(57)【要約】【課題】  固体高分子型の燃料電池に要求される発電電力に応じて改質ガスの流量を自動的に調整できるシステムの提供。【解決手段】  この燃料電池システムの主要構成は、原料ガスを水蒸気改質して得られた水素リッチな改質ガスを固体高分子型の燃料電池４に供給するようにした燃料電池システムであり、燃料を燃焼して水蒸気を発生する水蒸気発生手段１と、水蒸気発生手段１からの水蒸気流中に原料ガスを吸引して原料−水蒸気混合物を得る吸引混合手段２と、前記原料−水蒸気混合物を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質手段３と、前記燃料電池４に要求される発電電力に応じて前記水蒸気発生手段１の燃料供給量を制御する制御手段２７を備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを水蒸気改質して得られた水素リッチな改質ガスを固体高分子型の燃料電池４に供給するようにした燃料電池システムにおいて、
燃料を燃焼して水蒸気を発生する水蒸気発生手段１と、
水蒸気発生手段１からの水蒸気流中に原料ガスを吸引して原料−水蒸気混合物を得る吸引混合手段２と、
前記原料−水蒸気混合物を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質手段３と、
前記燃料電池４に要求される発電電力に応じて前記水蒸気発生手段１の燃料供給量を制御する制御手段２７を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記改質手段３は前記原料−水蒸気混合物を酸素の存在下に自己酸化して原料ガスを水蒸気改質する自己酸化内部加熱型であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記水蒸気発生手段１は燃料部６を有し、加圧空気供給手段８から供給される加圧空気流中に燃料を吸引して燃料−空気混合物を前記燃焼部６に供給する第２の吸引混合手段７を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記燃料の少なくとも一部が前記燃料電池４から排出されるアノード排ガスであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記水蒸気発生手段１で発生する水蒸気の圧力が１Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇより低い低圧領域になるように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし請求項５のいずれかにおいて、
前記第２の吸引混合手段７に供給される加圧空気の圧力が０．３Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以下の低圧領域になるように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原料ガスを水蒸気改質して得られた水素リッチな改質ガスを固体高分子型の燃料電池に供給するようにした燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池にはリン酸電解質を用い水素または水素リッチな改質ガスを燃料として発電するリン酸型の燃料電池、あるいは陽イオン交換膜を用い水素または水素リッチな改質ガスを燃料として発電する固体高分子型の燃料電池などがある。
【０００３】
いずれの燃料電池においても改質ガスを用いる場合は改質手段を設け、そこで原料ガスと水蒸気の混合物（以下、これを原料−水蒸気混合物という。）から水素リッチな改質ガスを発生させている。原料ガスとしてはメタン等の炭化水素、メタノール等の脂肪族アルコール類、或いはジメチルエーテル等のエーテル類、都市ガスなどが用いられる。
【０００４】
例えばメタンを原料ガスとして使用した場合の水蒸気改質の反応式はＣＨ4 ＋２Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋４Ｈ2 で示すことができ、好ましい改質反応温度は７００〜７５０℃の範囲である。水蒸気改質手段の反応に必要な熱を供給する方式として内部加熱型がある。内部加熱型の水蒸気改質器はその供給側（上流側）に部分酸化反応層を設け、該部分酸化反応層で発生した熱を用いて下流側に配備した水蒸気改質触媒層を水蒸気改質反応温度まで加熱し、該加熱された水蒸気改質触媒層で水蒸気改質反応させて水素リッチな改質ガスを生成するように構成している。
【０００５】
なお部分酸化反応はＣＨ4 ＋ 1/2Ｏ2 →ＣＯ＋２Ｈ2 で示すことができ、好ましい部分酸化反応の温度は２５０℃以上の範囲である。このような内部加熱型の水蒸気改質器を改良したものとして自己酸化内部加熱型の改質器があり、例えば特許文献１が知られている。同公報の技術は酸化反応による発熱と水蒸気改質反応をそれぞれ酸化触媒と水蒸気改質触媒からなる混合触媒層で同時に行っている。
原料−水蒸気混合物を生成する方法として、エジェクタによる吸引混合手段を用いる方法が特許文献２，特許文献３等に記載されている。この方法は水蒸気流による吸引作用で原料ガスを吸引して混合するもので、低い原料ガス圧力でも可能であるのでシステム効率を高めることができる。
【０００６】
特許文献２はリン酸型の燃料電池を対象としている。リン酸型の燃料電池は６Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度の比較的高圧な状態で運転されるので、燃料電池からは１６０℃〜１８０℃程度の高温のアノード排ガスが排出される。特許文献２ではこのアノード排ガスを水蒸気発生槽に導き、そこで減圧することによって含まれている水分を蒸発させ、得られた水蒸気をエジェクタに導入し原料ガスと混合している。特許文献３では燃料を燃焼して水蒸気を発生させる燃焼式の水蒸気発生手段が設けられ、そこで発生した水蒸気を調整弁で流量調整しながらエジェクタによる吸引混合手段に供給し原料ガスと混合している。なお、特許文献３には燃料電池仕様や改質ガス圧力等については特に記載されていない。
【０００７】
一方、固体高分子型の燃料電池は自動車に搭載する搭載タイプと家庭用などの設置タイプがあるが、搭載タイプの場合は重量および寸法の制約上、原料−水蒸気混合物の圧力は２〜３Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度と比較的高圧領域で運転できるように設計される。他方、設置タイプではそのような制約がないのでシステム効率や漏洩防止の観点から１Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ程度の低圧領域で運転できるように設計される。
【０００８】
しかし、このような低圧領域で運転する固体高分子型の燃料電池システムでは、燃料電池は１００℃以下、望ましくは７０〜８０℃程度で運転されるので、それに対応するアノード排ガスの温度レベルでは特許文献１のような水気発生槽を用いることはできない。そこでこのような低圧領域で運転する燃料電池システムの場合には燃焼式の水蒸気発生装置で発生した水蒸気を用いる方法が無難である。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１９２２０１号公報
【特許文献２】特開平６−８４５３７号公報
【特許文献３】特開２００４−１５５６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一方、燃料電池は負荷電力の変動に追従してその発電電力を変化させる必要があるが、そのためには改質手段から燃料電池への改質ガスの供給流量を変える必要がある。改質手段から流出する改質ガス流量は、原料−水蒸気混合物の供給流量により変化するので、前記燃料電池に要求される必要な発電電力に応じて原料−水蒸気混合物の生成量を変化すればよい。
【００１１】
従来の設置タイプの固体高分子型の燃料電池システムは、前記のように低圧領域で運転するように設計されるが、そのような低圧領域で運転する場合には、原料−水蒸気混合物を生成するための一方の原料ガス系統に昇圧ポンプを設置し、そのポンプ回転数を制御することにより原料ガス供給流量を調整し、他方の水蒸気系統に制御弁を設け、その弁開度を制御することにより水蒸気供給流量を調整していた。しかしこの方法を採用するとシステム構成が複雑化し、システム全体の寸法も大きくなるとう問題があった。そこで本発明は、このような従来の固体高分子型の燃料電池システムにおける問題を解決することを課題とし、そのための新しい固体高分子型の燃料電池システムを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決する本発明は、原料ガスを水蒸気改質して得られた水素リッチな改質ガスを固体高分子型の燃料電池に供給するようにした燃料電池システムである。そして本システムは、燃料を燃焼して水蒸気を発生する水蒸気発生手段と、水蒸気発生手段からの水蒸気流中に原料ガスを吸引して原料−水蒸気混合物を得る吸引混合手段と、前記原料−水蒸気混合物を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質手段と、前記燃料電池に要求される発電電力に応じて前記水蒸気発生手段の燃料供給量を制御する制御手段を備えていることを特徴とする（請求項１）。
【００１３】
上記燃料電池システムにおいて、前記改質手段は前記原料−水蒸気混合物を酸素の存在下に自己酸化して原料ガスを水蒸気改質する自己酸化内部加熱型とすることができる（請求項２）。
【００１４】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、前記水蒸気発生手段は燃料部を有し、加圧空気供給手段から供給される加圧空気流中に燃料を吸引して燃料−空気混合物を前記燃焼部に供給する第２の吸引混合手段を有することができる（請求項３）。
【００１５】
上記燃焼部を有する水蒸気発生手段を設ける場合において、前記燃料の少なくとも一部として、前記燃料電池から排出されるアノード排ガスを用いることができる（請求項４）。
【００１６】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、前記水蒸気発生手段で発生する水蒸気の圧力が１Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇより低い低圧領域になるように構成することができる（請求項５）。
【００１７】
上記第２の吸引混合手段を設ける場合において、第２の吸引混合手段に供給される加圧空気の圧力が０．３Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以下の低圧領域になるように構成することができる（請求項６）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、固体高分子型の燃料電池に要求される発電電力に応じて水蒸気発生手段の燃料供給量を制御する制御手段を備えている。本システムによれば、燃料電池の負荷電力が増減すると、制御手段はその増減信号により燃料供給量を増減する制御を行うが、その燃料供給量の増減によって水蒸気発生量が増減し、吸引混合手段への水蒸気供給量が増減する。
【００１９】
そして吸引混合手段への水蒸気供給量が増減するとそれに応じて原料の吸引量が増減し、結果として改質手段に供給される原料−水蒸気混合物の供給量、および改質手段から燃料電池に供給される改質ガスの流量が順次増減する。このような一連の作用により燃料電池はその負荷電力に追従して常に適正な発電電力を維持することができる。更に本システムにおける必要な増減調整は水蒸気発生手段の燃料供給量だけであり、水蒸気量調整用の制御弁や原料ガス量調整用の可変速度ポンプ等を設ける必要がないので、システム構成が簡単化し、システム全体をコンパクトにできる。
【００２０】
上記燃料電池システムにおいて、前記改質手段が前記原料−水蒸気混合物を酸素の存在下に自己酸化して原料ガスを水蒸気改質する自己酸化内部加熱型である場合は、改質反応部内で加熱があるので特別な伝熱面を必要としないので反応部をコンパクトにでき、また熱ロスを小さくできるという利点がある。
【００２１】
上記燃料電池システムにおいて、前記水蒸気発生手段が燃料部を有し、加圧空気発生手段から供給される加圧空気流中に燃料を吸引して燃料−空気混合物を前記燃焼部に供給する第２の吸引混合手段を有する場合は、燃料の圧力が低い場合でも、特別な加圧ポンプを設けることなく第２の吸引混合手段で必要な空気と混合して燃焼部に供給することができる。
【００２２】
上記燃焼部を有する水蒸気発生手段を設ける場合において、前記燃料の少なくとも一部として、固体高分子型の燃料電池から排出されるアノード排ガスを用いる場合は、常圧もしくはそれに近いアノード排ガスを特別な加圧ポンプを設けることなく第２の吸引混合手段で必要な空気と混合して燃焼部に供給することができる。
【００２３】
上記いずれかの燃料電池システムにおいて、前記水蒸気発生手段で発生する水蒸気の圧力が１Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇより低い低圧領域になるように構成した場合には、原料−水蒸気混合物や改質ガス等の圧力を固体高分子型の燃料電池システムに適した低圧領域に維持し、それによって常に高いシステム効率および高い信頼性を維持できる。
【００２４】
また上記第２の吸引混合手段を設ける場合において、第２の吸引混合手段に供給される加圧空気の圧力が０．３Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以下の低圧領域とした場合は、水蒸気発生手段の効率を向上できると共に、常圧もしくはそれに近い圧力のアノード排ガスの吸引混合をより効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は本発明の燃料電池システムのプロセスフロー図である。本システムの主要部は水蒸気を発生する燃焼式の水蒸気発生手段１、エジェクタにより構成される吸引混合手段２、自己酸化内部加熱型の改質手段３および固体高分子型の燃料電池４により構成される。
【００２６】
水蒸気発生手段１は燃焼室５と燃焼部６を備え、燃焼部６には図示しない燃焼バーナが設けられる。燃焼バーナにはエジェクタにより構成される第２の吸引混合手段７から燃料−空気混合物が供給され、燃焼室５には２次空気として空気圧縮機等の加圧空気供給手段８から配管８ａ，８ｂを経て加圧空気が供給される。また燃焼室５の上部にドラムを有する熱交換部（図示せず）が設けられ、その内部に水供給系統９からの補給水が供給される。
【００２７】
吸引混合手段２は前記のようにエジェクタにより構成され、水蒸気発生手段１から配管１０を経て水蒸気が供給されると共に配管１１から原料ガスが供給される。そして供給される水蒸気の流量に比例した流量の原料ガスが吸引されて出口側の配管１２から所定の混合割合に維持された原料−水蒸気混合物が流出する。なお、前記第２の吸引混合手段７は配管８ａ，８ｃを経て供給される加圧空気の流量に比例して配管８ｄを経て供給される燃料が吸引され、出口側から所定の割合で維持された燃料−空気混合物が流出する。
【００２８】
原料ガスは貯蔵タンク等の原料ガス供給手段１３から配管１４に設けた脱硫装置１５および熱交換器１６を経て吸引混合手段２に供給される。なお原料ガスの一部は配管１７から熱交換器１６を経て前記第２の吸引混合手段７に燃料として供給される。一方、前記燃焼室５から排出する高温の燃焼ガスは配管１８を経て熱交換器１６で前記原料ガスもしくは燃料を加熱してから系外に排出される。
【００２９】
自己酸化内部加熱型の改質手段３は外筒３ａと内筒３ｂを有し、両者は上部で連通している。外筒３ａには水蒸気改質触媒層が充填され、内筒３ｂには上部から順に水蒸気改質触媒と酸化触媒を混合した混合触媒層とシフト触媒層が充填される。さらに混合触媒層の上方から空気等の酸素含有気体が配管１９により供給される。なお酸素含有気体は、加圧空気供給手段８から配管２０に設けた熱交換器２１を経て昇温状態で供給される。
【００３０】
前記水蒸気改質触媒は原料ガスを水蒸気改質する触媒層であり、例えばＮｉＳ−ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 などのＮｉ系改質反応触媒や、ＷＯ2 −ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 やＮｉＯ−ＷＯ2 ・ＳｉＯ2 ・Ａｌ2 Ｏ3 などの改質反応触媒が使用される。また必要に応じて貴金属触媒も使用できる。混合触媒を構成する一方の水蒸気改質触媒は前記と同様な触媒であり、混合触媒を構成する他方の酸化触媒は原料−水蒸気混合物中の原料ガスを酸化発熱させて、水蒸気改質反応に必要な温度を得るものであり、例えば白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）が使用される。
【００３１】
水蒸気改質触媒に対する酸化触媒の混合割合は、水蒸気改質すべき原料ガスの種類に応じて１〜５％程度の範囲で選択する。例えば、原料ガスとしてメタンを使用する場合は３％±２％程度、メタノールの場合は２％±１％程度の混合割合とされる。さらにシフト触媒は、ＣｕＯ−ＺｎＯ2 、Ｆｅ2 Ｏ3 、Ｆｅ3 Ｏ4 または酸化銅の混合物等が使用される。
【００３２】
前記外筒３ａの下部には吸引混合手段２からの配管１２が連通し、内筒３ｂの下部には生成した改質ガスが流出する配管２２が連通する。配管２２は熱交換器２１を経て第３の吸引混合手段２３に連通する。第３の吸引混合手段２３には加圧空気を供給する配管２４が接続され、その出口側にはCO低減手段２５を設けた配管３１が接続され、その先端は燃料電池４に連通する。
【００３３】
前記第２の混合吸引手段７に供給する加圧空気は配管８ｃに設けた調整弁２６で調整され、その調整弁２６は制御手段２７で制御される。さらに水蒸気発生手段１の燃焼部６に供給する２次空気は配管８ｂに設けた調整弁２８で調整され、その調整弁２８も前記制御手段２７で制御される。制御手段２７は例えばコンピュータ装置により構成され、予めその記憶部に格納された制御プログラムに従って種々の制御を行う。
【００３４】
制御手段２７には燃料電池４で要求される発電電力信号が入力される。要求される発電電力信号は例えば燃料電池４の制御部（図示せず）から出力することができるが、例えば負荷電力または負荷電流を測定し、その測定値をそのまま、或いはその測定値を発電電力に換算したものを要求される発電電力信号として出力することができる。そして発電電力信号とそれに対応する燃料流量の関係は実験等により予め決定される。
【００３５】
すなわち要求される発電電力に必要な燃料電池へ供給される改質ガスの流量、その改質ガスを生成するために必要な原料−水蒸気混合物の流量、その原料−水蒸気混合物を吸引混合手段２で生成するために必要な原料ガスの流量、その原料ガスの流量に対する所定の割合の水蒸気の流量、その水蒸気の流量を発生させるための燃料の流量等を実験等により順に算出する。さらに本実施形態では前記必要な燃料の流量を第２の吸引混合手段７で生成するために必要な加圧空気の流量を実験等により算出すると共に、前記燃料を燃焼するために必要な２次空気の流量を実験等により算出する。
【００３６】
このような各実験により流量関係を明確にし、要求される発電電力信号に対応する水蒸気の流量を決定し、それに応じた１次空気および２次空気の流量を決定する。そして要求される発電電力信号が増減すると、制御手段２７はそれに対応して調整弁２６および調整弁２８の開度を増減して必要な水蒸気を発生させるための燃料流量に調整する。
なお、調整弁２６および調整弁２８は一つの調整弁と一定比率のオリフィス対に置き換えることもできる。
【００３７】
前記燃料電池４の水素リッチなアノード排ガスは燃料としてリサイクルされる。このアノード排ガスは配管３０を経て前記燃料用の配管１７と合流し、熱交換器１６を通って第２の吸引混合手段７に供給される。なお通常、固体高分子型の燃料電池４のアノード排ガスは常圧付近の低圧領域にあるが、第２の吸引混合手段７を設けることにより特別な昇圧ポンプ等を設置しなくても効率よくリサイクルできる。
【００３８】
次に上記燃料電池システムの運転動作を説明する。水蒸気発生手段１の燃焼部６に第２の吸引混合手段７から必要な流量の燃料−空気混合物が供給され、さらに必要な流量の２次空気が燃焼室５に供給されると、燃焼室５の上部に設けた図示しない熱交換部内の水が加熱されて水蒸気が発生する。なお前記のように燃料流量は制御手段２７によって制御される調整弁２６で調整され、２次空気の流量は制御手段２７によって制御される調整弁２８で調整される。さらに熱交換部を構成するドラムの水位が自力式の水位調整弁２９により常に一定に維持される。
【００３９】
なお第２の吸引混合手段７に供給される加圧空気の圧力は配管８ｃに設けた図示しない自力式圧力調整弁などにより、例えば０．３Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以下、好ましくは０．１５Ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ以下の低圧領域に設定される。また２次空気も同様なレベルまたはそれ以下の低圧領域で十分である。設置タイプの固体高分子型の燃料電池システムでは前記のように低圧領域で運転されるので、これら加圧空気も低圧領域でよく、システム効率の向上に寄与する。
【００４０】
水蒸気発生手段１で発生した水蒸気は配管１０を経て吸引混合手段２に供給され、吸引混合手段２ではその水蒸気流量に比例した原料ガスが配管１１から吸引される。吸引混合手段２の出口側の配管１２には所定の混合割合、例えば原料：水蒸気の流量比が１：３〜１：４．５程度の割合に調整された原料−水蒸気混合物が流出する。この原料−水蒸気混合物は配管１２から改質手段３に供給され、そこで水蒸気改質されて水素リッチな改質ガスが生成する。
【００４１】
改質手段３における改質運転動作を具体的に説明すると、先ず外筒３ａの下部に供給された原料−水蒸気混合物はそこに充填された水蒸気改質触媒層を通る間に原料ガスの一部が水蒸気改質する。外筒３ａの上部から改質ガスと残りの原料ガス−水蒸気混合物が排出し、内筒３ｂの混合触媒槽に流入する。混合触媒層ではそれを構成する酸化触媒の存在下に、流入した原料ガス−水蒸気混合物に含まれる改質ガスの一部が、酸素含有ガスの酸素により酸化反応する。
【００４２】
酸化反応によって原料ガス−水蒸気混合物は改質反応に必要な温度範囲、例えば６５０℃〜７５０℃程度（標準的には７００℃前後）に昇温する。すなわち自己酸化内部加熱が行われ、その熱で原料ガス−水蒸気混合物の水蒸気改質反応が行われて水素リッチな改質ガスが効率よく生成する。生成した改質ガスはその下側のシフト触媒層を通過する間に、改質ガス中に残留する一酸化炭素の殆どは水素に変換される。シフト触媒層から流出する高純度の改質ガスは、配管２２に設けた熱交換器２１で加圧空気と熱交換して冷却されてから第３の吸引混合手段２３に流入する。
【００４３】
第３の吸引混合手段２３では配管２４から供給される加圧空気で改質ガスを吸引し、改質ガス−空気混合物を生成し、その改質ガス−空気混合物はCO低減手段２５に流入し、そこで残存するごく僅かなCO（一酸化炭素）が反応によりＣＯ2 に変換される。そしてCO低減手段２５の出口側から流出する改質ガスは燃料電池４に燃料として供給される。
【００４４】
前記のように、燃料電池の負荷電力が増減した場合にはそれに応じた流量の改質ガスを燃料電池に供給する必要がある。例えば燃料電池の負荷電力が増加したときは、燃料電池の制御部等から制御手段２７に出力される要求される発電電力信号が増加し、制御手段２７はその増加量に比例して調整弁２６，２８の開度を増加する。この制御により水蒸気発生手段１で発生する水蒸気の流量が増加し、それによって原料−水蒸気混合物の流量も増加し、最終的に改質手段３から燃料電池４に流入する改質ガスの流量が増加する。なお要求される発電電力が減少したときには上記と逆方向に制御される。このようにして燃料電池の負荷変動に改質ガスの供給量を自動的に追従させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の燃料電池システムは負荷変動が生じる固体高分子型の燃料電池システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の燃料電池システムのプロセスフロー図。
【符号の説明】
【００４７】
１  水蒸気発生手段
２  吸引混合手段
３  改質手段
３ａ  外筒
３ｂ  内筒
４  燃料電池
５  燃焼室
６  燃焼部
７  第２の吸引混合手段
８  加圧空気供給手段
８ａ〜８ｄ  配管
９  水供給系統
１０〜１２  配管
【００４８】
１３  原料ガス供給手段
１４  配管
１５  脱硫装置
１６  熱交換器
１７〜２０  配管
２１  熱交換器
２２  配管
２３  第３の吸引混合手段
２４  配管
２５  CO低減手段
２６  調整弁
２７  制御手段
２８  調整弁
２９  水位調整弁
３０，３１  配管
【図１】
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