JPH09231992A - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

燃料電池システムの運転方法

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JPH09231992A
JPH09231992A JP9021002A JP2100297A JPH09231992A JP H09231992 A JPH09231992 A JP H09231992A JP 9021002 A JP9021002 A JP 9021002A JP 2100297 A JP2100297 A JP 2100297A JP H09231992 A JPH09231992 A JP H09231992A
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fuel
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hydrogen
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Megede Detlef Dr Zur
ツール メゲデ デトレフ
Martin Dipl Phys Schuesler
シユスラー マルチン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池と、水素の豊富なガスを発生するた
めの改質装置と、改質装置内で必要とされる熱エネルギ
を発生するために燃料電池排出ガスが酸化されような燃
焼室と、から成る燃料電池システムの運転方法を提供す
る。 【解決手段】 燃焼室から改質装置へ供給される熱エネ
ルギが不十分であるような運転状態では、追加燃料と酸
素を改質装置に供給する方法が本発明に基づき提案され
ている。この結果改質装置内の燃料の直接酸化によって
追加熱エネルギが供給される。改質装置内の燃料酸化の
際に、水蒸気変成の際に利用可能な水蒸気が同時に発生
される。これによって水の消費量が低減され、またシス
テム全体の効率が改善される。追加燃料と供給酸素の調
整は、改質装置温度に基づき行うことが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、請求項１の上位概
念に基づく燃料電池システムの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】米国特許第４，９０４，５４８号から、
改質装置内で水蒸気変成を用いて液体メタノールと水か
ら水素の豊富なガスを発生しまたそれを燃料電池システ
ムの陽極に導く一般の燃料電池システムが公知である。
吸熱性の水蒸気変成に必要な熱エネルギは、燃焼室内で
陽極排出ガスの酸化および／または燃料によって発生さ
れ、改質装置に伝達される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、燃料
電池システム全体の効率を改善するための運転方法を提
供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明に基
づき請求項１の特徴によって解決される。
【０００５】改質装置内で直接燃料を酸化することによ
って、この燃料の水蒸気変成の際に発生する水蒸気を使
用できるという利点が提供される。これによって必要な
水量が低減される。さらに、水の気化に必要と思われる
熱エネルギが不必要になる。最後に、改質装置内で熱エ
ネルギを発生することによって、ガス発生装置の力学特
性が改善される。
【０００６】追加供給される燃料および酸素量を改質装
置の温度に基づき制御または調整することによって、水
蒸気変成を維持するために必要なまさにその燃料のみが
常に酸化されるので、燃料電池システム全体の効率をさ
らに高めることができる。
【０００７】より高い出力へ負荷が変化する際に、燃料
電池の水素消費は飛躍的に増加する。しかし改質装置に
よる水素生産は、力学的な限界があるためこの消費増加
に時間的に遅れる。したがって、この期間だけ陽極排気
ガス内の水素量は減少し、これは使用可能な熱エネルギ
の低下をもたらす。しかし水素消費の増加のため、まさ
にこの時点に熱需要が増加する。この理由から、このよ
うな負荷上昇の際に所定の期間の間追加燃料と追加酸素
とを改質装置に供給することが有効であり、これによっ
て熱供給の減少がバーナによって補償される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
【実施例】その他の利点と形態が下位請求項と説明とか
ら明らかとなる。本発明について、燃料電池システムの
原理的構造が示された図面を参考にして以下に詳細に説
明する。
【０００９】燃料電池システムは燃料電池１と改質装置
２とから成る。燃料電池１は陽極室３と陰極室４とを備
え、これらの室は陽子を導く膜５によって分離される。
陰極室４には、ライン６を介して酸素を含むガス例えば
空気が供給される。陽極室３は、ライン７を介して改質
装置２から水素を含むガスの供給を受ける。
【００１０】燃料電池１は単一セルとしてまたはいわゆ
る燃料電池スタックとして形成することができる。燃料
電池内では、反応原系内で結合される化学エネルギから
電気エネルギが放出される。このために水素が陽極３で
酸化され、酸素は陰極４で還元される。この電気化学的
反応の際に、電極間に電圧が発生する。多くのこのよう
なセルの並列または直列接続によって、車両駆動に十分
な電圧と電流強度を達成することができる。
【００１１】改質装置２は、熱伝導壁９によって燃焼室
１０から分離された反応室８から成る。反応室８には、
ライン１１−１３を介して酸素、水素および燃料が供給
される。実施例に基づき、空気の形態の酸素およびメタ
ノールＣＨ3 ＯＨの形態の燃料が供給される。しかし、
純粋な酸素または他の適切な燃料も使用することができ
る。空気、水および燃料の媒体は周囲温度で燃焼室１０
に供給され、このため水と燃料は液体状態にある。水ま
たは燃料の事前の気化は行われない。
【００１２】燃焼室１０は、ライン１４−１６を介して
陰極室４または陽極室３から空気または燃料電池排出ガ
スの供給を受ける。必要な場合には、陰極排出ガスは反
応室８内にもまたは外に直接導くことができる。燃焼排
出ガスは、もう１つのライン１７を介して燃焼室１０か
ら排出される。システム制御のために、制御装置２３に
よって制御される絞り弁１８−２２がライン６、１１−
１４内に配設されている。入力値として、特に燃料電池
１によって供給される電流ＩBZおよび改質装置２の温度
ＴRef が制御装置２３に供給される。
【００１３】改質装置２の反応室８内では、適切な触媒
による水を加えた水蒸気変成によって燃料から水素の豊
富なガスが発生される：
【数１】 ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ＝３Ｈ2 ＋ＣＯ2 （１） 燃料と水の供給量は、燃料電池１内で消費される水素量
に合わせられる。水素消費量は燃料電池内の発生電流Ｉ
BZに比例するので、制御装置３内で燃料電池電流ＩBZに
基づき燃料と水の必要量が測定され、また絞り弁２１、
２０を介して適切にその必要量を調整することができ
る。同時に制御装置２３では、陰極室４内で必要とされ
る空気量も測定され、また絞り弁１８を介して調整され
る。この場合注意すべきは、燃料電池が反応原系の余剰
によって通常作動されることである。例えば水素は本来
の置換量の１２０−１５０％が陽極３に供給される。し
たがって陽極排出ガス内にも、なお大きな水素部分が含
まれている。陰極排出ガスは余剰酸素を含み、また燃料
電池反応の際に発生される水を含む。
【００１４】陽極排出ガスは、ライン１６を介して改質
装置２の燃焼室１０に導かれ、ここで熱エネルギを放出
して反応する：
【数２】 ２Ｈ2 ＋Ｏ2 ＝２Ｈ2 Ｏ （２） 熱エネルギは、熱伝導の隔壁９を介して反応室８内に導
入され、そこで吸熱性の水蒸気変成に伴う熱需要を賄
う。燃焼室１０から反応室８内への熱エネルギのこの直
接導入の他に、熱伝達媒体を間挿することも可能であ
る。
【００１５】燃料電池排出ガスの燃焼から発生される熱
エネルギが、改質装置２の反応室８内の水蒸気変成を維
持するために十分であるような第１の運転状態Ｚ1 で
は、反応室８への空気の供給は絞り弁１１を閉鎖するこ
とによって阻止され、また燃料と水の必要量は、その時
点の燃料電池電流ＩBZにのみ基づき測定される。燃焼室
１０への追加空気の供給は、絞り弁２２によって常時可
能である。熱発生のために追加燃料が必要とされないの
で、この運転状態Ｚ1 は、すなわち所与の水素余剰にお
いて、既述した燃料電池システム全体の最善の効率を有
する。
【００１６】しかし実際には、燃焼室１０から反応室８
内に取り入れられる熱エネルギが吸熱性の水蒸気変成の
維持に十分でなければ、燃料の追加燃焼がしばしば必要
となる。特に発生する熱損失があまりに大きいかまたは
燃料電池１の水素余剰があまりに小さい場合に、このこ
とが当てはまる。さらにより高い出力への負荷変化の際
に、水蒸気変成反応の熱需要と、燃焼室１０内で利用可
能な水素余剰量との間に時間的なずれがあるため、熱エ
ネルギの不十分な供給を生じる場合がある。
【００１７】したがって、本発明に基づく方法では第２
の運転状態Ｚ2 が設けられ、この運転状態では追加燃料
Ｋ+ と相応する空気量Ｌ+ が反応室８内に導かれ、この
結果反応室で理想的に熱放出を行いながら、追加燃料Ｋ
+ の完全燃焼が行われる：
【数３】 ＣＨ3 ＯＨ＋１．５Ｏ2 ＝ＣＯ2 ＋Ｈ2 Ｏ （３） したがってこの第２の運転状態Ｚ2 では、両方の反応
（１）と（３）は互いに平行して経過する。これによっ
て、完全燃焼の際に発生する水蒸気を水蒸気変成の際に
使用することが可能になる。これによって、一方で適切
に絞り弁２０を制御することにより外部から供給される
水量をこの分だけ減らすことができ、システムの水消費
の減少が達成される。他方で、反応（２）による水が蒸
気形態ですでに存在するので、同時に必要エネルギも少
なくなり、この結果システム全体の効率も上昇する。
【００１８】第２の運転状態Ｚ2 で反応室８内に供給さ
れる空気量Ｌ+ は、追加供給燃料Ｋ+ の酸化にちょうど
十分な程度に選択される。したがって反応室８に供給さ
れる燃料の全体量は、第２の運転状態Ｚ2 では、水素発
生のために式（１）に従って必要とされる部分と、酸化
のために式（３）に従って必要とされる燃料Ｋ+ とから
構成される。これに対し第１の運転状態Ｚ1 では空気は
供給されず、また式（１）に従って必要とされる燃料部
分のみが反応室８内に供給される。追加燃料Ｋ+ と空気
量Ｌ+ は反応室８内の熱需要に調整される。したがって
これらは制御装置２３内で改質装置温度ＴRef の関数と
して測定され、また絞り弁２１、１９によって適切に調
整することができる。しかし追加燃料Ｋ+ と空気Ｌ+ の
固定設定量を供給することも可能であり、この場合温度
制御はもっぱら両方の運転状態Ｚ1 、Ｚ2 の間の変更に
よって行われる。
【００１９】温度ＴRef の他に、陽極排出ガス内の水素
量および／または瞬間的な必要負荷も、追加燃料Ｋ+ と
空気量Ｌ+ とを測定するための指標値として利用するこ
とができる。陽極排出ガス内の水素の物質量は、ライン
１６内の適切なセンサによって測定することができる。
例えば必要負荷はアクセルペダルポジションによって検
出される。しかし瞬間的負荷の代わりに、以前の時点ｔ
−△ｔから現在時点ｔまでの時間△ｔにおける負荷推移
も利用することができる。
【００２０】したがって上記の両方の運転状態Ｚ1 、Ｚ
2 の間の適切な切換えによって、不必要に大きな燃料消
費を避けることができる。さらに、追加的に必要な熱エ
ネルギが改質装置２の反応室８内で直接発生され、これ
によって水蒸気変成のために直ちにこの熱エネルギを利
用することができるので、本燃料電池システムの力学特
性が改善される。
【００２１】例えば両方の運転状態Ｚ1 、Ｚ2 の間の切
換えは、改質装置２の反応室８内の温度監視装置によっ
て行われる。反応室８内の温度ＴRef が下がると、第２
の運転状態Ｚ2 が作動する。温度レベルが十分であれ
ば、第１の運転状態Ｚ1 に切り換えられる。この場合、
対応するしきい値ＴS1＜＝ＴS2を切換工程のために設け
ることができ、この場合第２の運転状態Ｚ2 の作動開始
ＴS1または作動停止ＴS2の両方のしきい値を差別化する
ことができる。
【００２２】上述したように、より高い出力への負荷変
化の際に陽極排出ガス内の水素余剰が減るため、改質装
置温度ＴRef が低下すると予想される。したがって反応
室８内の温度低下を防止するために、より高い出力への
このような負荷変化を検出した場合に、設定時間ｔ２の
間第２の運転状態Ｚ2 に切り換えることができる。もち
ろん既述の切換基準を任意に組み合わせることもでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムの原理的構造である。
【符号の説明】
１ 燃料電池 ２ 改質装置 ３ 陽極室 ４ 陰極室 ５ 膜 ６、７ ライン ８ 反応室 ９ 熱伝導壁 １０ 燃焼室 １１−１７ ライン １８−２２ 絞り弁 ２３ 制御装置 ＩBZ 発生電流 ＴRef 改質装置温度

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 −それぞれ陽極室と陰極室とを有する燃
    料電池であって、陽極室には水素の豊富なガスが供給さ
    れまた陰極室には酸素を含むガスが供給されような燃料
    電池と、 −吸熱性の水蒸気変成によって燃料から水素の豊富なガ
    スを発生するための改質装置であって、周囲温度でまた
    水素の豊富なガスの必要量に基づき、燃料と水が改質装
    置の反応室に供給されるような改質装置と、 −燃焼室であって、該燃焼室内で燃料電池の排出ガスが
    酸素供給を受けて酸化され、この場合その際に発生され
    る熱エネルギは改質装置の反応室に供給されるような燃
    焼室と、から成る燃料電池システムの運転方法であっ
    て、 この場合燃料は改質装置の燃焼室内に供給されると共に
    追加熱エネルギを発生するために酸化されような方法に
    おいて、 第１の運転状態（Ｚ1 ）では、水蒸気変成のための熱エ
    ネルギがもっぱら燃焼室（１０）内の燃料電池排出ガス
    の酸化によって供給され、また燃焼室（１０）からの反
    応熱が不十分な第２の運転状態（Ｚ2 ）では、追加燃料
    （Ｋ+ ）と酸素量（Ｌ+ ）が改質装置（２）の反応室
    （８）に供給され、この場合運転状態（Ｚ1 、Ｚ2 ）の
    間の切換えは、改質装置温度と、負荷推移および／また
    は陽極排出ガス内の水素量とに基づき行われることを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記改質装置内の温度（ＴRef ）が検出
    されて所定の温度しきい値（ＴS1）と比較され、また該
    所定の温度しきい値（ＴS1）を下まわった場合、前記第
    ２の運転状態（Ｚ2 ）に切り換えられることを特徴とす
    る、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 第２の温度しきい値（ＴS2＜＝ＴS1）を
    上回った場合、前記第１の運転状態（Ｚ1 ）に戻って切
    り換えられることを特徴とする、請求項２に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 前記追加燃料（Ｋ+ ）と酸素量（Ｌ+ ）
    が、改質装置温度（ＴRef ）の関数として測定されるこ
    とを特徴とする、請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記追加燃料（Ｋ+ ）と酸素量（Ｌ+ ）
    が、陽極排出ガス内の水素の物質量および／または瞬間
    的に必要な負荷の関数として測定されることを特徴とす
    る、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記追加燃料（Ｋ+ ）と酸素量（Ｌ+ ）
    が、以前の時点（ｔ−△ｔ）から現在時点（ｔ）までの
    時間（△ｔ）における負荷推移の関数として測定される
    ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 より高い出力へ負荷が変化する際に、所
    定の時間（ｔ２）の間、前記第２の運転状態（Ｚ2 ）が
    作動されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記供給水量が前記第２の運転状態（Ｚ
    2 ）で低減されることを特徴とする、請求項１に記載の
    方法。
JP9021002A 1996-02-14 1997-01-20 燃料電池システムの運転方法 Pending JPH09231992A (ja)

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DE19605404.4 1996-02-14
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