JP4834698B2 - 燃料改質装置および燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料改質装置および燃料電池システムに関し、より詳細には、熱を発生させて水蒸気改質反応を促進させる熱源部に逆火現象が発生しないように改善された燃料改質装置に関する。

燃料電池は炭化水素系の燃料を用いて、電気エネルギーを発生させる発電システムで構成される。

このような燃料電池は概して高分子電解質型燃料電池と、直接酸化型燃料電池に区分される。直接酸化型燃料電池は、一般に直接メタノール形燃料電池とも称する。

この中で高分子電解質型燃料電池は、出力特性が卓越し、作動温度が低く、速い始動特性および応答特性を有する。そのため、高分子電解質型燃料電池は、自動車のような移動体用の電源、住宅または公共建物などの分散用電源、および電子機器用などの小型電源として幅広く使用されている。

このような高分子電解質型燃料電池方式を採用した燃料電池システムは、燃料電池本体、燃料改質装置、燃料供給部、および酸化剤供給部を備える。つまり、燃料供給部は、燃料タンクおよび燃料ポンプを備えて、燃料改質装置に燃料を供給する。燃料改質装置は、燃料を改質して水素ガスを発生させ、発生した水素ガスを燃料電池本体に供給する。そうすれば、燃料電池本体は、燃料改質装置から供給された水素ガスと酸化剤ガスを電気化学反応させて、電気エネルギーを生成する。

このような燃料電池システムの中で、燃料改質装置は熱エネルギーを発生させる熱源部と、この熱エネルギーを用いて燃料を改質反応させる改質反応部とを含む。特に、熱源部は、熱エネルギーを発生させる構造によってバーナー方式と触媒酸化方式とに区分される。バーナー方式は、改質反応部に直接的に熱が加えられないように一定の燃焼空間が必要であるので、熱源部を小型化しにくい短所がある。触媒酸化方式は、バーナー方式と異なって比較的低い温度であるため、熱源部を小型に製作可能である。しかし、触媒酸化方式は、触媒層で逆火現象が簡単に発生し、熱源部の入口ノズル付近で火炎が発生する短所がある。これによって、従来技術による燃料改質装置は、触媒酸化方式を採択した場合に寿命が短くなるという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、熱源部から排出される排ガスを再び熱源部に循環注入するように構成することによって、熱源部で発生する逆火現象を防止できる、新規かつ改良された燃料改質装置および燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、燃料を改質反応させる改質反応部と、改質反応部に熱エネルギーを提供し、内部に位置する触媒層と酸化反応物質との間の触媒酸化反応によって熱エネルギーを発生させる熱源部と、を含み、熱源部は、酸化反応物質が流入する流入管と、触媒酸化反応によって生成される排ガスを排出する排出管と、排出管と流入管を連結して排ガスを流入管に流入させる排ガス回収管と、を含むことを特徴とする、燃料改質装置が提供される。

上記燃料改質装置は、熱源部に備えられ、排ガスを流入管に流動させる排ガス引出し手段を更に含んでいてもよい。

排ガス引出し手段はポンプであってもよい。そして、ポンプは排ガス回収管に設けられていてもよい。

排ガス引出し手段は、排ガス回収管が連結される地点の流入管に設けられるオリフィス機構であってもよい。

排ガス引出し手段は、排ガスの流れを選択的に切り換えるバルブであってもよい。

バルブは、排出管と排ガス回収管が連結される地点に設けられていてもよい。また。バルブは、流入管と排ガス回収管が連結される地点に更に設けられていてもよい。

バルブは、排ガスに含まれている窒素と水分の濃度が設定された値以上である条件で、排ガスが排ガス回収管に流入するように設定されていてもよい。

酸化反応物質は、燃料及び空気であってもよい。また、酸化反応物質は、燃料及び空気であり、流入管は、燃料が流入する燃料流入管と、空気が流入する空気流入管と、を含み、排ガス回収管は、空気流入管に連結されていてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、燃料供給部と、燃料供給部から供給される燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを発生させる燃料改質装置と、改質ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて、電気エネルギーを生成する燃料電池本体と、を含み、燃料改質装置は、燃料を改質反応させる改質反応部と、改質反応部に熱エネルギーを提供し、内部に位置する触媒層と酸化反応物質との間の触媒酸化反応によって熱エネルギーを発生させる熱源部と、を含み、熱源部は、酸化反応物質が流入する流入管と、触媒酸化反応によって生成される排ガスを排出する排出管と、排出管と流入管を連結して排ガスを流入管に流入させる排ガス回収管と、を含むことを特徴とする、燃料電池システムが提供される。

酸化反応物質は、燃料及び空気であり、流入管は、燃料が流入する燃料流入管と、空気が流入する空気流入管と、を含み、燃料流入管と改質反応部に流入する燃料は、燃料供給部からそれぞれ供給されるようにしてもよい。

上記燃料電池システムは、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部を更に含んでいてもよい。

以上説明したように本発明によれば、熱源部で発生できる逆火現象を防止することができる。これによって熱源部の耐久性が向上して、燃料改質装置の寿命を延長することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。

図１に示すように、本実施形態にかかる燃料電池システムは、燃料改質装置３０、５０の熱源部に排ガスが再び供給されるように構成することによって、燃料改質装置３０、５０の熱源部で触媒酸化反応によって頻繁に発生した逆火現象を防止することができる。

燃料電池システムは、水素を含有する改質ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させて、電気エネルギーを生成する燃料電池本体１０を備える。燃料電池本体１０は、電気エネルギーを生成する最小単位の単位セルが連続的に積層された構造であって、一般に燃料電池スタックと称される。燃料電池本体１０は、複数個の単位セルが連続的に配列された集合体であり、このような集合体の最外側にエンドプレートがそれぞれ結合される。

単位セルは、電気化学反応が誘発される膜−電極接合体と、膜−電極接合体の両面に配置されるプレート形状のセパレータを備える。第１セパレータは、膜−電極接合体のアノード電極側に密着しながら、その密着する面に形成された第１チャンネルに改質ガスが流入する。第２セパレータは、膜−電極接合体のカソード電極側に密着しながら、その密着する面に形成された第２チャンネルに酸化剤ガスが流入する。このような構成で単位セルは膜−電極接合体を通して水素と酸素が電気化学反応しながら、電気エネルギーを発生させることができる。

燃料供給部２０は、燃料を保管する燃料タンクおよび燃料タンクに保管されている燃料を外部に供給するためのポンプを備える。燃料供給部２０は、燃料改質装置３０、５０に燃料を供給する。

燃料改質装置３０、５０は、燃料供給部２０から燃料が供給されて、燃料を改質反応させて、燃料から水素を含有する改質ガスを発生させる。燃料改質装置３０、５０については、以下でより詳細に説明する。

酸化剤供給部４０は、酸化剤ガスを燃料電池本体１０に供給する構成要素である。酸化剤供給部４０は、一般に空気ポンプを用いて酸化剤ガスとして大気中の空気を燃料電池本体１０に供給する。

図２は図１に示す本発明の一実施形態にかかる燃料改質装置の構成関係を示す第１実施例の燃料改質装置の概略図である。

図１および図２に示すように、第１実施例にかかる燃料改質装置３０は、燃料供給部２０から供給される燃料を改質ガスとして改質して、改質ガスを燃料電池本体１０に供給する。燃料改質装置３０は、燃料改質方式によって色々な段階に区分でき、この中で水蒸気改質反応のために蒸発器（図示せず）、熱源部３１、改質反応部３２を備える。

蒸発器は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気を提供するために、水を加熱して水蒸気を生成する。熱源部３１は、触媒酸化基としてその内部に触媒層が位置する。熱源部３１は、空気と燃料が内部に供給されることによって触媒酸化反応によって、熱エネルギーを発生させる。熱源部３１は、改質反応部３２に隣接するように位置して、熱エネルギーを改質反応部３２に提供する。改質反応部３２は、熱源部３１から提供された熱エネルギーを用いて、燃料の改質反応をより促進させて、燃料から水素を含有する改質ガスを発生させる。

特に、熱源部３１は、次のように排ガスが再び循環流入するように構成される。熱源部３１は、触媒酸化反応のためにその内部に酸化反応物質の燃料と空気がそれぞれ供給される。内部に酸化反応物質の燃料と空気がそれぞれ供給されれば、熱源部３１は、触媒酸化反応によって熱エネルギーが発生し、触媒酸化反応の後に生成された燃料と空気との排ガスが外部に排出される。排ガスを外部に排出するために、熱源部３１は酸化反応物質が流入する流入管３３と、触媒酸化反応の後に生成される排ガスを排出するための排出管３４を備える。流入管３３と排出管３４とを備えることで、酸化反応物質の燃料及び空気は、混合された状態で一つの流入管３３に流入したり、個別的にそれぞれ相当する流入管３３に流入したりできる。

熱源部３１は、流入管３３と排出管３４とを連結する排ガス回収管３５を更に含む。排ガス回収管３５は、排出管３４に排出される排ガスを流入管３３に再び流入させる。このとき、排ガスは、燃料と空気が触媒酸化反応に用いられた後に生成される残余ガスであるため、多量の窒素成分および水分を含む。

熱源部３１は、従来技術で説明したように、流入管３３に連結される入口付近で燃料と空気が流入しながら、火炎が急激に拡散される。これによって、熱源部３１は入口付近で逆火現象も簡単に発生する余地がある。しかし、第１実施例の燃料改質装置３０は、図２に示した構成により排ガスが燃料、空気と共に熱源部３１に流入される。排ガスが燃料、空気と共に熱源部３１に流入されることで、熱源部３１は、燃料と空気とが供給されても従来の技術に比べて全体的な窒素成分の含有量がさらに増加するので、流入管３３に連結される入口付近で逆火現象が簡単に発生しない。また、熱源部３１は、排ガスに含まれている水分が入口付近で温度が急激に上昇することを防止する役割もする。

また、第１実施例の燃料改質装置３０は、排ガスがより容易に熱源部３１に流入できるように排ガス引出し手段を備える。

図３は図２に示す排ガス回収管３５にポンプが設けられた燃料改質装置の概略図である。

図３に示すように、燃料改質装置３０は、排ガス引出し手段としてポンプ３６を備える。ポンプ３６は排ガス回収管３５に設置されて、排ガスを流入管３３に流動させる。ポンプ３６は、一般に広く知られた構造を採択し、ここではそれについての詳細な説明は省略する。ただし、ポンプ３６は事前に設定されて入力された作動条件または制御装置の調節によって作動して、排ガスの流動量を調節してもよい。

図４は図２に示す排ガス回収管と排出管との間にバルブが設けられた燃料改質装置の概略図である。

図４に示すように、燃料改質装置３０は、排ガス引出し手段としてバルブ３７を備えることもできる。バルブ３７は、排出管３４と排ガス回収管３５が連結される地点に設置され、排ガスの流れを選択的に切り換える。つまり、バルブ３７は、制御装置の指示によって排出管３４を閉鎖して、排ガスを排ガス回収管３５に流動させることができる。または、バルブ３７は制御装置の指示によって排ガス回収管３５の入口を閉鎖することで、排ガスが排出管３４を通じて外部に抜け出るように設定してもよい。ただし、バルブ３７は開閉量程度を調節することによって、排ガス回収管３５に設定された量だけ排ガスが流入されるようにすることが望ましい。また、バルブ３７は、排ガスに含まれている窒素と水分の濃度が設定された値以上である条件で、排ガスが排ガス回収管３５に流入するように設定されることが望ましい。

燃料改質装置３０は、排出管３４と排ガス回収管３５が連結される地点だけでなく、流入管３３と排ガス回収管３５が連結される地点にもバルブ３８をさらに設けてもよい。流入管３３と排ガス回収管３５が連結される地点にもバルブ３８をさらに設けることで、２個のバルブ３７、３８は互いに連係された状態で作動して、排ガスを流入管３３に流入するようにできる。

なお、第１実施例の燃料改質装置３０は、図５に示すように排ガス回収管３５が連結される地点の流入管３３にバルブを追加的に設置する代わりに、排ガス引出し手段としてオリフィス機構（Ａ）が設置されてもよい。

図６は図５に示すＡ領域を拡大して具体的に示したオリフィス機構の断面図である。

図６に示すように、燃料改質装置３０は、排ガス引出し手段としてオリフィス機構（Ａ）を備える。オリフィス機構（Ａ）は流量調節および流速測定のために使用される配管構造物である。オリフィス機構（Ａ）は、円形の内部断面直径（Ｄ１）を持つと、ある一地点で内部断面直径（Ｄ２）が急激に縮小される区間に形成される配管構造物である。これによって、オリフィス機構（Ａ）はベルヌーイの原理によって、内部断面直径（Ｄ２）が狭い区間で流速が速くなりながら、圧力が低下する。燃料改質装置３０は、内部断面直径（Ｄ２）が狭い区間に排ガス回収管３５が連結されることによって、圧力が低い区間で排ガスがより容易に流入できる。このようにオリフィス機構（Ａ）は、排ガス回収管３５が連結される地点の流入管３３に設けられる。

図７は図１に示す燃料改質装置の構成関係を示す第２実施例の燃料改質装置の概略図である。

図１および図７に示すように、燃料改質装置５０は、酸化反応物質として燃料と空気が熱源部５１に供給される。つまり、熱源部５１は空気が流入する空気流入管５３と、触媒酸化反応の後に生成される排ガスを排出するための排出管５４と、燃料が流入する燃料流入管５６と、をそれぞれ備える。燃料流入管５６は、燃料電池システムの燃料供給部２０から供給される燃料を熱源部５１と改質反応部５２にそれぞれ供給する。

燃料供給部２０から供給される燃料を熱源部５１と改質反応部５２にそれぞれ供給すれば、熱源部５１は空気と燃料が内部に供給されることによって触媒酸化反応によって熱エネルギーを発生させ、改質反応部５２は熱源部５１から提供される熱エネルギーを用いて、燃料から水素を含有する改質ガスを発生させる。

図８Ａは、本発明の一実施形態の実施例による燃料改質装置の内部温度を測定したデータをグラフで説明する説明図である。

図２および図８Ａに示すように、このデータグラフは図２に示すように燃料改質装置３０を用いて実験した結果である。燃料改質装置３０は、排ガス回収管３５を通じて、５Ｌ／ｍｉｎの排ガスを流入管３３に供給するように設定した。この時、熱源部３１に供給される燃料量はそのまま維持して、空気量を変化させた。そして、実験者は熱源部３１が触媒酸化作用をするある一時点で熱源部３１の各地点（Ｃ１〜Ｃ１０）の温度を測定した。

図８Ｂは従来の技術による燃料改質装置の内部温度を測定したデータをグラフで説明する説明図である。従来の技術の燃料改質装置は、本発明の一実施形態の実施例による燃料改質装置を用いた実験と同一の条件を有する熱源部を用いるが、従来の技術の燃料改質装置は熱源部に排ガスが供給されない。この実験でも熱源部に供給される燃料量はそのまま維持して、空気量を変化させた。そして、実験者は熱源部が触媒酸化作用するある一時点で熱源部の各地点（Ｃ１〜Ｃ１０）の温度を測定した。なお、熱源部の各地点（Ｃ１〜Ｃ１０）は、従来技術の熱源部の各地点（Ｃ１〜Ｃ１０）と同一の場所を示している。

図８Ａおよび図８Ｂに示す２個のデータグラフを相互比較して調べると、温度を測定した各地点（Ｃ１〜Ｃ１０）は概して図８Ｂに示す従来の技術の熱源部に比べて図８Ａに示す熱源部３１での温度が低く測定された。さらに、空燃比（λ）が増加するほど、図８Ａに示す熱源部３１での温度は、図８Ｂに示す熱源部での温度に比べて低いことが分かる。空燃比（λ）が１．６である時、図８Ａに示す熱源部３１での温度は、急激にさらに低くなるようになるが、図８Ｂに示す熱源部での温度は、ある特定地点（Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６）が依然として高く測定された。

図９は、本発明の一実施形態の実施例による燃料改質装置の内部温度状態と従来の技術による燃料改質装置の内部温度状態とをそれぞれ撮影して示す写真である。図９に示す写真は、燃料改質装置の熱源部で、ある特定地点を撮影したものであって、撮影した地点での光の色をもって温度を判別することができる。

空燃比（λ）が１．４である時の温度をそれぞれ調べると、例１（３Ｌ／ｍｉｎの排ガス供給）と例２（５Ｌ／ｍｉｎの排ガス供給）はそれぞれ８２１℃、６９０℃で、排ガスが供給されない比較例での８４７℃に比べて低い。

このように実験したデータグラフを調べても、上記実施例による燃料改質装置３０、５０は熱源部３１、５１に排ガスが流入するように構成することによって、熱源部３１、５１での温度が従来の技術に比べて低くなることが分かる。つまり、上記実施例は従来の技術に比べて熱源部３１、５１で逆火現象が抑制されていることが分かる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの概略図である。 図１に示す燃料改質装置の構成関係を示す第１実施例の燃料改質装置の概略図である。 図２に示す排ガス回収管にポンプが設けられた燃料改質装置の概略図である。 図２に示す排ガス回収管と排出管との間にバルブが設けられた燃料改質装置の概略図である。 図２に示す排ガス回収管と流入管との間にオリフィス機構が設けられた燃料改質装置の概略図である。 図５に示すＡ領域を拡大して具体的に示したオリフィス機構の断面図である。 図１に示す燃料改質装置の構成関係を示す第２実施例の燃料改質装置の概略図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料改質装置の内部温度を測定したデータグラフである。 従来の技術による燃料改質装置の内部温度を測定したデータグラフである。 本発明の一実施形態にかかる燃料改質装置の内部温度状態と従来の技術による燃料改質装置の内部温度状態をそれぞれ撮影して示した写真である。

符号の説明

１０ 燃料電池本体
２０ 燃料供給部
３０、５０ 燃料改質装置
４０ 酸化剤供給部
３１、５１ 熱源部
３２、５２ 改質反応部
３３、５３ 流入管
３４、５４ 排出管
３５ 排ガス回収管
３６ ポンプ
３７、３８ バルブ
５６ 燃料流入管

Claims (6)

1. 燃料を改質反応させる改質反応部と、
   前記改質反応部に熱エネルギーを提供し、内部に位置する触媒層と酸化反応物質との間の触媒酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させる熱源部と、
   を含み、
   前記熱源部は、
   前記酸化反応物質が流入する流入管と、
   前記触媒酸化反応によって生成される排ガスを排出する排出管と、
   前記排出管と前記流入管を連結して前記排ガスを前記流入管に流入させる排ガス回収管と、
   前記熱源部に備えられ、前記排ガスを前記流入管に流動させる排ガス引出し手段と、
   を含み、
   前記排ガス引出し手段は、前記排ガス回収管が連結される地点の前記流入管に設けられるオリフィス機構であることを特徴とする、燃料改質装置。
2. 前記酸化反応物質は、前記燃料及び空気であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。
3. 前記酸化反応物質は、前記燃料及び空気であり、
   前記流入管は、
   前記燃料が流入する燃料流入管と、
   前記空気が流入する空気流入管と、
   を含み、
   前記排ガス回収管は、前記空気流入管に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料改質装置。
4. 燃料供給部と、
   前記燃料供給部から供給される燃料を改質して、水素を含有する改質ガスを発生させる燃料改質装置と、
   前記改質ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて、電気エネルギーを生成する燃料電池本体と、
   を含み、
   前記燃料改質装置は、
   前記燃料を改質反応させる改質反応部と、
   前記改質反応部に熱エネルギーを提供し、内部に位置する触媒層と酸化反応物質との間の触媒酸化反応によって前記熱エネルギーを発生させる熱源部と、
   を含み、
   前記熱源部は、
   前記酸化反応物質が流入する流入管と、
   前記触媒酸化反応によって生成される排ガスを排出する排出管と、
   前記排出管と前記流入管を連結して前記排ガスを前記流入管に流入させる排ガス回収管と、
   前記熱源部に備えられ、前記排ガスを前記流入管に流動させる排ガス引出し手段と、
   を含み
   前記排ガス引出し手段は、前記排ガス回収管が連結される地点の前記流入管に設けられるオリフィス機構であることを特徴とする、燃料電池システム。
5. 前記酸化反応物質は、前記燃料及び空気であり、
   前記流入管は、
   前記燃料が流入する燃料流入管と、
   前記空気が流入する空気流入管と、
   を含み、
   前記燃料流入管と前記改質反応部に流入する前記燃料は、前記燃料供給部からそれぞれ供給され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。
6. 前記燃料電池本体に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部を更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。