(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料から水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、前記燃料ガスの供給をうけて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の排ガスの一部を前記燃料ガス生成部に還流させる排ガス循環装置と、
前記還流排ガスによる高温雰囲気中に液体燃料を供給して気化させる燃料気化器とを設けた燃料電池システムにおいて、
前記排ガス循環装置として、燃料電池の排ガスを燃料ガス生成部に導入する排ガス循環流路と、この排ガス循環流路の排ガスを圧送する循環ブロワとを設けると共に、
前記燃料気化器に燃料を噴射供給する燃料噴射部を設け、
前記燃料気化器を、前記循環ブロワよりも前記排ガスの流れに対して上流側に設け、燃料電池の排ガスを燃料気化器に直接導入するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記還流排ガスによる高温雰囲気中に水を供給して気化させる水供給装置を設けた燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水供給装置に、還流排ガス中に水を噴射供給する水噴射部を構成した燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料気化器と前記水供給装置を同一個所に設けた燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水の噴射供給部を、前記燃料噴射部よりも上流側に設けた燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２〜請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
還流排ガス中の水蒸気量を検出する水蒸気量検出装置を備えると共に、検出水蒸気量に応じて供給水量を制御するように構成した燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料気化器を、還流排ガス中に残存する未反応の液体燃料の蒸気量を検出する手段を備え、該検出燃料量に応じて供給燃料量を制御するように構成した燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池として固体酸化物燃料電池を備える燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排ガスとして燃料電池のアノード排ガスを用いる燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記排ガスとして燃料電池のカソード排ガスを用いる燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料ガス生成部として改質器を備えた燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料から生成した水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術とその解決すべき課題】
燃料電池は、水素あるいは炭化水素系ガスを燃料とし、酸素あるいは酸を含む空気を酸化剤として使用して電気化学的反応で発電する電池である。炭化水素系ガスを燃料として用いる場合には、一般的に炭化水素系燃料の一部あるいは全てを次式（１），（２）に示したような反応を用いて水素に改質して燃料電池の燃料極へ供給する。
【０００３】
ＣｎＨ２ｎ＋２＋ｎＨ２Ｏ→ｎＣＯ＋（ｎ＋２）Ｈ２  …  （１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  …  （２）
反応式（１）にも示されるように炭化水素系ガスの改質には水が必要であり、一方燃料電池はその発電の過程でＨ２Ｏを生成するためその排ガスには十分な水分が含まれている。そこで、システム全体での燃料ガスまたは酸化ガスを有効に使うために、排ガスを還流する燃料電池システムが検討されている。
【０００４】
例えば特開平１１−２３３１２９号公報に開示されたものでは、固体電解質型燃料電池発電システムにおいて、燃料電池のアノード排ガスの一部を供給燃料ガスと混合し、再循環系統内に設けられた再生熱交換器内で凝縮器通過後の低温の還流ガスとの熱交換によりいったん冷却し、さらに凝縮器内でも冷却して排ガス中の余分な水蒸気を凝縮分離してから燃料電池アノード入口に供給することにより、燃料電池起電力の低下を防ぎ、システム効率の向上を図っている。また、燃料ガスを循環するための循環ブロワを凝縮器通過後に設置し、循環ブロワの常温作動を可能にしている。
【０００５】
しかしながら、この燃料電池システムには次のような課題がある。すなわち、移動体に燃料電池システムを適用しようとする場合、燃料電池システムの容積はできる限り小さいことが重要であり、このことから燃料源はガスよりも液体であることが望ましい。この点、前記システムは液体に比べてエネルギー密度の小さいガスを燃料源として用いているので燃料貯蔵を含めた燃料電池システムの容積は液体のシステムに比べて大きくなり、そのままでは移動体への搭載に適さない。
【０００６】
これに対して、例えば特開２０００−１００４６２号公報に開示されているように、燃料電池の負荷に応じて液体燃料を蒸発器へ送り、液体燃料を気化して改質器へ供給する技術を併用することにより搭載性の問題を解決することが可能である。しかしながら、このように蒸発器内で燃料を液相気化しながら燃料電池または改質器へ燃料ガスを供給する方式では、移動体のように燃料電池の負荷変動が大きいシステムでは必ずしも充分な応答性が得られない。また、システム停止時も、蒸発器内の液体燃料の気化は止めることができず、システム停止後の気化燃料の処置を検討する必要がある。さらに、蒸発器内での燃料の液相気化によるコーキングも発生しやすく、蒸発器の性能劣化やシステムの効率低下が問題となる。本発明はこのような従来の問題点を解消した燃料電池システムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、液体燃料から水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成部と、前記燃料ガスの供給をうけて発電する燃料電池と、前記燃料電池の排ガスの一部を前記燃料ガス生成部に還流させる排ガス循環装置と、前記還流排ガスによる高温雰囲気中に液体燃料を供給して気化させる燃料気化器とを設ける。
【０００８】
前記排ガス循環装置は、燃料電池の排ガスを燃料ガス生成部に導入する排ガス循環流路と、この排ガス循環流路の排ガスを圧送する循環ブロワとを設けると共に、前記燃料気化器に燃料を噴射供給する燃料噴射部を設け、前記燃料気化器を、前記循環ブロワよりも前記排ガスの流れに対して上流側に設け、燃料電池の排ガスを燃料気化器に直接導入する構成とした。
【０００９】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記還流排ガスによる高温雰囲気中に水を供給して気化させる水供給装置を設けた。
【００１０】
第３の発明は、前記第２の発明の水供給装置に、還流排ガス中に水を噴射供給する水噴射部を構成した。
【００１１】
第４の発明は、前記第３の発明において、水の噴射供給部を、前記燃料噴射部と同一個所に設けた。
【００１２】
第５の発明は、前記第４の発明の水の噴射供給部を、前記燃料噴射部よりも上流側に設けた燃料電池システム。
【００１３】
第６の発明は、前記第２〜第５の発明の水供給装置を、還流排ガス中の水蒸気量を検出する水蒸気量検出装置を備えると共に、検出水蒸気量に応じて供給水量を制御するように構成した。
【００１４】
第７の発明は、前記第１〜第６の発明の燃料気化器を、還流排ガス中に残存する未反応の液体燃料の蒸気量を検出する手段を備え、該検出燃料量に応じて供給燃料量を制御するように構成した。
【００１５】
第８の発明は、前記第１〜第７の発明において、燃料電池として固体酸化物燃料電池を備える。
【００１６】
第９の発明は、前記第８の発明において、前記排ガスとして燃料電池のアノード排ガスを用いる。
【００１７】
第１０の発明は、前記第８の発明において、前記排ガスとして燃料電池のカソード排ガスを用いる。
第１１の発明は、前記第１〜第１０の発明において、燃料ガス生成部として改質器を備える。
【００１８】
【作用・効果】
前記第１の発明以下の各発明において、燃料電池から排出されるアノード排ガスまたはカソード排ガスは排ガス循環装置を介して燃料電池システムの燃料ガス生成部、例えば燃料電池のアノード部あるいは改質器
等に還流する。一方、燃料気化器では前記還流排ガスによる高温雰囲気中に液体燃料を噴射供給する。これにより燃料は速やかに気相気化して燃料電池または改質器へと供給される。このようにして、液体燃料を気相気化して供給するので、燃料電池の負荷の変化に対し良好な応答性が得られる。
【００１９】
一方、燃料気化器内で液体燃料は速やかに気相気化するので、液体燃料が直接に気化器内壁などの高温部分に触れるようなことことがなく、したがって液体燃料によるコーキングを防止することができ、気化する部位の性能劣化を抑えることができる。また、システム構成も簡易になり、コストを低減できる。
【００２０】
さらに、排ガス循環装置に強制循環の手段として循環ブロワを備えた構成において、排ガス流れに対してその上流側にて燃料気化器による燃料気化を行うので、循環ブロワでの燃料ガスおよび排気の温度を低減して、その耐熱仕様を低減でき、それだけ循環ブロワの信頼性向上やコストの低減を図ることができる。
【００２１】
第２の発明または第３の発明によれば、排ガス中に水を供給して水蒸気を生成するようにしたので、循環するガス中の水蒸気量の制御を実施することが可能となり、これにより改質器を用いた場合に改質器内において還流排ガスに含まれる水蒸気相当以上の燃料ガスの改質反応も効率良くおこなうことが可能となる。また、水の気化により、還流排ガスの温度が低下するので、循環ブロワの耐久性や信頼性をさらに向上させることができる。なお水はコーキングの問題を生じないので気相気化でなくてもよく、液体燃料が蓄積されることがない程度に水を微粒化しうる機構を備えればよい。例えば、アノードないしカソード排ガスの温度に耐え、耐還元性を有する鉄球のような材料を気化器内に内蔵した構造を適用することもできる。その一方、排ガス中に水を噴霧して気相気化とした場合には、燃料電池の負荷の変化に対する応答性を向上することができる。
【００２２】
さらに、第４の発明のように、水の噴射供給部を燃料気化器の燃料噴射部と一体とすることにより構造を簡素化しコンパクトにすることができ、コストを低減することができる。この構成において、水はガソリン等の炭化水素系液体燃料に比べて潜熱が大きいため、液体燃料よりも先に気化する方が安定して水を気化することができ、したがって第５の発明のように水の噴射供給部は燃料噴射部よりも上流側に設けることが望ましい。
【００２３】
さらに、第６の発明または第７の発明では、排ガス中の水蒸気量または燃料成分量に基づいて水または液体燃料の供給量を制御するものとしたので、水または燃料の供給量をシステム効率の点から最適の量に調整することができる。また、むだな燃料供給を回避できるのでシステム停止後の気化燃料の残留量が少なく、その処置が容易である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態において互いに共通する部分には同一の符号を付して示し、重複する説明は原則として省略することとする。
【００２５】
図１は本発明の第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成である。この実施形態による燃料電池システムは、水素あるいは炭化水素を燃料として発電する酸素イオン伝導タイプの固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）において、例えばガソリンのような炭化水素系液体燃料を燃料源として用い、燃料電池本体９で発電後の燃料排ガスの一部を、燃料気化器４を経由して、燃料電池アノード入口９ａへ還流させるようにしたものである。
【００２６】
供給燃料は液体の状態で燃料タンク１に貯蔵されており、燃料供給流路２からインジェクタ３へと供給され、燃料気化器４内に噴射される。また、燃料気化器４には燃料電池アノード出口９ｂからのアノード排ガスのうち、アノード排ガス循環流路１０を介して還流されるアノード排ガスが供給されており、燃料気化器４ではインジェクタ３から噴射された供給燃料と循環アノード排ガスが混合される。燃料噴霧は気相気化して混合燃料ガスとなり、燃料ガス供給流路５、循環ブロワ６を介して改質器７に供給される。
【００２７】
この燃料電池システムに用いた固体酸化物燃料電池は一般にアノード排ガスの温度が８００〜１０００℃と高温であるので液体燃料の気相気化は容易である。混合燃料ガスは、気相気化によって循環アノード排ガスよりも温度が低くなっているため、循環ブロワ６に高温の燃料や水蒸気が通過することはなく、循環ブロワ６の信頼性向上も期待できる。
【００２８】
水蒸気改質の場合、吸熱反応が行なわれるため、改質器７の温度は低下傾向となるが、カソード排ガスとアノード排ガスを混合し燃焼させる燃焼器１３の熱を利用することで、改質反応を効率良く行なわせることができる。改質された燃料ガスは、燃料ガス供給流路８を介して、燃料電池アノード入口９ａに供給されて発電に用いられ、未使用ガスと発電によって発生した水蒸気がアノード排ガスとして燃料電池アノード出口９ｂから排出される。
【００２９】
供給空気は、ブロワまたはコンプレッサ等からなる空気源１７を介して空気流路１６から供給され、空気予熱用交換器１４において燃焼器１３からの燃焼排ガス１５との熱交換により加熱され、燃料電池本体９の燃料電池カソード入口９ｃに供給されて発電に用いられ、未使用空気が燃料電池カソード出口９ｄより排出される。燃料電池カソード出口９ｄより排出されたカソード排ガスは、カソード排ガス流路１２を経て燃焼器１３に供給され、同時に燃料電池アノード出口９ｂからのアノード排ガスのうち、還流させない分のアノード排ガスと共に燃焼され、排ガスとして排出される。
【００３０】
図２に本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態では、前記第１の実施形態と同様に、液体の状態で燃料タンク１に貯蔵されている供給燃料を、燃料電池アノード出口９ｂからのアノード排ガスのうち、還流されるアノード排ガス中にインジェクタ３からの燃料噴霧を混合し、燃料電池に供給する。ただし、この実施形態においては、燃料電池本体９が内部改質型であり、燃料気化器４において混合された還流排ガスと供給燃料の混合燃料ガスが、循環ブロワ６を経て、直接燃料電池燃料ガス入口８ａに供給される。内部改質型の燃料電池の場合、改質反応により燃料電池の熱量が奪われるが、空気排ガスと燃料排ガスの燃焼によって発生した燃焼器１３によって熱量を補うことができる。
【００３１】
図３に本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態では、第１の実施形態と同様の燃料電池システムにおいて、燃料気化器４に水を噴射する構成を付加し、さらにアノード排ガス循環流路１０を経て燃料気化器４に供給される循環アノード排ガスの水蒸気量（ｍｏ１／ｓｅｃ）、および未使用燃料成分の残量を、例えば差圧式の水蒸気流量計１８または光学式湿度センサからなる燃料成分計１９等の検出装置により検出する構成を備える。
【００３２】
詳細には、水タンク２０に貯蔵された水は水供給流路２１を介してインジェクタ２２に供給され、燃料気化器４内に噴射される。燃料気化器４には燃料電池アノード出口９ｂからのアノード排ガスのうち、アノード排ガス循環流路１０を経て還流されるアノード排ガスが供給され、燃料気化器４ではインジェクタ３から噴射された燃料噴霧とインジェクタ２２から噴射された水噴霧（水蒸気）と循環アノード排ガスとが混合される。噴射された水は気化する際に循環アノード排ガスの熱量をいくらか奪うものの、燃料噴霧の気化を妨げるほどではない。
【００３３】
燃料気化器４内で混合された混合燃料ガスは、燃料ガス供給流路５、循環ブロワ６を経て改質器７に供給される。混合燃料ガスは、気相気化によって循環アノード排ガスよりも温度が低くなっているため、循環ブロワ６に高温の燃料や水蒸気が通過することはない。改質された燃料ガスは、燃料ガス供給流路８を経て燃料電池アノード入口９ａに供給されて発電に用いられ、未使用燃料ガスと発電によって発生した水蒸気はアノード排ガスとして燃料電池アノード出口９ｂから排出される。
【００３４】
ところで、燃料電池で用いる燃料の量は、その発電の化学反応式から燃料電池の出力負荷に相当する使用量を一義的に算出することができる。しかし、実際の燃料電池の運転では化学反応式から求められる燃料量よりも多くの燃料を供給する必要がある。この結果、一般に燃料電池アノード出口９ｂから排出されるアノード排ガスには未使用の燃料成分が含まれる。そこで、この実施形態では循環アノード排ガスに含まれる未使用燃料量を燃料成分計１９で計測し、燃料電池の負荷から求めた必要な燃料供給量に対する不足分をインジェクタ３で噴霧する制御を行なう。これにより、無駄な燃料を循環させることなく、燃料の利用効率を向上させることができる。また、むだな燃料の循環による配管内のコーキング等の不具合も解消される。また、ガソリン等の炭化水素系液体燃料を改質するには、前述したように改質する燃料相当の水蒸気が必要となる。そこで、循環アノード排ガス中に含まれる水蒸気量を水蒸気流量計１８で計測し、改質器７にて効率良く改質がなされるために必要な水蒸気の不足分をインジェクタ２２で噴霧する制御を行なう。この制御により、効率的な燃料の水蒸気改質をおこなうことができる。
【００３５】
このように燃料電池の負荷による燃料・水の供給量の制御を行なうことにより、燃料電池システムの効率を向上させることができる。図４に前記燃料・水供給量制御の概略的な手順を流れ図として示す。これはマイクロコンピュータおよびその周辺装置からなるコントローラ（図示せず）により周期的に実行される処理ステップを示している。以下、順を追って説明する。なお、以下の説明および図中の符号「Ｓ」は処理ステップを表している。
Ｓ１：
運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池に対する要求負荷を求める。
Ｓ２，Ｓ５：
燃料成分計１９と水蒸気流量計１８の信号から、それぞれアノード排ガス中の残留燃料量と水蒸気量を検出する。
Ｓ３，Ｓ６：
前記要求負荷と検出残留燃料量とから、図５に示したように予め設定されたマップを検索して燃料供給量を求めると共に、要求負荷と検出水蒸気量とから、図６に示したように予め設定されたマップを検索して水供給量を求める。
Ｓ４，Ｓ７：
前記検索した燃料量および水供給量をそれぞれインジェクタ３、インジェクタ２２から噴射供給する。
【００３６】
なお、この実施形態は、水噴射の構成を第１の実施形態付加したものとしてあるが、これに限らず水噴射の構成は第２の実施形態に適用することもできる。
【００３７】
図７に本発明の第４の実施形態を示す。この実施形態は、水素あるいは炭化水素を燃料として発電するプロトン伝導型の固体酸化物燃料電池において、カソード側から排出される高温の排ガスを還流させるものである。すなわち、ガソリンのような炭化水素系液体燃料を燃料源として使用し、燃料電池本体９で発電後のカソード排ガスの一部を、燃料気化器４を経由して、燃料電池アノード入口９ａへ還流させる。また、第３の実施形態と同様の水供給装置を備えている。
【００３８】
詳細には、燃料気化器４には燃料電池カソード出口９ｄからのカソード排ガスのうち、カソード排ガス循環流路２３を経て還流されるカソード排ガスが供給されており、燃料気化器４ではインジェクタ３から噴射された燃料とインジェクタ２２から噴射された水（水蒸気）と還流カソード排ガスとが混合される。このとき、プロトン伝導型の固体酸化物燃料電池のカソード排ガスは高温であり、液体燃料及び水の気相気化は容易であり、噴射された水は気化する際に循環カソード排ガスの熱量をいくらか奪うものの、噴霧された供給燃料の気化を妨げるほどではない。燃料気化器４内で混合された混合燃料ガスは、燃料ガス供給流路５、循環ブロワ６を経て改質器７に供給される。混合燃料ガスは、気相気化によって循環カソード排ガスよりも温度が低くなっているため、循環ブロワ６に高温の燃料や水蒸気が通過することはない。改質された燃料ガスは、燃料ガス供給流路８を経て、燃料電池燃料極９ａに供給されて発電に用いられ、アノード排ガスとして燃料電池燃料極出口９ｂから排出される。
【００３９】
空気源１７からの供給空気は空気流路１６から供給され、空気予熱用交換器１４において燃焼器１３からの燃焼排ガス１５との熱交換により加熱され、燃料電池本体９の燃料電池カソード入口９ｃに供給されて発電に用いられ、未使用空気は燃料電池カソード出口９ｄより排出される。燃料電池カソード出口９ｄより排出されたカソード排ガスの一部は、カソード排ガス循環流路２３を経て燃料気化器４へ供給されるが、残りはカソード排ガス流路１２を経て燃焼器１３に供給され、同時にアノード排ガス流路１１を経て燃焼器１３に供給されるアノード排ガスと共に燃焼され、排ガスとして排出される。
【００４０】
図８にこの実施形態における燃料・水供給量制御の概略的な手順を流れ図として示す。この実施形態の制御では、燃料供給量を運転負荷に基づいてオープンループ制御する一方、水供給量は水蒸気流量計１８からの信号に基づき最適量にフィードバックするようにしている。前記流れ図は図４と同様にマイクロコンピュータおよびその周辺装置からなるコントローラ（図示せず）により周期的に実行される処理ステップを示している。以下、順を追って説明する。
Ｓ１：
運転者によるアクセル操作量や移動速度から燃料電池に対する要求負荷を求める。
Ｓ２：
水蒸気流量計１８の信号からカソード排ガス中の水蒸気量を検出する。
Ｓ３，Ｓ５：
前記要求負荷から、図９に示したように予め設定されたマップを参照して燃料供給量を求めると共に、検出水蒸気量、図１０に示したように予め設定されたマップを参照して水供給量を求める。
Ｓ４，Ｓ６：
前記検索した燃料量および水供給量をそれぞれインジェクタ３、インジェクタ２２から噴射供給する。
【００４１】
この実施形態は改質器を燃料電池外に設けたシステムであるが、カソード排ガスを燃料気化器４を介して燃料電池本体９に循環させる構成は、第２の実施形態のように燃料電池の内部で改質を行う燃料電池システムにも適用することができ、例えば運転温度の高い内部改質型の燃料電池システムでは高温の排ガスが得られるので、カソード排気を還流させるプロトン伝導型燃料電池では燃料や水を気化させるうえで有利となる。
【００４２】
なお、前記改質器７としては、水蒸気改質型（ＳＲ）または部分酸化改質型（ＡＴＲ）の何れでも適用可能である。また、前記実施形態において改質器７の温度低下を補い、または供給空気を加熱するために燃焼器１３の熱を利用しているが、熱源はこれに限られるものではなく、改質器７の外部をバーナー等で加熱する方法や、燃料電池の温度を維持するために別に設けた熱源を利用する手法なども適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１の実施形態の概略構成図。
【図２】本発明による燃料電池システムの第２の実施形態の概略構成図。
【図３】本発明による燃料電池システムの第３の実施形態の概略構成図。
【図４】前記第３の実施形態における制御ルーチンを示す流れ図。
【図５】前記第３の実施形態の制御に用いる燃料供給量マップの説明図。
【図６】前記第３の実施形態の制御に用いる水供給量マップの説明図。
【図７】本発明による燃料電池システムの第４の実施形態の概略構成図。
【図８】前記第４の実施形態における制御ルーチンを示す流れ図。
【図９】前記第４の実施形態の制御に用いる燃料供給量マップの説明図。
【図１０】前記第４の実施形態の制御に用いる水供給量マップの説明図。
【符号の説明】
１    燃料タンク
２    燃料供給流路
３    燃料のインジェクタ
４    燃料気化器
５    燃料ガス供給流路
６    循環ブロワ
７    改質器
８    燃料ガス供給流路
９    燃料電池本体
９ａ  アノード入口
９ｂ  アノード出口
９ｃ  カソード入口
９ｄ  カソード出口
１０    排ガス循環流路
１２    カソード排ガス流路
１３    燃焼器
１４    空気予熱用熱交換器
１５    排気流路
１６    空気流路
１７    空気源
１８    水蒸気流量計
１９    残量燃料成分計
２０    水タンク
２１    水供給流路
２２    水のインジェクタ
２３    カソード排ガス循環流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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