JP6167477B2

JP6167477B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6167477B2
Application number: JP2012133539A
Authority: JP
Inventors: 博通三輪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: CN104364953A; US9755257B2; EP2863462B1; US20150140459A1; EP2863462A4; JP2013258061A; WO2013187110A1; CN104364953B; EP2863462A1

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池を用いた燃料電池システムに係り、特に、システム全体を小型化、高効率化する技術に関する。

一般に、固体酸化物型燃料電池（SOFC, Solid Oxide Fuel Cell）を備える燃料電池システムでは、改質反応に炭化水素系の燃料、及び水が必要になる。このため、従来における燃料電池システムでは、循環ポンプを用いて燃料電池のアノードより排出される水分を含んだガス（以下、「アノードオフガス」という）を改質器に再循環させている。

しかしながら、アノードオフガスを再循環させる場合には、アノードオフガスの温度と同程度の高温に耐える性能を備えた循環ポンプが必要となる。更に、アノードオフガスの温度が高温であるために体積流量が大きくなり、循環ポンプの容量が大きくなるという問題がある。そこで、例えば、特開２００６−３０２６６０号公報（特許文献１）には、燃料電池のカソードに導入される酸化剤（例えば、空気）と、循環されるアノードオフガスと、の間で熱交換することにより、循環ポンプに供給されるアノードオフガスを冷却し、循環ポンプの耐熱性能を低いものとし、且つ、アノードオフガスの体積流量を低減させることが開示されている。

特開２００６−３０２６６０号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、アノードオフガスをカソード供給用の酸化剤により冷却する構成であるので、車載用の燃料電池システムのように、要求される発電出力のダイナミックレンジが広い場合には、発電出力が大きくなるほど循環ポンプに導入されるアノードオフガスの温度が上昇し、要求される循環ガスの体積流量が多くなり、循環ポンプに要求されるダイナミックレンジが大きくなるという問題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、循環ポンプのダイナミックレンジを狭めることができる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、燃料電池のアノードより排出されるアノードオフガスの一部を循環させて改質手段に供給し、該改質手段で改質された改質ガスをアノードの入口へ導入する循環ポンプと、循環ポンプの入口側の流路に設けられ、循環ポンプに供給される改質ガスを冷却する第１熱交換手段とを備える。そして、第１熱交換手段は、燃料電池の出力電力が大きいほど、循環ポンプに供給される改質ガスをより低い温度にするように設定される。

本発明に係る燃料電池システムでは、改質手段より出力される改質ガスを第１熱交換手段にて冷却し、更に、循環ポンプに供給して改質ガスを燃料電池のアノードに循環させる。また、燃料電池の出力電力が大きいほど、循環ポンプに供給される改質ガスを冷却する能力が増加するので、燃料電池の出力が増加するにつれて改質ガスの温度を低下させることができ、循環ポンプのダイナミックレンジを狭めることができる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、発電電力と循環ポンプ入口ガス温度との関係を示す特性図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの、発電電力と循環ポンプ入口ガス温度、及び循環ポンプ入口のガス流量との関係を示す特性図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態の説明］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、第１実施形態に係る燃料電池システム１００は、アノード１１ａ、及びカソード１１ｂを備える固体酸化物型燃料電池１１（以下、「燃料電池１１」と略す）と、炭化水素系の燃料を供給する燃料ポンプ１２と、改質器１３ａと燃焼器１３ｂとを有し燃料ポンプ１２より供給される燃料を改質する熱交換型改質装置１３（改質手段）と、改質器１３ａで改質された改質ガスをアノード１１ａの入口に循環させる循環ポンプ１４と、を備えている。

更に、カソード１１ｂの排気ガスの熱により、燃料ポンプ１２より供給される燃料を蒸発させて改質器１３ａに供給する燃料蒸発器１５と、アノード１１ａの出口流路に接続され、アノード１１ａの排気ガス（以下、「アノードオフガス」という）を分流し、分流後の一方の系統を改質器１３ａに供給し、他方の系統を燃焼器１３ｂに供給する分流弁１６と、燃焼器１３ｂに燃焼用の空気を供給する第１空気ブロワ２０と、を備えている。

更に、カソード１１ｂに空気（酸化剤）を供給する第２空気ブロワ１７（酸化剤供給手段）と、燃焼器１３ｂの排気ガスにより、第２空気ブロワ１７より送出される空気を加熱する第３熱交換器（第３熱交換手段）１８と、該第３熱交換器１８により加熱された空気が低温側に供給され、高温側に改質器１３ａより出力される改質ガスが供給される第１熱交換器（第１熱交換手段）１９と、を備えている。

ここで、第１熱交換器１９、及び第３熱交換器１８は、循環ポンプ１４に供給される改質ガス温度が、この改質ガスの露点（水蒸気が結露する温度）を下回らない範囲で、当該改質ガスの温度を冷却するように、各種の諸元が設定されている。更に、その他のシステム構成についても、改質ガスの温度が露点を下回らないように設定されている。

次に、上述のように構成された第１実施形態に係る燃料電池システム１００の作用について説明する。

燃料電池システム１００の運転時においては、第１空気ブロワ２０より熱交換型改質装置１３の燃焼器１３ｂに空気が供給され、且つ、該燃焼器１３ｂにアノード１１ａより排出されるアノードオフガスが供給されて燃焼する。そして、燃焼器１３ｂの排気ガスは第３熱交換器１８の高温側に供給され、その後排出される。従って、燃焼器１３ｂの排ガスの熱により、第２空気ブロワ１７より送出される空気が加熱される。

また、カソード１１ｂより排出される排気ガスは、燃料蒸発器１５の高温側を通過することにより、燃料ポンプ１２より送出される燃料を加熱し、該燃料を気化させる。

そして、燃料ポンプ１２より送出されて燃料蒸発器１５にて気化した燃料と、アノードオフガスの一部が混合した混合ガスが改質器１３ａに供給され、一方、燃焼器１３ｂでは、アノードオフガスの一部が燃焼して発熱するので、改質器１３ａでは改質反応により改質ガスが生成される。

改質器１３ａにて生成された改質ガスは、第１熱交換器１９の高温側を通過して循環ポンプ１４の入口に供給され、該循環ポンプ１４により燃料電池１１のアノード１１ａに供給される。

また、第２空気ブロワ１７より送出される空気（酸化剤）は、第３熱交換器１８の低温側を通過し、更に、第１熱交換器１９の低温側を通過して加熱され、燃料電池１１のカソード１１ｂに供給される。即ち、第３熱交換器１８にて、燃焼器１３ｂの排気ガスにより加熱され、第１熱交換器１９にて、改質ガスにより加熱された後、カソード１１ｂに供給される。そして、燃料電池１１では、水素と酸素の化学反応により電子が生成され、直流電流として取り出される。

この際、改質器１３ａより出力される改質ガスは、第１熱交換器１９の高温側を通過するので、該第１熱交換器１９の低温側を通過するアノード供給用の空気により冷却されて温度が低下する。その後、温度が低下した改質ガスは、循環ポンプ１４に供給される。即ち、改質器１３ａより出力される改質ガスを冷却して循環ポンプ１４に供給することができる。このため、循環ポンプ１４の耐熱性能を、より低い温度とすることができ、装置規模の小型化を図ることができる。

更に、燃料電池１１の発電出力が増大すると、第２空気ブロワ１７より送出される空気量が増加するので、第１熱交換器１９の低温側に供給される空気量が増加し、第１熱交換器１９における冷却能力が増大する。従って、改質器１３ａより出力される改質ガスを冷却する能力が増大するので、改質ガス温度をより低い温度とすることができる。

即ち、発電出力が大きくなると、第２空気ブロワ１７より送出される空気量が増加することにより、第３熱交換器１８での温度上昇分が少なくなり、第１熱交換器１９の低温側入口の空気温度は、図２の曲線Ｓ１に示すように徐々に低下することになる。このため、第１熱交換器１９での冷却能力が増大し、改質器１３ａより送出される改質ガスの温度は図２の曲線Ｓ２に示すように、発電出力の増大に伴って低下することになる。

図３は、燃料電池１１の発電出力と、循環ポンプ１４の入口における改質ガス温度、及び循環ポンプ１４の入口における改質ガスの体積流量の変化を示す特性図であり、曲線Ｐ１１は循環ポンプ１４の入口温度、曲線Ｐ１２は循環ポンプ１４の入口流量を示している。また、曲線Ｐ１３は従来例を採用した場合の循環ポンプの入口温度、曲線Ｐ１４は従来例を採用した場合の循環ポンプの入口流量を示している。

曲線Ｐ１３，Ｐ１４に示すように、従来における燃料電池システムでは、燃料電池の発電出力が増大するにつれて、循環ポンプの入口温度が上昇する傾向となり、且つ、循環ポンプの入口流量が上昇する傾向となっている。このため、発電出力が最大のときの体積流量と、発電出力が最小のときの体積流量の差分はＬ２となり、ダイナミックレンジの大きい循環ポンプを使用する必要がある。

これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、曲線Ｐ１１に示すように、燃料電池１１の発電出力が増大するにつれて循環ポンプ１４の入口温度が低下し、これに起因して、曲線Ｐ１２に示すように、循環ポンプ１４の入口流量の上昇が抑制されている。このため、発電出力が最大のときの体積流量と、発電出力が最小のときの体積流量の差分はＬ１となり、従来の循環ポンプと対比して相対的にダイナミックレンジの小さい循環ポンプを使用することができることが判る。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１１の発電電力が小さいときには、アノードオフガスの温度が高いので、改質器１３ａより送出される改質ガス中に含まれる水分が凝縮されること無く、循環ポンプ１４を介して、燃料電池１１のアノード１１ａに供給することができる。従って、アノード面での内部改質、及びシフト反応が妨げられることが無く、アノード面でのカーボン析出を防止することができる。更に、アノードオフガス中の水分量も十分に確保できるので、アノードオフガスの一部が導入される改質器１３ａに、改質に必要な水分を供給可能となり、改質器１３ａでのカーボン析出を防止することができる。

また、燃料電池１１の発電電力が増加するにつれて、第１熱交換器１９の冷却能力が増大するので、循環ポンプ１４に流入する循環ガスの温度が低下する。その結果、循環ガスの体積密度を高めることができ（体積流量の増加を抑制することができ）、燃料電池１１の発電電力範囲での循環ガスの体積流量の幅（ダイナミックレンジ）を狭めることができる。更に、燃料電池１１の発電電力が増大し、循環ガスの温度が低下する場合でも、該循環ガスの温度が露点温度以上となるように第１熱交換器１９、第３熱交換器１８の諸元が設定されているので、循環ポンプ１４の入口での水凝縮を防止することができる。その結果、循環ポンプ１４の小型化、低消費エネルギー化を図ることができる。

更に、燃料電池１１より排出される排気ガスの流量は、発電電力の増加に伴って増加し、これに伴って、燃料電池１１に供給される空気（酸化剤）の流量も増加する。一方、第２空気ブロワ１７より送出される空気を昇温させるための第３熱交換器１８の熱交換面積は一定値で固定されているため、発電電力の増加に伴い、熱交換後の空気の温度は低下することになり、循環ポンプ１４に供給される改質ガスの温度を低下させることが可能となる。

また、システムの排気ガスを第３熱交換器１８の高温側に供給することにより、排気ガスが有する熱エネルギーを、第３熱交換器１８を介してカソードへ導入される空気（酸化剤）に供給できるので、廃棄される熱エネルギーを低減でき、システムの効率を向上させることができる。

更に、燃料電池１１の排気ガスとして、熱交換型改質装置１３の燃焼器１３ｂの出口ガスを第３熱交換器１８に供給するので、未使用となるアノードオフガスの有するエネルギーを改質反応（吸熱反応）に利用することができ、更に、この熱をカソード１１ｂに導入される空気に供給することができるので、廃棄される熱エネルギーを低減させることができシステムの効率を向上させることができる。

また、第１熱交換器１９、及び第３熱交換器１８の諸元を適宜設定することにより、燃料電池１１の最小出力時における循環ポンプ１４に供給される改質ガスの温度が、この改質ガスの露点を上回るように設定できるので、燃料電池１１の発電出力が変化した場合でも、改質ガス中に含まれる水分が凝縮することを防止できる。このため、アノード面での内部改質、及びシフト反応が妨げられることが無く、アノード面でのカーボン析出等が防止できるばかりでなく、アノードオフガス中の水分量も十分に確保できるため、アノードオフガスの一部が導入される改質器１３ａに、改質に必要な水分を供給可能となり、改質器１３ａでのカーボン析出を防止できる。

［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１は、前述した図１に示した燃料電池システム１００に対して、循環ポンプ１４の出口側の管路に、第２熱交換器（第２熱交換手段）２１を設けている点で相違している。それ以外の構成は図１と同様であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

第２熱交換器２１は、高温側に改質器１３ａより出力される改質ガスが供給され、低温側に循環ポンプ１４より出力される改質ガスが供給される。従って、改質器１３ａより出力される改質ガスは、第２熱交換器２１にて冷却され、更に、第１熱交換器１９にてより一層冷却される。その後、循環ポンプ１４に供給される。そして、循環ポンプ１４より出力される改質ガスは第２熱交換器２１により加熱された後、燃料電池１１のアノード１１ａに供給される。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム１０１では、前述した第１実施形態と同様の効果を達成できる。更に、第２熱交換器２１、及び第１熱交換器１９の２段階で改質ガスの温度を低下させると共に、第２熱交換器２１の低温側に流れる流体が循環ポンプ１４より送出される改質ガスであるので、冷却によって取り去った熱エネルギーを、アノード１１ａに導入される改質ガスに与えることが可能となる。従って、廃棄される熱エネルギーを低減することができ、システム効率を向上させることができる。

［第３実施形態の説明］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２の構成を示すブロック図である。図５に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システム１０２では、前述の図１に示した燃料電池システム１００に対して、第１熱交換器１９の低温側に、第３空気ブロワ３１を設けている点、及び第３熱交換器１８の低温側の出力がカソード１１ｂに連結されている点で相違している。それ以外の構成は、図１に示した燃料電池システム１００と同一構成であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

第３空気ブロワ３１は、図示省略の制御手段の制御により、送出する空気（流体）の流量を適宜調整することができる。従って、燃料電池１１の発電出力の増加に応じて、第３空気ブロワ３１より送出する空気の流量を増加させることにより、第１熱交換器１９における冷却能力を高めることができ、前述した第１実施形態と同様の効果を達成できる。

また、第３空気ブロワ３１より送出される空気の流量をＱｃとし、循環ポンプ１４に流入する改質ガス量をＱｒとしたとき、これらの比率「Ｑｃ／Ｑｒ」を燃料電池１１の出力増加と共に増加させることによって、第１熱交換器１９による改質ガスの冷却能力を向上させることができる。従って、燃料電池１１の発電出力が増加した際に、循環ポンプ１４に流入する改質ガスの温度を低減させることができ、循環ポンプのダイナミックレンジを小さくすることができる。

［第４実施形態の説明］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３の構成を示すブロック図である。図６に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３では、前述の図５に示した燃料電池システム１０２に対して、第３空気ブロワ３１の出力側に加熱体３２を設けている点で相違する。それ以外の構成は、図５にて示した燃料電池システム１０２と同一構成であるので、同一符号を付して構成説明を省略する。

加熱体３２は、例えば、燃焼バーナや電気ヒータであり、第３空気ブロワ３１より送出される空気を加熱し、加熱した空気を第１熱交換器１９の低温側に供給する。こうすることにより、第１熱交換器１９における熱交換効率を適宜変更することができる。

具体的には、燃料電池１１の発電出力の増大に応じて、加熱体３２から単位流量当りの空気に供給する熱量を小さくする。これにより、第１熱交換器１９の低温側に流入する空気の温度が低下するので、循環ポンプ１４の入口に供給される改質ガスの温度を低下させることができる。

また、加熱体３２の発熱量を一定とした場合には、燃料電池１１の発電出力の増加に伴い、分流弁１６を介して循環されるアノードオフガス量、及び燃料ポンプ１２を介して供給される燃料量が増加し、ひいては改質器１３ａより出力される改質ガス流量が増加する。従って、第３空気ブロワ３１の流量を増加させることにより、第１熱交換器１９の低温側に供給する空気の温度を低下させ、改質ガス温度を冷却する際の冷却能力が増大する。これにより、循環ポンプ１４に供給される改質ガス温度を低下させることができる。

一方、第３空気ブロワ３１より送出される空気の流量が一定の場合は、加熱体３２の発熱量を、燃料電池１１の出力増加と共に低下させる。これにより、循環ポンプ１４に供給される改質ガス温度を低下させることができる。更に、車載用のように、燃料電池１１の出力電圧の範囲が広い場合は、加熱体３２の温度、及び第３空気ブロワ３１の送出空気量の双方を制御することにより、第１熱交換器１９における改質ガスの冷却能力を、燃料電池１１の出力増加と共に増加させ、循環ポンプ１４に供給される改質ガス温度を低下させることができる。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム１０３では、第３空気ブロワ３１の出力流量、及び加熱体３２の発熱量の少なくとも一方を制御することにより、循環ポンプ１４に供給される改質ガスの冷却能力を適宜変化させることができる。従って、前述した第１実施形態と同様の効果を達成することができ、これに加えて、燃料電池１１の発電出力が低い場合には、循環ポンプ１４に供給される改質ガス温度を相対的に高くすることができる。更に、発電電力の増加と共に改質ガス温度を低下させることができる。その結果、循環ポンプ１４に供給される改質ガス流量の変化を、図３の曲線Ｐ１２に示した特性とすることができ、循環ポンプ１４のダイナミックレンジを小さくすることができる。以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した各実施形態では、酸化剤として空気を用いる例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、空気以外の酸素を含むガスを用いることができる。

本発明は、例えば車載用の燃料電池において、装置の小型化、低コスト化を図ることに利用することができる。

１１固体酸化物型燃料電池
１１ａアノード
１１ｂカソード
１２燃料ポンプ
１３熱交換型改質器（改質手段）
１３ａ改質器
１３ｂ燃焼器
１４循環ポンプ
１５燃料蒸発器
１６分流弁
１７第２空気ブロワ（酸化剤供給手段）
１８第３熱交換器
１９第１熱交換器（第１熱交換手段）
２０第１空気ブロワ
２１第２熱交換器（第２熱交換手段）
３１第３空気ブロワ
３２加熱体
１００，１０１，１０２，１０３燃料電池システム

Claims

燃料を改質して改質ガスを生成する改質手段と、
アノード及びカソードを有し、前記アノードに前記改質ガスが供給され、前記カソードに酸化剤が供給されて電力を発生する燃料電池と、
前記アノードより排出されるアノードオフガスの一部を循環させて前記改質手段に供給し、該改質手段で改質された改質ガスを前記アノードの入口へ導入する循環ポンプと、
前記循環ポンプの入口側の流路に設けられ、循環ポンプに供給される改質ガスを冷却する第１熱交換手段と、を有し、
前記第１熱交換手段は、前記燃料電池の出力電力が大きいほど、前記循環ポンプに供給される改質ガスをより低い温度にするように設定されることを特徴とする燃料電池システム。
前記第１熱交換手段は、前記燃料電池の出力電力が大きいほど、該第１熱交換手段の低温側に供給される流体の温度が低下するように制御され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。
前記第１熱交換手段の低温側に供給される流体は、酸化剤供給手段より送出されて前記カソードに供給される酸化剤であり、該酸化剤は、前記第１熱交換手段の上流にて、前記燃料電池の排気ガスとの間での熱交換によって昇温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。
前記排気ガスは、未循環分のアノードオフガスを燃焼させる燃焼器の出口ガスであ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。
前記改質手段は、改質に必要な熱流を供給する燃焼器を有し、前記排気ガスは、未循環分のアノードオフガスを前記燃焼器にて燃焼させた後、該燃焼器より排出されるガスであ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。
前記改質手段より出力される改質ガスと、前記循環ポンプの出口ガスとの間で熱交換する第２熱交換手段を更に備え、
前記改質手段より出力される改質ガスは、前記第２熱交換手段の高温側、及び前記第１熱交換手段の高温側を経由して前記循環ポンプに供給され、
前記循環ポンプより送出される改質ガスは、前記第２熱交換手段の低温側を経由して前記アノードに供給され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。
燃料を改質して改質ガスを生成する改質手段と、
アノード及びカソードを有し、前記アノードに前記改質ガスが供給され、前記カソードに酸化剤が供給されて電力を発生する燃料電池と、
前記アノードより排出されるアノードオフガスの一部を循環させて前記改質手段に供給し、該改質手段で改質された改質ガスを前記アノードの入口へ導入する循環ポンプと、
前記循環ポンプの入口側の流路に設けられ、循環ポンプに供給される改質ガスを冷却する第１熱交換手段と、を有し、
前記第１熱交換手段は、前記燃料電池の出力電力が大きいほど、前記循環ポンプに供給される改質ガスを、前記酸化剤、或いは外気にて、より低い温度にするように設定されることを特徴とする燃料電池システム。
前記第１熱交換手段の低温側を流れる流体の流量と、前記循環ポンプに流入するガス量の比率を、前記燃料電池の出力に応じて変化させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の発電出力が最小出力のときに、前記循環ポンプの入口ガスの温度が、入口ガスの露点を超える温度となるようにシステム構成を設定することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。