JP6361910B2

JP6361910B2 - 燃料電池システム及びその運転方法

Info

Publication number: JP6361910B2
Application number: JP2014078563A
Authority: JP
Inventors: 竜也矢口; 隆夫和泉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-04-07
Also published as: JP2015201297A

Description

本発明は、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質し、その改質ガスをアノードガスとして用いる燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

この種の燃料電池システムとしては、改質装置とその起動方法及び燃料電池発電装置の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載のシステムは、部分酸化反応と水蒸気改質反応とを併用する改質器により改質原料を改質し、その改質ガスをアノードガスとして燃料電池に供給するものである。そして、上記システムは、改質器若しくは燃料電池の燃料極から排出されたガスの一部を循環ガスとして改質器に導入することで、改質器に導入される酸化雰囲気を和らげて、触媒酸化を防止するようにしている。

特開２０００−３２３１６４号公報

ところで、この種の燃料電池システムは、自動車等の車両に搭載する場合、ガソリンや軽油などの高級炭化水素燃料を使用し、急速起動を実現するために低熱容量化が容易な断熱型改質器を用いる必要があり、このほか、水を多量に貯蔵することが難しいなどの制約がある。これに対して、従来の燃料電池システムのように、改質原料を循環ガスで加熱する構成では、加熱工程を構成する機器や配管の壁面に炭素析出が生じるおそれがある。その一方で、炭素析出しない程度の低温度の加熱では、断熱下での（断熱型改質器での）水蒸気改質を行うために充分な熱を供給することが困難であった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現し、その結果、発電効率を高めることができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的としている。

本発明に係わる燃料電池システムは、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質する改質器と、改質器で生成した改質ガスをアノードガスとし且つ酸素含有ガスをカソードガスとして発電を行う燃料電池とを備えている。そして、燃料電池システムは、改質器の入口側に配置され且つ気化後の改質原料と燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合して加熱する第１加熱器と、前記改質器に導入する酸素含有ガスを加熱する第２加熱器と、前記燃料電池から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合燃焼させる燃焼器とを備えており、前記燃焼器が、第１加熱器及び第２加熱器の両方の熱源であると共に、前記改質器に、第１加熱器で加熱した改質原料と第２加熱器で加熱した酸素含有ガスとを導入する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明に係わる燃料電池システムの運転方法は、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質する改質器と、改質器で生成した改質ガスをアノードガスとし且つ酸素含有ガスをカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池システムを運転する方法である。この燃料電池システムの運転方法は、前記燃焼器を熱源として、気化後の改質原料と前記燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合して加熱
すると共に、前記改質器に導入する酸素含有ガスを加熱した後、加熱した改質原料と加熱した酸素含有ガスとを前記改質器に導入することを特徴としている。

本発明に係わる燃料電池システム及びその運転方法は、気化後の改質原料と燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合することで、アノード排ガスの熱により改質原料を加熱し、この改質原料をさらに加熱するので、改質原料が炭素析出し難い高温となり、加熱工程を構成する機器や配管の壁面における炭素析出を防ぐこととなる。さらに、燃料電池システム及びその運転方法は、上記のように高温化した改質原料と酸素含有ガスとを改質器に導入することから、断熱型改質器を用いた場合でも、その改質器に対して充分な熱を供給することができる。

このようにして、燃料電池システム及びその運転方法は、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現し、その結果、発電効率を高めることができる。また、上記の燃料電池システム及びその運転方法は、第１及び第２の加熱器と、これらの熱源である燃焼器とを一体化することで、システム構成の全体のサイズをより小型にすることができ、高温部が露わになる加熱器の表面積を小さくすることにより、熱損失を低減して、発電システムとして高効率な運転を実現することができる。

本発明に係わる燃料電池システムの第１実施形態を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システムにおける改質原料の温度変化と、比較例としての従来の燃料電池システムにおける改質原料の温度変化とを示す説明図である。本発明に係わる燃料電池システムの第２実施形態を示すブロック図である。本発明に係わる燃料電池システムの第３実施形態を示すブロック図である。本発明に係わる燃料電池システムの第４実施形態を示すブロック図である。本発明に係わる燃料電池システムの第５実施形態を示すブロック図である。

〈第１実施形態〉
図１に示す燃料電池システムは、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質する改質器１４と、改質器１４で生成した改質ガスをアノードガスとし且つ酸素含有ガスをカソードガスとして発電を行う燃料電池ＦＣとを備えている。また、燃料電池システムは、改質器１４の入口側に配置され且つ気化後の改質原料と燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合して加熱する第１加熱器１３を備えている。そして、燃料電池システムは、前記改質器１４に、第１加熱器１３で加熱した改質原料と酸素含有ガスとを導入する構成になっている。

すなわち、燃料電池システムは、燃料電池ＦＣと、急速起動を実現するために低熱容量化が容易な断熱型の改質器１４とを備えており、燃料電池ＦＣに対して、改質器１４を含むアノードガス供給系ＡＧと、カソードガス供給系ＣＧを備えている。

燃料電池ＦＣは、固体電解質型であって、一例として６５０℃以上の高温動作を行うものである。この燃料電池ＦＣは、酸素イオン伝導性を有する電解質を有し、発電後のアノードガス（アノード排ガス）には水蒸気が生成される。改質器１４は、周知の改質触媒を備えたものであって、周囲を断熱して自己の放熱を抑制し、高い内部温度（改質温度）を維持し得る構造を有するものである。

アノードガス供給系ＡＧは、改質原料の貯蔵タンクやポンプ等から成る改質原料供給源１１と、改質原料を加熱して気化させる気化器１２と、図示しない加熱源を有する第１加熱器１３と、前記改質器１４とを直列に接続した構成である。また、アノードガス供給系ＡＧは、燃料電池ＦＣから排出されたアノードガス（アノード排ガス）の一部を第１加熱器１３に導入するようになっている。

他方、カソードガス供給系ＣＧは、酸素含有ガスの貯蔵タンクやポンプ等から成る酸素含有ガス供給源２１と、燃料電池ＦＣに供給するカソードガスに予熱を付与する予熱器２２とを備えている。なお、酸素含有ガス供給源２１は、酸素含有ガスとして空気を使用する場合は、貯蔵タンクは不要であり、外気導入機構やコンプレッサなどで構成される。また、カソードガス供給系ＣＧは、酸素含有ガス供給源２１のカソードガス（酸素含有ガス）を改質器１４にも導入するようになっている。

ここで、図１では、実線の矢印で改質原料の流れを示し、点線の矢印で改質ガスの流れを示し、波線矢印で酸素含有ガスの流れを示しているが、当然のことながら実際の構造は配管であり、これらの配管には、ポンプ、バルブ及び分配器などの補機や、流体の温度及び流量などを検出するセンサ類が配置される。

改質原料は、特に限定されるものではないが、ガソリン、軽油、及びエタノールなどの炭化水素燃料を用いることができ、水蒸気改質反応に供するために、気化器１２において加熱により気化される。改質ガスは、改質原料を改質することにより生成した水素リッチなガスであり、燃料電池ＦＣに対する燃料ガス、すなわちアノードガスである。酸素含有ガスは、例えば空気であって、改質原料の部分酸化反応に供するガスであると同時に、燃料電池ＦＣに対する酸化剤ガス、すなわちカソードガスである。なお、アノードガス及びカソードガスは、燃料電池ＦＣから排出されたものについては、アノード排ガス及びカソード排ガスと称する。これらの排ガスにも水素や酸素が夫々残存している。

上記構成を備えた燃料電池システムは、アノードガス供給系ＡＧにおいて、改質原料供給源１１から供給する改質原料を気化器１２に導入して気化させ、気化後の改質材料を第１加熱器１３においてさらに加熱し、その改質原料を改質器１４に導入する。その一方、カソードガス供給系ＣＧにおいては、酸素含有ガス供給源２１から供給する酸素含有ガスを改質器１４に導入する。これにより、改質器１４では、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用した反応によって改質原料を改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。

そして、燃料電池システムは、改質器１４で生成した改質ガスをアノードガスとして燃料電池ＦＣに供給すると共に、予熱器２２により加熱した酸素含有ガス（空気）をカソードガスとして燃料電池ＦＣに供給し、燃料電池ＦＣにおいて電気化学反応により電気エネルギーを発生させる。

このとき、上記の燃料電池システムは、第１加熱器１３の上流側に、燃料電池ＦＣから排出されたアノード排ガスの一部をリターンさせて導入し、第１加熱器１３において、気化後の改質原料とアノード排ガスとを混合してさらに加熱し、第１加熱器１３で加熱した改質原料と酸素含有ガスとを改質器１４に導入するようにしている。

すなわち、燃料電池システムの運転方法は、水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質する改質器１４と、改質器１４で生成した改質ガスをアノードガスとし且つ酸素含有ガスをカソードガスとして発電を行う燃料電池ＦＣとを備えた燃料電池システムを運転するに際し、気化後の改質原料と燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合して加熱した後、加熱した改質原料と酸素含有ガスとを改質器に導入する。

ここで、図２に、加熱工程及び改質器における炭素析出領域ＣＡを示す。加熱工程は、既存の加熱器や気化器を含むものであっても良く、本発明の燃料電池システムでは既存の機器に第１加熱器１３を加えている。

加熱工程では、温度に対して、所定値までは炭素析出を生じないが、所定値以上になると炭素析出が生じる。このときの炭素析出領域ＣＡは、低温域では、水蒸気モル流量（Ｓ）と燃料中に含まれる炭素モル流量（Ｃ）との比（Ｓ／Ｃ）が大きくなって増大するが、高温域では、前記比（Ｓ／Ｃ）とともに減少してほぼ一定になる。また、改質器の炭素析出領域ＣＡは、低温では、酸素モル流量（Ｏ_２）と燃料中に含まれる炭素モル流量（Ｃ）との比（Ｏ_２／Ｃ）が大きくなって増大するが、高温になるほど前記比（Ｏ_２／Ｃ）とともに減少する。

上記の燃料電池システムは、図２に示すように、気化後の改質原料にアノード排ガスの一部を混合することで、アノード排ガスの熱により、改質原料の温度が炭素析出領域ＣＡを超えるまで上昇する（図２中の矢印Ａ）。そして、第１加熱器１３において、アノード排ガスを含む改質原料をさらに加熱する（図２中の矢印Ｂ）。これにより、改質原料の温度は、炭素析出することがなくなる領域（Ｃ未析出領域）に達することとなり、加熱工程を構成する機器や配管の壁面における炭素析出を防止し得るものとなる。

次に、燃料電池システムは、加熱工程と改質器１４との間において、第１加熱器１３で高温化した改質原料に酸素含有ガスを混合するので、改質原料の温度が若干下がるものの（図２中の矢印Ｃ）、予め高温化した改質原料と酸素含有ガスとを改質器１４に導入することから、改質器１４の入口温度が高く維持され、炭素析出も生じることなく改質器１４に充分な熱が供給されることになる。

これに対して、比較例（従来例）は、改質原料を循環ガスで加熱するだけであるから、炭素析出を回避するための加熱上限温度があり、炭素析出が生じない温度まで改質原料を加熱する（図２中の矢印ａ）。そして、加熱工程と改質器との間において、改質原料に循環ガス及び空気を混合するので、循環ガスの熱により改質原料の温度が上昇するが（図２中の矢印ｂ）、空気により温度上昇が低く抑えられる。

このため、比較例では、本発明に比べて改質器の入口温度が大幅に低いものとなる。このように、改質温度が低くなると、断熱下で（断熱型改質器で）改質を行うには酸素を多量に導入する必要があり、その結果、発電効率を高めることが困難になる。

このように、上記実施形態で説明した燃料電池システム及びその運転方法は、比較例との対比から明らかなように、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器１４に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現すると共に、改質器１４での酸素供給量を低減することができるので、結果として、発電効率を高めることができる。

このような燃料電池システムは、車載用の電源システム、すなわちガソリンや軽油などの高級炭化水素燃料を使用し、急速起動を実現するために低熱容量化が容易な断熱型改質器（１６）を用いる必要があり、このほか、水を多量に貯蔵することが難しいなどの制約がある車載用の電源システムとして非常に有用なものとなる。

次に、図３〜図６に基づいて、本発明の燃料電池システムの第２〜第５の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下の実施形態の図面では、改質原料供給源（１１）及び酸素含有ガス供給源（２１）を省略している。

〈第２実施形態〉
図３に示す燃料電池システムは、第１実施形態と同等の基本構成を備えると共に、改質器１４に導入する酸素含有ガスを加熱する第２加熱器１５を備えている。第２加熱器１５は、第１加熱器１３と同様に図示しない加熱源を備えている。これらの加熱器１３，１５には、夫々専用の加熱源、若しくは共用の加熱源を用いることができる。

上記の燃料電池システムは、前記改質器１４に、第１加熱器１３で加熱した改質原料と、第２加熱器１５で加熱した酸素含有ガスとを導入することとなる。これにより、燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器１４に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現し、さらに、酸素含有ガスをも加熱するので、加熱工程と改質器１４との間において、改質原料の温度低下（図２中の矢印Ｃ）が抑制又は解消され、改質器１４の入口温度を高く維持して、改質効率のさらなる向上に貢献することができる。

なお、上記の燃料電池システムでは、気化後の改質原料や燃料電池ＦＣからのアノード排ガスは比較的高温である。このため、これらのガスをさらに加熱するには、さらなる高温の加熱源が必要となり、加熱器の熱交換量が大きくなる。しかし、上記実施形態のように、第２加熱器１５により、外部から取り込む空気（酸素含有ガス）を加熱するのは、高温熱源を用いなくても比較的容易に行えるので、第１及び第２の加熱器１３，１５のトータルのサイズを低減しつつ且つ必要な改質熱を供給することができる。

〈第３実施形態〉
図４に示す燃料電池システムは、第１実施形態と同等の基本構成を備えると共に、第１加熱器１３の熱源が、燃料電池ＦＣから排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスの少なくとも一方である構成としている。図示例の燃料電池システムは、第１加熱器１３に熱交換器１６が設けてあり、この熱交換器１６に燃料電池ＦＣから排出されたカソード排ガスを導入する構成である。

また、上記の燃料電池システムは、図中仮想線で示すように、酸素含有ガスを加熱する第２加熱器１５を備えた構成としても良く、この場合、第１加熱器１３及び第２加熱器１５の少なくとも一方の熱源が、燃料電池ＦＣから排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスの少なくとも一方である構成にすることができる。

上記の燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器１４に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現し、さらに、燃料電池ＦＣ自体が高温で動作するので、その熱を改質原料の加熱及び改質の熱源として利用することで、簡易なシステム構成で改質器１４に充分な熱を供給することができる。

また、上記の燃料電池システムは、第２加熱器１５を備えた構成とし、その熱源をアノード排ガス及びカソード排ガスの少なくとも一方とすることで、簡易なシステム構成でありながら、第２実施形態と同様に、改質効率のさらなる向上に貢献し得るものとなる。

〈第４実施形態〉
図５に示す燃料電池システムは、第１実施形態と同等の基本構成を備えると共に、燃料電池ＦＣから排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合燃焼させる燃焼器１７を備えており、燃焼器１７が、第１加熱器１３の熱源である構成としている。より正確には、燃焼器１７で発生した燃焼ガスが熱源である。なお、燃焼器１７には、酸素含有ガスを導入しても良いが、カソード排ガスを利用することで熱効率が著しく高められる。

また、上記の燃料電池システムは、図中仮想線で示すように、酸素含有ガスを加熱する第２加熱器１５を備えた構成としても良く、この場合、燃焼器１７が、第１加熱器１３及び第２加熱器１５の少なくとも一方の熱源である構成にすることができる。

上記の燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器１４に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現し、さらに、燃焼器１７で生じさせた高温の燃焼ガスを改質原料の加熱源としているので、簡易なシステム構成で改質器１４に充分な熱を供給することができる。また、高温の燃焼ガスを利用するので、加熱工程の各機器のサイズを極力小さくすることが可能になり、システム構成全体の小型軽量化にも貢献し得る。

また、上記の燃料電池システムは、第２加熱器１５を備えた構成とすることで、簡易なシステム構成でありながら、第２実施形態と同様に、改質効率のさらなる向上に貢献し得るものとなる。

〈第５実施形態〉
図６に示す燃料電池システムは、第１実施形態と同等の基本構成を備えると共に、改質器１４に導入する酸素含有ガスを加熱する第２加熱器１５と、燃料電池ＦＣから排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合燃焼させる燃焼器１７とを備えている。そして、燃料電池システムは、燃焼器１７が、第１加熱器１３及び第２加熱器１５の両方の熱源である構成としている。より正確には、燃焼器１７で発生した燃焼ガスが熱源である。

上記の燃料電池システムは、第１実施形態と同様に、加熱工程における炭素析出を防止しつつ、改質器１４に充分な熱を供給して改質効率の向上を実現し、第２実施形態と同様に、簡易なシステム構成でありながら、改質効率のさらなる向上に貢献し得る。しかも、上記の燃料電池システムは、第１及び第２の加熱器１３，１５と燃焼器１７とを一体化することで、システム構成の全体のサイズをより小型にすることができ、高温部が露わになる加熱器の表面積を小さくすることにより、熱損失を低減して、発電システムとして高効率な運転を実現することができる。

本発明に係わる燃料電池システムは、その構成が上記各実施形態に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において構成の細部を適宜変更することが可能である。

ＦＣ燃料電池
１３第１加熱器
１４改質器
１５第２加熱器
１６熱交換器
１７燃焼器

Claims

水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質する改質器と、
前記改質器で生成した改質ガスをアノードガスとし且つ酸素含有ガスをカソードガスとして発電を行う燃料電池と、
前記改質器の入口側に配置され且つ気化後の改質原料と前記燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合して加熱する第１加熱器と、
前記改質器に導入する酸素含有ガスを加熱する第２加熱器と、
前記燃料電池から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合燃焼させる燃焼器とを備え、
前記燃焼器が、第１加熱器及び第２加熱器の両方の熱源であると共に、
前記改質器に、第１加熱器で加熱した改質原料と第２加熱器で加熱した酸素含有ガスとを導入することを特徴とする燃料電池システム。
水蒸気改質反応と部分酸化反応とを併用して改質原料を改質する改質器と、前記改質器で生成した改質ガスをアノードガスとし且つ酸素含有ガスをカソードガスとして発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノード排ガス及びカソード排ガスを混合燃焼させる燃焼器とを備えた燃料電池システムを運転するに際し、
前記燃焼器を熱源として、気化後の改質原料と前記燃料電池から排出されたアノード排ガスの一部とを混合して加熱すると共に、前記改質器に導入する酸素含有ガスを加熱した後、加熱した改質原料と加熱した酸素含有ガスとを前記改質器に導入することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。