unit 24 that mainly performs the partial oxidation reaction of the above-described formula (1) and the steam reforming reaction of the formula (2) with respect to the raw material gas containing methane, oxygen, and steam. A shift unit 26 that converts carbon monoxide produced by the mass unit 24 into hydrogen and carbon dioxide by a shift reaction of formula (3), and CO selection that selectively oxidizes carbon monoxide contained in the fuel gas thus obtained. And an oxidation unit 28. The reformer 22 also includes a blower 27 that introduces air into the fuel gas for the selective oxidation of carbon monoxide in the CO selective oxidation unit 28.
[0025]
The fuel cell 30 is a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of single cells 31. FIG. 2 shows a schematic configuration of the unit cell 31 constituting the fuel cell 30. As shown in the figure, an electric cell 31 includes an electrolyte membrane 32, which is a proton conductive membrane formed of a polymer material such as a fluorine resin, and a catalyst of platinum or an alloy made of platinum and other metals. An anode 33 and a cathode 34 as gas diffusion electrodes, sandwiching the electrolyte membrane 32 on the surface formed by the carbon cloth formed and sandwiching the electrolyte membrane 32 to constitute a sandwich structure, and the anode 33 and The cathode 34 forms flow paths 36 and 37 for fuel gas and oxidizing gas, and is composed of two separators 35 that form a partition wall between adjacent unit cells 31.
[0026]
The cooling system 40 includes a cooling water circulation line 42, and a water tank 44 for replenishing the shortage of cooling water and a circulation pump 45 for circulating the cooling water through the circulation line 42. A heat exchanger 46 for exchanging heat with the fuel cell 30, a humidifier 50 described above, and a radiator 48 for cooling the cooling water with outside air are connected in this order. In the heat exchanger 46, a part of a circulation pipe 47 that forms a circulation pipe with the fuel cell 30 as a part thereof is introduced, and the cooling water circulating in the circulation pipe 42 and the circulation pipe 47 are circulated. The cooling medium (for example, water) that exchanges heat. Therefore, the cooling water circulating through the circulation line 42 is Heat exchanger 46 Thus, the fuel cell 30 is heated to about 80 ° C., which is the operating temperature of the fuel cell 30, and flows into the humidifier 50.
[0027]
The humidifier 50 is formed as a hot water tank, and stores a mixed gas of methane and exhaust gas from the cathode 34 of the fuel cell 30 supplied through the cathode exhaust gas pipe 64 and air from the blower 68 and methane. It functions as a mixing tank that humidifies the methane from and mixes these humidified gases. The humidifier 50 is provided with a combustor 52 for heating the hot water therein, and the exhaust gas from the anode 33 of the fuel cell 30 and the air from the blower 54 are introduced into the combustor 52. It is like that. The raw material gas humidified and mixed by the humidifier 50 is supplied to the reformer 22 through the raw material gas supply pipe 70. A pressure regulating valve 72 is attached in the vicinity of the humidifier 50 outlet of the source gas supply pipe 70 so that the pressure inside the humidifier 50 can be adjusted. An electromagnetic valve 62 is attached to the methane supply pipe from the methane tank 60 so that the supply amount can be adjusted. Further, a branch pipe is attached to the cathode exhaust gas pipe 64, and by opening the electromagnetic valve 66 attached to the branch pipe, a part or all of the exhaust gas of the cathode 34 is opened to the atmosphere. Yes.
[0028]
The electronic control unit 80 is configured as a one-chip microprocessor mainly composed of a CPU 82, and includes a ROM 84 that stores a processing program, a RAM 86 that temporarily stores data, and an input / output port (not shown). Is provided. Various signals such as the temperature of each part of the reformer 22 and the water temperature inside the humidifier 50 from the temperature sensor 51 attached to the humidifier 50 are input to the electronic control unit 80 via the input port. . Further, from the electronic control unit 80, drive signals to the respective parts of the reformer 22, drive signals to the blowers 29, 54, 68, drive signals to the actuators 63, 67 for driving the electromagnetic valves 62, 66, A drive signal to the actuator 73 for driving the pressure regulating valve 72 is output through the output port.
[0029]
Next, the operation of the fuel cell system 20 of the embodiment thus configured, particularly the operation of humidifying the raw material gas supplied to the reformer 22 will be described. The amount (number of moles) of methane in the raw material gas supplied to the reformer 22 per unit time is determined by the scale of the fuel cell 30 and the setting of the hydrogen concentration in the exhaust gas discharged from the anode 33. The ratio of oxygen in the source gas to the amount of methane is the molar ratio [O ₂ / CH _Four ] Is set to about 0.4 to 0.6. This is the molar ratio [O ₂ / CH _Four ] Of less than 0.5, the reactions of the above-described formulas (1) to (3) realize heat generation from autothermal where the balance of reaction heat is 0 on chemical equilibrium, and the molar ratio [O ₂ / CH _Four ] Is 0.5 or more, it is based on the fact that the reforming part 24 becomes a heating element as a whole. In the embodiment, the amount of oxygen in the mixed gas of exhaust gas and air from the cathode 34 with respect to the amount of methane from the methane tank 60 is the molar ratio [O ₂ / CH _Four ] To adjust to about 0.5. The ratio of the exhaust gas from the cathode 34 to the air is set in consideration of the ratio of water vapor in the raw material gas.
[0030]
The ratio of water vapor in the raw material gas is determined by temperature and pressure. FIG. 3 shows the relationship between the amount of water vapor relative to the carrier gas, temperature and pressure. As shown in the figure, when the temperature is constant, the amount of water vapor decreases as the pressure increases, and when the pressure is constant, the amount of water vapor increases as the temperature increases. Now, the pressure of the humidifier 50 is 2 atm, the temperature is 90 ° C., the composition ratio of oxygen and nitrogen in the exhaust gas from the cathode 34 is 1: 8 (when the cathode air utilization rate is 50%), and the cathode in the mixed gas. 34, the mixing ratio of oxygen in the exhaust gas to oxygen in the air is 1: 1, and the molar ratio of oxygen in the source gas to methane [O ₂ / CH _Four ) Is 0.5, the molar ratio of water vapor to the carrier gas is about 55% from the graph of FIG. 3, and the carrier gas is the sum of methane and mixed gas, so 4.5 moles per equivalent of methane. It becomes. Therefore, if the carrier gas is humidified at the saturated water vapor pressure, the molar ratio of water vapor to methane in the source gas [H ₂ O / CH _Four ] Is 2.475.
[0031]
The mixed gas of the exhaust gas from the cathode 34 and air will be described a little more. As the amount of water vapor increases as the amount of carrier gas increases as shown in the graph of FIG. 3, the amount of raw material gas can be increased without changing the ratio of methane and oxygen of the raw material gas supplied to the reformer 22. If possible, the molar ratio of water vapor to methane in the raw material gas can be increased. The exhaust gas from the cathode 34 is air after oxygen is consumed by the fuel cell 30, and the reaction of the reformer 22 (the above formulas (1) to (3)). ) Nitrogen as a gas that does not contribute to the amount of air increases with respect to the ratio of air. Therefore, by including this exhaust gas in the raw material gas, the amount of raw material gas can be increased without changing the ratio of methane and oxygen in the raw material gas. As a result, the molar ratio of water vapor to methane in the raw material gas can be increased. Can be high. For example, when only the exhaust gas from the cathode 34 is used as the mixed gas in the above example, the carrier gas is 5.5 moles per equivalent of methane, and if the carrier gas is humidified with a saturated water vapor pressure, the water vapor in the source gas Molar ratio of methane to [H ₂ O / CH _Four ] Is 3.025. Further, if the temperature of the humidifier 50 is 80 ° C. under the same conditions, the molar ratio of water vapor to the carrier gas is about 30% from the graph of FIG. ₂ O / CH _Four ] Is 1.65. Furthermore, if the pressure of the humidifier 50 is 1.5 atm, the molar ratio of water vapor to the carrier gas is about 45%, and the molar ratio of water vapor to methane in the raw material gas [H ₂ O / CH _Four ] Is 2.475. Thus, by adjusting the mixing ratio between the exhaust gas from the cathode 34 and the air in the mixed gas, the amount of raw material gas per equivalent of methane can be adjusted, and as a result, the ratio of water vapor to methane in the raw material gas is adjusted. It can be done.
[0032]
For ease of explanation, the pressure of the humidifier 50 described above in the fuel cell system 20 of the embodiment is 2 atm, the temperature is 90 ° C., the composition ratio of oxygen and nitrogen of the exhaust gas from the cathode 34 is 1: 8, and in the mixed gas The mixing ratio of exhaust gas from the cathode 34 to air is 1: 1, and the molar ratio of oxygen in the source gas to methane [O ₂ / CH _Four ] Is assumed to be 0.5. The operation of the blower 29 that supplies air as an oxidizing gas to the cathode 34 of the fuel cell 30, the operation of the blower 68 that introduces air into the exhaust gas from the cathode 34, and the opening degree of the electromagnetic valve 66 are supplied to the humidifier 50. The flow rate of the mixed gas of the exhaust gas and the air from the cathode 34 having a mixing ratio of 1: 1 may be adjusted to be 3.5 with respect to the flow rate of methane from the methane tank 60.
[0033]
The temperature of the hot water in the humidifier 50 is performed by a temperature adjustment processing routine illustrated in FIG. This routine is repeatedly executed every predetermined time (for example, every 5 seconds) after the operation of the fuel cell system 20 of the embodiment is started and the system is steadily operated. When this routine is executed, the CPU 82 of the electronic control unit 80 first executes a process of reading the temperature T of the hot water in the humidifier 50 detected by the temperature sensor 51 (step S100). Subsequently, the read temperature T is compared with a threshold value Tr (step S102). Here, the threshold value Tr is set as a set temperature of the hot water of the humidifier 50 or a temperature slightly higher than this temperature.
[0034]
When the temperature T of the hot water in the humidifier 50 is lower than the threshold value Tr, a predetermined value Q1 is set to the air amount Qa supplied from the blower 54 to the combustor 52 (step S104). When the temperature T is equal to or higher than the threshold value Tr, A value larger than the predetermined value Q1 by ΔQ is set to the air amount Qa supplied from 54 to the combustor 52 (step S106). Here, the predetermined value Q1 is set as a value of the air amount that becomes the stoichiometric air-fuel ratio with respect to the hydrogen of the exhaust gas of the anode 33 supplied to the combustor 52, or a value slightly larger than this. And the specification setting of the fuel cell system 20 of the embodiment. Then, the blower 54 is driven so that the set air amount Qa is supplied to the combustor 52 (step S108), and this routine is finished. The reason why the temperature of the hot water in the humidifier 50 can be adjusted by this process is that the temperature of the combustion gas is lowered when the amount of air relative to the amount of fuel supplied is larger than the stoichiometric air-fuel ratio. That is, when the temperature T of the warm water in the humidifier 50 is higher than the set value, the temperature of the warm water in the humidifier 50 is decreased by increasing the amount of air supplied to the combustor 52 above the theoretical air-fuel ratio and lowering the temperature of the combustion gas. Conversely, when the temperature T of the hot water in the humidifier 50 is lower than the set value, the amount of air supplied to the combustor 52 is made close to the stoichiometric air-fuel ratio to increase the temperature of the combustion gas, thereby increasing the temperature of the hot water in the humidifier 50. Raise the temperature.
[0035]
As described above, according to the fuel cell system 20 of the embodiment, by adjusting the flow rate and the composition ratio of the mixed gas supplied to the humidifier 50, the pressure of the humidifier 50, and the temperature of the hot water in the humidifier 50. A raw material gas having a good ratio of water vapor to methane can be supplied to the reformer 22. That is, according to the fuel cell system 20 of the embodiment, the molar ratio of water vapor to methane in the raw material gas can be adjusted by adjusting the temperature of the hot water in the humidifier 50 by the combustor 52. By adjusting the pressure of the humidifier 50, the molar ratio of water vapor to methane in the raw material gas can be adjusted, and by introducing the exhaust gas of the cathode 34 into the raw material gas, the molar ratio of water vapor in the raw material gas to methane can be adjusted. As a result, a raw material gas having a good ratio of water vapor to methane can be supplied to the reformer 22.
[0036]
Further, according to the fuel cell system 20 of the embodiment, since the humidifier 50 is configured as a part of the cooling system 40 of the fuel cell 30, the overall thermal efficiency can be improved. Moreover, since it is not necessary to have a plurality of water systems, the system can be made compact.
[0037]
Furthermore, according to the fuel cell system 20 of the embodiment, since the exhaust gas of the anode 33 is used as the fuel of the combustor 52, the energy efficiency of the entire system can be improved.
[0038]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the mixed gas of exhaust gas and air from the cathode 34 and methane from the methane tank 60 are humidified by the humidifier 50, but the mixed gas of exhaust gas and air from the cathode 34 is used. It is good also as what mixes with the mixed gas and methane humidified after humidifying with the humidifier 50, conversely, the methane humidified after humidifying the methane from the methane tank 60 with the humidifier 50 and the exhaust gas and air from the cathode 34 It may be mixed. Further, the exhaust gas from the cathode 34 and the mixed gas of air and methane from the methane tank 60 may be mixed and then humidified by the humidifier 50.
[0039]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the exhaust gas from the cathode 34 is humidified and included in the raw material gas supplied to the reformer 22, but the exhaust gas from the cathode 34 may not be used.
[0040]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the operation of the blower 68 is set so that the exhaust gas from the cathode 34 and the air have a predetermined ratio, but the oxygen concentration contained in the mixed gas of the exhaust gas and the air from the cathode 34 is set. An oxygen sensor and a flow meter for mixed gas are installed, and the amount of oxygen in the mixed gas supplied per unit time is fed back by the operation of the blower 68 based on the value detected by the oxygen sensor and the value of the flow meter. It may be controlled. In this way, the desired ratio of oxygen and methane in the raw material gas can be achieved more reliably.
[0041]
The fuel cell system 20 of the embodiment includes the combustor 52 that heats the hot water of the humidifier 50. However, when the ratio of water vapor to methane in the raw material gas is sufficient by using the exhaust gas from the cathode 34, the combustor 52 may be provided. In the fuel cell system 20 of the embodiment, the exhaust gas from the anode 33 is supplied to the combustor 52 and used as fuel. However, the methane may be supplied from the methane tank 60 or the exhaust gas from the anode 33. At the same time, methane from the methane tank 60 may be supplied. Furthermore, although the fuel cell system 20 according to the embodiment includes the combustor 52 that combusts the fuel and obtains heat, the fuel cell system 20 may include an electric heater that obtains heat by receiving power supply instead of the combustor 52.
[0042]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the temperature of the hot water in the humidifier 50 is controlled by increasing or decreasing the amount of air supplied to the combustor 52, but the flow rate of the cooling water that circulates in the circulation line 42 of the cooling system 40. It is good also as what controls the temperature of the warm water of the humidifier 50 by increasing / decreasing this. Specifically, the rotational speed of the circulation pump 45 may be feedback controlled so that the temperature detected by the temperature sensor 51 becomes the set temperature.
[0043]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the pressure regulating valve 72 is attached to the raw material gas supply pipe 70 so that the pressure inside the humidifier 50 becomes constant at a predetermined pressure, but the pressure for detecting the pressure inside the humidifier 50 is further detected. It is good also as what attaches a sensor and feedback-controls the opening degree of the pressure regulation valve 72 based on the value detected by this pressure sensor. In this way, the pressure inside the humidifier 50 can be kept constant more reliably. Furthermore, if the target pressure inside the humidifier 50 can be set, the pressure inside the humidifier 50 can be set to a desired pressure. In this way, when a hydrocarbon-based fuel other than methane is used as the fuel, the optimum pressure can be set for the fuel.
[0044]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the humidifier 50 is incorporated into a part of the cooling system 40 of the fuel cell 30. However, the humidifier 50 may be configured separately from the cooling system of the fuel cell 30. .
[0045]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, methane is used as the hydrocarbon fuel, but other saturated hydrocarbons and unsaturated hydrocarbons may be used, and various hydrocarbon-based alcohols such as methanol and ethers and ethers. Fuel may be used.
[0046]
The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course you get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 20 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a unit cell 31 constituting a fuel cell 30. FIG.
FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the amount of water vapor relative to a carrier gas, temperature and pressure.
4 is a flowchart showing an example of a temperature adjustment processing routine executed by the electronic control unit 80. FIG.
[Explanation of symbols]
20 fuel cell system, 22 reformer, 24 reformer, 26 shift unit, 27 blower, 28 CO selective oxidation unit, 30 fuel cell, 31 single cell, 32 electrolyte membrane, 33 anode, 34 cathode, 35 separator, 36 , 37 Flow path, 40 Cooling system, 42 Circulation line, 44 Water tank, 45 Circulation pump, 46 Heat exchanger, 47 Circulation line, 48 Radiator, 50 Humidifier, 51 Temperature sensor, 52 Combustor, 54 Blower, 60 Methane tank, 62, 66 Solenoid valve, 63, 67 Actuator, 64 Cathode exhaust gas pipe, 68 Blower, 70 Raw material gas supply pipe, 72 Pressure regulating valve, 73 Actuator, 80 Electronic control unit, 82 CPU, 84 ROM, 86 RAM

Claims

A reformer that generates a fuel gas containing hydrogen by receiving a feed gas containing hydrocarbon fuel, water vapor, and oxygen, and a power generator that receives supply of an oxidizing gas containing oxygen and the fuel gas A fuel cell system comprising:
Water heating means for heating the water using heat generated by the fuel cell as a result of power generation;
Water vapor supply means for supplying water vapor to the raw material gas by bringing the heated water into contact with and humidifying at least part of the gas constituting the raw material gas;
Heating means capable of heating water of the water vapor supply means,
The gas is a gas containing the hydrocarbon fuel, a gas containing an oxygen-containing gas containing oxygen, or a gas containing the hydrocarbon fuel and an oxygen-containing gas containing oxygen,
The oxygen-containing gas is a gas containing exhaust gas and air of the oxidizing gas discharged from the fuel cell,
Further comprising a ratio adjusting means for adjusting the ratio of the exhaust gas and the air of the oxidizing gas contained in the oxygen-containing gas,
Fuel cell system.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the heating means is means for heating water of the water vapor supply means by burning the exhaust gas of the fuel gas discharged from the fuel cell as at least part of the fuel.

The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
Temperature detection means for detecting the temperature of water in the water vapor supply means;
A fuel cell system comprising: heating control means for controlling heating by the heating means based on the detected temperature.

The fuel cell system 請 Motomeko 3 wherein,
The heating means is means for heating water of the water vapor supply means by burning the exhaust gas of the fuel gas discharged from the fuel cell as at least part of the fuel,
An air supply means capable of supplying air to the heating means;
The heating control means is means for controlling the air supply means to adjust the amount of air supplied to the heating means based on the temperature detected by the temperature detection means. Fuel cell system.

A reformer that generates a fuel gas containing hydrogen by receiving a feed gas containing hydrocarbon fuel, water vapor, and oxygen, and a power generator that receives supply of an oxidizing gas containing oxygen and the fuel gas A fuel cell system comprising:
Water heating means for heating the water using heat generated by the fuel cell as a result of power generation;
A gas containing a non-reactive gas-containing gas containing a non-reactive gas that does not contribute to the reaction in the reformer at a ratio higher than the ratio of nitrogen to oxygen in the air is brought into contact with the water heated by the water heating means. Water vapor supply means for supplying water vapor to the gas by humidification;
A fuel cell system comprising: a mixing means that mixes the gas containing the non-reacting gas-containing gas and the fuel into the raw material gas.

6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the water vapor supply means is a means that also serves as the mixing means.

The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein the non-reactive gas-containing gas is an exhaust gas of the oxidizing gas discharged from the fuel cell.

The fuel cell system according to claim 5 or 6, wherein the non-reactive gas-containing gas is a mixed gas of exhaust gas of the oxidizing gas and air discharged from the fuel cell.

The fuel cell system according to claim 8, further comprising a mixing ratio adjusting unit that adjusts a mixing ratio of the exhaust gas of the oxidizing gas and air in the mixed gas.

The fuel cell system according to any one of claims 5 to 9, further comprising water heating means for heating water of the water vapor supply means.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 10, further comprising pressure adjusting means for adjusting a pressure of the gas in contact with water of the water vapor supply means.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 11, wherein the water vapor supply means is part of a cooling system for cooling the fuel cell.

13. The fuel cell system according to claim 12, wherein the cooling system is a means for exchanging heat with the fuel cell before the water vapor supply means.

14. The fuel cell system according to claim 12, wherein the cooling system includes a cooling unit that cools water at a subsequent stage of the water vapor supply unit.