JPWO2016174738A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池(1)は、コンプレッサ(43)により送られる空気と、燃料収容部(3)から燃料ポンプ9により送られる燃料とが供給されて発電する。燃料は、改質器(17)で改質されて燃料電池(1)に供給される。空気は、酸化剤加熱器(49)によって昇温される。酸化剤加熱器(49)には、燃料収容部(3)の液体燃料(5)が液体燃料配管(35)を通して供給され、燃料収容部(3)の液体燃料(5)が蒸発した燃料蒸気が、燃料蒸気配管(53)を通して供給される。

Description

本発明は、燃料電池に燃料及び酸化剤を供給して発電させる燃料電池システムに関する。
燃料タンク内で発生した燃料蒸気を、キャニスタで吸着、離脱させて燃料蒸気改質器に流入さることで、燃料蒸気を燃料電池の燃料として使用する技術が知られている(特許文献1)。
特開2000−192863号公報
しかし、燃料タンク内で気化した燃料(燃料蒸気)は、そのままでは燃料タンクに燃料を補給するときなどに燃料補給口から外部に放出されてしまい、エネルギを含んだ燃料蒸気が無駄になる。
そこで、本発明は、燃料を液体状態で収容する燃料収容部内で発生した燃料蒸気を有効利用することを目的としている。
本発明は、燃料収容部の液体燃料が蒸発して発生した燃料蒸気を酸化剤加熱器へ流す燃料蒸気配管を有する。
本発明によれば、燃料収容部内で発生した燃料蒸気は、燃料蒸気配管を通して酸化剤加熱器に供給され、酸化剤加熱器で燃焼することによって、酸化剤の加熱に有効利用できる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。 図2は、図1で使用する気化器、熱交換器及び触媒燃焼器の簡素化した断面図である。 図3は、図1で使用する起動燃焼器の簡素化した断面図である。 図4は、本発明の第2の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。 図5は、本発明の第3の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。 図6は、本発明の第4の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。 図7は、本発明の第5の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。 図8は、本発明の第7の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。 図9は、図8で使用する熱交換器及び触媒燃焼器の簡素化した断面図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。固体酸化物形燃料電池(SOFC、以下、単に燃料電池という。)1は、燃料である水素及び、酸化剤である空気が供給されて発電する。
燃料は、燃料収容部としての燃料タンク3内に液体燃料5として液体状態で収容される。液体燃料5としては、メタノールやエタノールなどのアルコール類、ガソリン、軽油などが使用される。
燃料電池1と燃料タンク3とを接続する燃料配管7には、上流に位置する燃料タンク3側から順に、燃料ポンプ9、第1燃料熱交換器11、気化器13、第2燃料熱交換器15、改質器17がそれぞれ配置される。
燃料ポンプ9は、燃料タンク3内の液体燃料5を第1燃料熱交換器11に送り込む。第1燃料熱交換器11は、燃料ポンプ9により送り込まれた液体燃料を、燃料電池1から排出される排気の熱によって加熱し昇温させる。排気は燃料電池1から排気管19を通して第1燃料熱交換器11に流入する。
気化器13は、第1燃料熱交換器11から流入する液体燃料を気化させる。気化器13は、図2に示すように、液体燃料をノズル21により気化器13内に吐出し、その際空気導入管23から空気を流すことで、ノズル21が吐出した燃料を噴霧化する。さらに、気化器13は、図1では省略しているが、排気管19を流れる排気によって噴霧化された燃料を加熱する。
第2燃料熱交換器15は、気化器13から流入する気化した燃料を、電気ヒータ25を備える燃料加熱器としての触媒燃焼器27により加熱して昇温させる。触媒燃焼器27には、前述した排気管19が接続され、排気管19を流れる排気が導入されて触媒燃焼して昇温される。昇温した排気は、気化器13及び第1燃料熱交換器11にて燃料に熱を与える。
触媒燃焼器27の構造を、第2燃料熱交換器15と共に図2に簡素化して示す。触媒燃焼器27は、第2燃料熱交換器15と共に触媒燃焼室29内に収容される。なお、図2は、図1に対し、第2燃料熱交換器15と触媒燃焼器27との位置関係が上下逆となっている。触媒燃焼器27は、前述した電気ヒータ25と、触媒31と、スパークプラグ33とを備えている。
電気ヒータ25は、液体燃料配管35を経てノズル37に供給される液体燃料を加熱する。液体燃料配管35は、図1に示すように燃料タンク3に接続され、触媒燃焼器27側に第1液体燃料ポンプ39を備えている。第1液体燃料ポンプ39によってノズル37に液体燃料が供給される。スパークプラグ33は、ノズル37から吐出される液体燃料に点火する。触媒31は、点火された液体燃料を、排気管19から流れ込む排気とともに触媒燃焼させて、第2燃料熱交換器15で燃料と熱交換させる。
電気ヒータ25は燃料電池システムの起動時に作動し、高温の排気が存在していない段階から燃料電池1に供給する燃料を触媒燃焼器27により加熱する。このため、触媒燃焼器27に液体燃料を供給する第1液体燃料ポンプ39も燃料電池システムの起動時に作動する。
改質器17は、第2燃料熱交換器15から流入する昇温した燃料を改質して水素を生成する。生成された水素は燃料電池1の正極に供給される。
燃料電池1に供給する空気が流れる空気配管41には、上流側から順に、コンプレッサ43、空気流量調整バルブ45、空気熱交換器47、酸化剤加熱器としての起動燃焼器49がそれぞれ配置される。
コンプレッサ43で加圧した空気は、空気流量調整バルブ45で流量が調整された後、空気熱交換器47に送られる。空気熱交換器47は、第1燃料熱交換器11から延びる前述した排気管19が接続され、排気管19を流れる排気によって空気を加熱し昇温させる。空気熱交換器47から排出される排気は、排気マフラ50を経て外部に排出される。すなわち、排気管19には、燃料電池1側から順に、触媒燃焼器27、気化器13、第1燃料熱交換器11、空気熱交換器47、排気マフラ50がそれぞれ配置される。
起動燃焼器49は、電気ヒータ51を備え、空気熱交換器47から流入する空気を加熱して昇温させる。起動燃焼器49と燃料タンク3とは、燃料蒸気配管53により互いに接続している。燃料タンク3内の液体燃料5が蒸発して発生した燃料蒸気が、燃料蒸気配管53を通して起動燃焼器49に供給される。すなわち、燃料蒸気配管53は、燃料タンク3の液体燃料5が蒸発して発生した燃料蒸気を起動燃焼器49へ流す。
起動燃焼器49の構造を図3に簡素化して示す。起動燃焼器49は、空気導入室55と燃焼室57とを有し、空気導入室55には、前述した電気ヒータ51を収容している。燃料タンク3の液体燃料は、前述した液体燃料配管35を経て液体燃料ノズル59に供給される。
液体燃料ノズル59には、図1に示す第2液体燃料ポンプ61によって液体燃料が供給される。第2液体燃料ポンプ61は、前述した第1液体燃料ポンプ39の下流側の端部の液体燃料配管35に設けてある。電気ヒータ51によって加熱された液体燃料は、燃焼室57に吐出される。
電気ヒータ51は燃料電池システムの起動時に作動し、高温の排気が存在していない段階から燃料電池1に供給する空気を起動燃焼器49により加熱する。このため、起動燃焼器49に液体燃料を供給する第2液体燃料ポンプ61も燃料電池システムの起動時に作動する。
さらに、燃焼室57の液体燃料が吐出される部位付近には、燃料蒸気ノズル63から燃料蒸気が吐出される。燃料蒸気ノズル63は、前述した燃料蒸気配管53に接続されている。
燃焼室57の液体燃料及び燃料蒸気が吐出される部位付近には、スパークプラグ65を設置している。スパークプラグ65は、液体燃料ノズル59から吐出される液体燃料及び、燃料蒸気ノズル63から吐出される燃料蒸気に点火して燃焼させる。
空気熱交換器47から起動燃焼器49の空気導入室55に導入される空気は、燃焼室57内の図示しない配管を通過することで加熱されて昇温する。昇温した空気は、燃料電池1の負極に供給され、別途燃料配管7を経て正極に供給される燃料と共に、燃料電池1の発電に供される。
本実施形態は、燃料側の触媒燃焼器27及び空気側の起動燃焼器49は、いずれも燃料電池システムの起動時に作動する。これにより、燃料電池システムの起動時から、燃料及び空気を加熱して昇温する。定常運転温度が650℃〜800℃である固体酸化物形の燃料電池1は、供給される空気及び燃料の昇温が必要であり、燃料電池システムの起動時に触媒燃焼器27及び起動燃焼器49が作動することで、安定した運転ができる。
本実施形態は、燃料タンク3内で液体燃料5が蒸発して発生した燃料蒸気は、燃料蒸気配管53を起動燃焼器49に向けて流れて起動燃焼器49に供給される。このため、起動燃焼器49を燃焼させる際には、燃料タンク3内の液体燃料5だけではなく、燃料タンク3内で液体燃料5が蒸発して発生した燃料蒸気も燃焼用に使用している。
このため、燃料タンク3内で発生した燃料蒸気の外部への放出を抑制して燃料蒸気を有効利用できる。燃料蒸気を有効利用することで、液体燃料5の節約につながる。また、起動燃焼器49の燃焼用に燃料蒸気を利用することで、燃焼用に液体燃料を全量使用する場合に比較して、液体燃料の気化に必要な電力が少なくて済む。起動燃焼器49の温度上昇もより短時間でなされ、燃料電池システムの起動時間を短縮できる。
[第2の実施形態]
図4は、本発明の第2の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。第2の実施形態は、第1の実施形態に対し、燃料蒸気配管53に流量調整部としての流量調整バルブ67を設置している。流量調整バルブ67によって、燃料蒸気配管53を流れる燃料蒸気の流量を調整する。その他の構成は、第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。
流量調整バルブ67は、燃料電池システムの起動時に開放し、その後、図示しない制御装置によって開度を変化させることで、起動燃焼器49への燃料蒸気の供給量を調整する。起動後、燃料電池1が安定して運転できるような一定時間経過した後に、流量調整バルブ67を閉じる。
第2の実施形態によれば、流量調整バルブ67によって起動燃焼器49への燃料蒸気の供給量を調整することで、燃料蒸気と燃焼に使用する液体燃料との割合を変更できる。これにより、起動燃焼器49の昇温に適する燃料蒸気の供給ができ、汎用性の高い燃料電池システムとすることができる。
[第3の実施形態]
図5は、本発明の第3の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。第3の実施形態は、第1の実施形態に対し、燃料蒸気配管53に燃料蒸気移送部としての燃料蒸気ポンプ69を設置している。燃料蒸気ポンプ69によって、燃料蒸気配管53を流れる燃料蒸気を起動燃焼器49に移送して送り込む。その他の構成は、第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。
第3の実施形態によれば、燃料タンク3及び起動燃焼器49の双方の内部圧力の状況に関わらず、燃料タンク3内の燃料蒸気を、燃料蒸気ポンプ69を用いることでより安定して起動燃焼器49に供給できる。起動燃焼器49に安定して燃料蒸気を供給することで、燃料蒸気の有効利用、燃料電池システムの起動時間の短縮及び、液体燃料5の節約をより安定的に実現できる。
[第4の実施形態]
図6は、本発明の第4の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。第4の実施形態は、図5に示した第3の実施形態に対し、燃料蒸気ポンプ69の上流側の燃料蒸気配管53、つまり燃料タンク3と燃料蒸気ポンプ69との間の燃料蒸気配管53に、キャニスタ71を設置している。
キャニスタ71は、活性炭を容器に入れたもので、燃料蒸気配管53内の燃料蒸気の吸着及び、吸着した燃料蒸気の離脱を行う燃料保持部を構成している。その他の構成は、第3の実施形態と同様であり、第3の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。
キャニスタ71は、燃料タンク3内で発生した燃料蒸気を燃料蒸気配管53内で吸着する。燃料電池システムの起動時に、燃料蒸気ポンプ69を作動させることで、図示しない大気取り入れ口からキャニスタ71内に空気を導入する。導入した空気が活性炭周囲を流れることで、吸着した燃料蒸気の離脱を行う(エアパージ)。
第4の実施形態は、キャニスタ71に吸着させた燃料蒸気を離脱させて起動燃焼器49に供給することで、起動燃焼器49で使用する燃料蒸気の濃度を高めることができる。燃料蒸気の濃度が高まることで、その分液体燃料の使用量を減少させることができ、液体燃料の節約効果がより一層高まり、起動時間の短縮も図れる。
[第5の実施形態]
図7は、本発明の第5の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。第5の実施形態は、図6に示した第4の実施形態に対し、燃料蒸気の濃度を検出する濃度検出器73と、起動燃焼器49に供給する燃料蒸気の量を制御する制御装置75とを設けている。
濃度検出器73は、燃料蒸気ポンプ69とキャニスタ71との間の燃料蒸気配管53に設けられ、燃料蒸気配管53内の燃料蒸気の濃度を検出する。制御装置75は、濃度検出器73が検出した燃料蒸気の濃度信号を取り込み、燃料蒸気濃度に応じて、燃料蒸気ポンプ69及び起動燃焼器49の電気ヒータ51の作動を制御する。
この場合、制御装置75と燃料蒸気ポンプ69とで、起動燃焼器49に供給する燃料蒸気の量を制御する燃料蒸気量制御部を構成している。燃料蒸気量制御部は、濃度検出器73によって検出された燃料蒸気の濃度に応じて、濃度検出器73の下流側の燃料蒸気配管53に流れる燃料蒸気の量を制御する。その他の構成は、図6の第4の実施形態と同様であり、第4の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。
第5の実施形態は、濃度検出器73が燃料蒸気の濃度を検出することにより、制御装置75が燃料蒸気濃度に応じた燃料蒸気の供給量を計算する。燃料蒸気濃度が高ければ、制御装置75は、燃料蒸気ポンプ69の駆動力を増大させ、高い燃料蒸気濃度に応じた多量の燃料蒸気を起動燃焼器49に送り込むよう制御する。逆に、燃料蒸気濃度が低ければ、制御装置75は、燃料蒸気ポンプ69の駆動力を低下させ、低い燃料蒸気濃度に応じた少量の燃料蒸気を起動燃焼器49に送り込むよう制御する。
空気に対して同等の昇温を行うとして、燃料蒸気濃度が高い場合には、その分液体燃料の供給量が少なくて済む。制御装置75は、液体燃料に比較して着火しやすい燃料蒸気の濃度が高い場合には、電気ヒータ51の使用電力量が少なくなるよう制御する。逆に、燃料蒸気濃度が低い場合には、その分液体燃料の供給量が多く必要となる。制御装置75は、燃料蒸気濃度が低い場合には、電気ヒータ51の使用電力量が多くなるよう制御する。
このように、第5の実施形態は、燃料蒸気ポンプ69や電気ヒータ51は、燃料蒸気濃度に応じて最適に制御されて、効率よく作動し、起動燃焼器49で使用する液体燃料の節約と起動時間の低減に寄与することができる。
なお、燃料蒸気量制御部として、第5の実施形態では制御装置75と燃料蒸気ポンプ69とを備える構成としている。図4の第2の実施形態における流量調整バルブ67を、濃度検出器73の検出濃度に応じて制御装置75が開度制御する構成とすることで、制御装置75と流量調整バルブ67とで燃料蒸気量制御部を構成することになる。
[第6の実施形態]
本発明の第6の実施形態として、前述した図5〜図7及び後述する図8に示した各実施形態で使用している燃料蒸気ポンプ69が、燃料蒸気配管53内の圧力を下げる機能を備えるものとする。その他の構成は、図5〜図8に示す各実施形態と同様である。
燃料蒸気ポンプ69が燃料蒸気配管53内の圧力を下げることで、燃料タンク3内の液体燃料5が蒸発しやすくなって燃料蒸気の量が増え、燃料蒸気の濃度を高めることができる。液体燃料に比較して着火しやすい燃料蒸気の量が増えることで、その分燃焼に使用する液体燃料の量を減らすことができ、電気ヒータ51の使用電力量が少なくて済む。
[第7の実施形態]
図8は、本発明の第7の実施形態に係わる燃料電池システムの全体構成図である。第7の実施形態は、図7に示した第5の実施形態に対し、燃料蒸気配管53内の燃料蒸気を、燃料加熱器となる触媒燃焼器27にも供給する構成としている。すなわち、燃料蒸気配管53は、燃料タンク3の液体燃料5が蒸発して発生した燃料蒸気を触媒燃焼器27へ流す。
燃料蒸気ポンプ69と濃度検出器73との間の燃料蒸気配管53と、触媒燃焼器27とを、燃料蒸気配管77で接続し、燃料蒸気配管77に燃料蒸気ポンプ79を設置する。制御装置75は、触媒燃焼器27の電気ヒータ25の作動を制御する。
図9は、図2の気化器13を省略した図に対応するもので、触媒燃焼器27の構造を、第2燃料熱交換器15と共に簡素化して示す。図9は、図2に対し、燃料蒸気配管77に接続される燃料蒸気ノズル81を備える。燃料蒸気ノズル81は、ノズル37が液体燃料を吐出する部位付近の触媒燃焼室29内に向けて燃料蒸気を吐出する。その他の構成は、第5の実施形態と同様であり、第5の実施形態と同一の構成要素には同一符号を付してある。
第7の実施形態の触媒燃焼器27は、液体燃料がノズル37により供給されるとともに、燃料蒸気が燃料蒸気ノズル81により供給されて燃焼する。すなわち、燃料電池システムの起動時に、空気の昇温だけでなく、改質器17での燃料の改質に必要な液体燃料の気化熱の確保にも、燃料蒸気を利用している。
このため、空気側に加えて燃料側も含めた燃料電池システム全体での燃料蒸気の有効利用及び、燃料電池システムの起動時間の短縮を達成でき、液体燃料5の節約も燃料電池システム全体で達成できる。
[第8の実施形態]
本発明の第8の実施形態として、燃料タンク3内の燃料蒸気を活用するタイミングを、起動時以外の定常運転時や停止処理時やアイドル待機時などにも拡大する。その際、起動燃焼器49と触媒燃焼器27との少なくとも一方に、燃料タンク3内の燃料蒸気を供給する。
起動燃焼器49及び触媒燃焼器27は、燃料電池システムの起動時だけでなく通常運転時などでも、燃料電池1へ供給する空気や改質のための燃料は昇温を必要としている。この場合、空気や燃料を昇温する際の熱源として燃料電池1からの排出ガスを利用することもできるが、排出ガスの熱量不足や、燃料電池1の運転状況に応じて排出ガスの温度や流量が変動することがある。
その際、燃料を燃焼させることで安定した熱源となるが、熱源として全量を液体燃料とするよりも、燃料タンク3内の燃料蒸気を利用することで液体燃料を節約できる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含む。
上記した第1〜第8の各実施形態は、複数の実施形態同士を組み合わせることができる。例えば、図4に示す第2の実施形態の流量調整バルブ67と、図5に示す第3の実施形態の燃料蒸気ポンプ69との双方を備えるものでもよい。また、図4に示す第2の実施形態の流量調整バルブ67と、図6に示す第4の実施形態のキャニスタ71との双方を備えるものでもよい。さらに、流量調整バルブ67と燃料蒸気ポンプ69とキャニスタ71との三つを備えるものでもよい。
本発明は、燃料電池に燃料及び酸化剤を供給して発電させる燃料電池システムに適用される。
1 固体酸化物形燃料電池(燃料電池)
3 燃料タンク(燃料収容部)
17 改質器
27 触媒燃焼器(燃料加熱器)
49 起動燃焼器(酸化剤加熱器)
53,77 燃料蒸気配管
67 流量調整バルブ(流量調整部)
69 燃料蒸気ポンプ(燃料蒸気移送部、燃料蒸気量制御部)
71 キャニスタ(燃料保持部)
73 濃度検出器
75 制御装置(燃料蒸気量制御部)
本発明は、燃料収容部の液体燃料が蒸発して発生した燃料蒸気を酸化剤加熱器又は燃料加熱器へ流す燃料蒸気配管を有する。
本発明によれば、燃料収容部内で発生した燃料蒸気は、燃料蒸気配管を通して酸化剤加熱器又は燃料加熱器に供給され、酸化剤加熱器又は燃料加熱器で燃焼することによって、酸化剤又は燃料の加熱に有効利用できる。
電気ヒータ51は燃料電池システムの起動時に作動し、高温の気が存在していない段階から燃料電池1に供給する空気を起動燃焼器49により加熱する。このため、起動燃焼器49に液体燃料を供給する第2液体燃料ポンプ61も燃料電池システムの起動時に作動する。

Claims (8)

  1. 燃料及び酸化剤が供給されて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に供給される燃料を液体状態で収容する燃料収容部と、
    前記燃料電池に供給される酸化剤を加熱する酸化剤加熱器と、
    前記燃料収容部と前記酸化剤加熱器とを接続し、前記燃料収容部の液体燃料が蒸発して発生した燃料蒸気を前記酸化剤加熱器へ流す燃料蒸気配管と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記酸化剤加熱器は、燃料電池システムの起動時に作動す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。
  3. 燃料及び酸化剤が供給されて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に供給される燃料を液体状態で収容する燃料収容部と、
    前記燃料収容部から前記燃料電池に供給される燃料を加熱する燃料加熱器と、
    前記燃料加熱器によって加熱された燃料を改質して前記燃料電池に供給する水素を生成する改質器と、
    前記燃料収容部と前記燃料加熱器とを接続し、前記燃料収容部の液体燃料が蒸発して発生した燃料蒸気を前記燃料加熱器へ流す燃料蒸気配管と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
  4. 前記燃料蒸気配管に、当該燃料蒸気配管内の燃料蒸気の流量を調整する流量調整部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料蒸気配管に、当該燃料蒸気配管内の燃料蒸気を移送する燃料蒸気移送部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料蒸気配管に、当該燃料蒸気配管内の燃料蒸気の吸着及び、吸着した燃料蒸気の離脱を行う燃料保持部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料蒸気配管内の燃料蒸気の濃度を検出する濃度検出器と、
    前記濃度検出器によって検出された燃料蒸気の濃度に応じて、前記濃度検出器の下流側の燃料蒸気配管に流れる燃料蒸気の量を制御する燃料蒸気量制御部と、を備えていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料蒸気移送部は、前記燃料蒸気配管内の圧力を下げる機能を有することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
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