(57)【要約】【課題】装置全体の構成を複雑化させることなく、燃焼器での燃焼を安定させて失火などを防止すると共に、燃焼器における熱効率を向上させるようにした燃料電池用の改質装置を提供する。【解決手段】加熱用燃料と空気を燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼器４８と、改質用燃料を加熱された改質触媒でアノードガスに改質して燃料電池１０に供給する改質器３２と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを加熱用燃料として燃焼器に供給する加熱用燃料供給路３６と、燃焼器に空気を供給する空気供給路５２と、燃焼によって発生する燃焼排ガスを燃焼器から排出させる燃焼排ガス排出路６０とを備えた燃料電池用の改質装置３０において、加熱用燃料供給路と空気供給路の少なくともいずれかに熱交換器（第１の熱交換器６２ａ）を接続すると共に、熱交換器に燃焼排ガス排出路を接続し、よって加熱用燃料と空気の少なくともいずれかを熱交換によって昇温させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱用燃料と空気を燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼器と、改質用燃料を前記加熱された改質触媒でアノードガスに改質して燃料電池に供給する改質器と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記加熱用燃料として前記燃焼器に供給する加熱用燃料供給路と、前記燃焼器に前記空気を供給する空気供給路と、前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを前記燃焼器から排出させる燃焼排ガス排出路とを備えた燃料電池用の改質装置において、前記加熱用燃料供給路と前記空気供給路の少なくともいずれかに熱交換器を接続すると共に、前記熱交換器に前記燃焼排ガス排出路を接続し、よって前記加熱用燃料と前記空気の少なくともいずれかを熱交換によって昇温させることを特徴とする燃料電池用の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池用の改質装置に関し、より具体的には、燃料電池から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料として利用するようにした燃料電池用の改質装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、改質用燃料と水蒸気を改質触媒でアノードガスに改質して燃料電池に供給する改質器を備えた燃料電池用の改質装置が種々提案されている。上記した改質触媒での反応（水蒸気改質反応）は吸熱反応であるため、改質触媒は連続的に加熱される必要がある。そこで、例えば特許文献１に記載される技術にあっては、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼によって発生する燃焼排ガスで改質触媒を加熱するように構成している。
【特許文献１】特開平７−２６３００７号公報（段落００２７、図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、アノードオフガスは多量の水分を含んでいるため、その水分が凝縮して水滴になる場合がある。従って、特許文献１記載の技術のように、アノードオフガスを燃焼器に直接供給するように構成すると、水滴が燃焼器に供給されることとなり、燃焼が安定せずに失火などの不具合が生じるおそれがあった。
【０００４】
そこで、アノードオフガスを強制的に冷却して水分を凝縮させて除去することも考えられるが、その場合、例えばアノードオフガスを冷却する冷却配管、水分を凝縮させる凝縮器、凝縮によって生成される凝縮水を排出する排出配管など多くの機器が必要になるため、構成が複雑になるという不都合がある。さらに、冷却によってアノードオフガスの温度が低下すると、燃焼器の燃焼排ガスの温度も低下、即ち、燃焼器の熱量も減少するため、熱効率がその分だけ低下するという不都合も生じる。
【０００５】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、装置全体の構成を複雑化させることなく、燃焼器での燃焼を安定させて失火などを防止すると共に、燃焼器における熱効率を向上させるようにした燃料電池用の改質装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、加熱用燃料と空気を燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼器と、改質用燃料を前記加熱された改質触媒でアノードガスに改質して燃料電池に供給する改質器と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記加熱用燃料として前記燃焼器に供給する加熱用燃料供給路と、前記燃焼器に前記空気を供給する空気供給路と、前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを前記燃焼器から排出させる燃焼排ガス排出路とを備えた燃料電池用の改質装置において、前記加熱用燃料供給路と前記空気供給路の少なくともいずれかに熱交換器を接続すると共に、前記熱交換器に前記燃焼排ガス排出路を接続し、よって前記加熱用燃料と前記空気の少なくともいずれかを熱交換によって昇温させるように構成した。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る燃料電池用の改質装置にあっては、燃料電池から排出されるアノードオフガスを加熱用燃料として燃焼器に供給する加熱用燃料供給路と、燃焼器に空気を供給する空気供給路の少なくともいずれかに熱交換器を接続すると共に、熱交換器に、燃焼によって発生する燃焼排ガスを燃焼器から排出させる燃焼排ガス排出路を接続し、よって加熱用燃料と空気の少なくともいずれかを熱交換によって昇温させるように構成、即ち、燃焼器に供給される加熱用燃料（アノードオフガス）と空気の少なくともいずれかの温度を上昇させ、アノードオフガスに含まれる水分が凝縮し難くなるように構成したので、熱交換器を接続するだけで（換言すれば、装置全体の構成を複雑化させることなく）、凝縮によって生成される水滴が燃焼器に供給されなくなり、よって燃焼器での燃焼を安定させて失火などを防止することができる。また、加熱用燃料と空気の少なくともいずれかを昇温させて燃焼器に供給するように構成したので、比較的少量の加熱用燃料で、燃焼器の燃焼排ガスの温度を所望する値まで上昇させて必要な熱量を確保でき、燃焼器における熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池用の改質装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池用の改質装置の構成を全体的に示す概略図である。
【００１０】
図１において、符号１０は燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持するカソード極（空気極）とアノード極（燃料極）と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される単電池（セル）を複数個積層して形成された、公知の固体高分子型燃料電池からなる。
【００１１】
燃料電池１０には、カソード極にカソードガス（反応空気）を供給するカソードガス供給系１２と、アノード極にアノードガス（改質ガス）を供給するアノードガス供給系１４と、燃料電池１０で発生する電力を制御する電力制御系１６が接続される。
【００１２】
カソードガス供給系１２は、燃料電池１０のカソードガス供給口（図示せず）に接続されてカソードガスを供給するカソードガス供給路２０を備える。カソードガス供給路２０には、空気を吸引してカソードガスとして燃料電池１０に圧送するカソードガスポンプ２２と、カソードガスポンプ２２の下流側においてカソードガスを燃料電池１０から排出されるカソードオフガスなどによって加湿する加湿器２４が設置される。尚、この明細書において「上流」「下流」とは、そこを流れる気体あるいは液体（流体）などの流れ方向における上流、下流を意味する。
【００１３】
カソードガス供給系１２はさらに、その一端が燃料電池１０のカソードオフガス排出口（図示せず）に接続される一方、他端が大気に開放され、燃料電池１０で生成されるカソードオフガスを外部に排出させるカソードオフガス排出路２６を有する。カソードオフガス排出路２６の途中には、前記した加湿器２４が配置される。
【００１４】
アノードガス供給系１４は、改質用燃料（例えば、メタンを主成分とする都市ガス）を水素を含有したアノードガスに改質して燃料電池１０に供給する改質装置３０を備える。改質装置３０は、改質用燃料と水蒸気を改質触媒（図示せず）でアノードガスに改質して燃料電池１０に供給する改質器３２と、改質器３２と燃料電池１０（具体的には、燃料電池１０のアノードガス供給口（図示せず））を接続して改質されたアノードガスを燃料電池１０に供給する第１のアノードガス供給路３４ａと、燃料電池１０（具体的には、図示しない燃料電池１０のアノードオフガス排出口）と後述するエゼクタを接続すると共に、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを改質触媒を加熱するための燃料（加熱用燃料）として燃焼器（後述）に供給する加熱用燃料供給路（アノードオフガス供給路）３６などからなる。
【００１５】
改質器３２には、改質用燃料の供給源（図示せず）の改質用燃料を供給する改質用燃料供給路４０と、図示しない水源の水を改質用の水（以下「改質用水」という）として供給する改質用水供給路４２が接続される。改質用燃料供給路４０には、改質用燃料の付臭剤、例えば有機硫黄化合物などを除去する脱硫器４４が配置される一方、改質用水供給路４２には、改質用水を改質器３２に圧送する送水ポンプ４６が配置される。
【００１６】
改質器３２には、図１に示す如く、加熱用燃料（アノードオフガスなど）と空気を燃焼させて改質触媒などを加熱する燃焼器（燃焼バーナ）４８が取り付けられる。燃焼器４８には、燃料電池１０の始動時、別言すれば、燃料電池１０からアノードオフガスが排出されないとき、例えば都市ガスを加熱用燃料として供給する都市ガス供給路５０と、燃焼器４８に空気を供給する空気供給路５２が接続される。空気供給路５２には、空気（外気）を加熱（燃焼）用の空気として燃焼器４８に圧送する空気ポンプ５４が設けられると共に、空気ポンプ５４の下流側には、その空気にアノードオフガスからなる加熱用燃料を混合させて排出するエゼクタ５６が設置される。
【００１７】
また、改質器３２（具体的には、図示しない改質器３２の燃焼排ガス出口）には、燃焼器４８での燃焼によって発生する比較的高温（例えば約６００℃程度）の燃焼排ガスを、燃焼器４８から改質器３２の改質触媒付近へ通過させた後、外部に排出（排気）させる燃焼排ガス排出路６０が接続される。燃焼排ガス排出路６０の途中であって改質器３２の燃焼排ガス出口の近傍には、燃焼排ガスと加熱用燃料供給路３６の加熱用燃料（アノードオフガス）とを熱交換させる第１の熱交換器（熱交換器）６２ａが接続される。
【００１８】
第１のアノードガス供給路３４ａには、第１のアノードガス供給路３４ａを開閉する第１の開閉弁６４が介挿されると共に、その下流側には第１のアノードガス供給路３４ａと加熱用燃料供給路３６を連通させる第２のアノードガス供給路３４ｂが接続される。第２のアノードガス供給路３４ｂには、第２のアノードガス供給路３４ｂを開閉する第２の開閉弁（電磁弁）６６が介挿される。第２の開閉弁６６は、非通電時に閉弁され、燃料電池１０において必要なアノードガスの量が減少したとき、通電されて開弁し、アノードガスを第２のアノードガス供給路３４ｂを介して加熱用燃料供給路３６に供給するように設定される。
【００１９】
加熱用燃料供給路３６には、加熱用燃料供給路３６を開閉する第３の開閉弁７０が配置される。第３の開閉弁７０と前述した第１の開閉弁６４はいずれも電磁弁からなり、燃料電池１０の非運転時にアノードガスなどが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１０の運転終了時に全て閉弁されているものとする。
【００２０】
加熱用燃料供給路３６において第３の開閉弁７０より下流側には、第２のアノードガス供給路３４ｂの接続位置を介して前記した第１の熱交換器６２ａが接続されると共に、第１の熱交換器６２ａの下流側はエゼクタ５６に接続される。これにより、エゼクタ５６は、空気ポンプ５４から圧送されて空気供給路５２を介して供給される空気に加熱用燃料（アノードオフガス）を混合させて予混合ガスを生成し、それを燃焼器４８に向けて排出する。
【００２１】
電力制御系１６は、マイクロ・コンピュータなどからなる電子制御ユニット（Electronic Control Unit。以下「ＥＣＵ」という）７２と、燃料電池１０で発生する電力（直流電流）を所定の周波数の交流電流に変換して電気負荷（交流電源機器）７４に出力するインバータ７６などからなり、燃料電池１０で発生した電力を出力する出力端子８０に接続される。ＥＣＵ７２は、送水ポンプ４６や各開閉弁６４，６６，７０などの補機類に信号線（図示せず）を介して接続され、それらの動作を制御する。
【００２２】
尚、燃料電池１０には燃料電池１０を冷却する冷却系なども接続されるが、それらは本願の要旨と直接の関係を有しないので、図示および説明を省略する。
【００２３】
次いで、上記した構成を前提に、燃料電池１０の発電動作について改質装置３０を中心に説明する。
【００２４】
先ず燃料電池１０の始動指示がなされると（より詳しくは、オペレータによって始動スイッチ（図示せず）がオンされると）、改質装置３０の改質器３２においてアノードガスが生成される。具体的には、空気ポンプ５４を作動させ、空気が空気供給路５２、エゼクタ５６を介して燃焼器４８に供給される。また、燃焼器４８には都市ガスが都市ガス供給路５０を介して供給され、よって燃焼器４８において予混合ガスが生成される。燃焼器４８は生成された予混合ガスを点火電極（図示せず）によって点火（着火）して燃焼させ、その燃焼によって燃焼排ガスが発生する。燃焼排ガスは、改質触媒を加熱して昇温させた後、燃焼排ガス排出路６０と第１の熱交換器６２ａを介して大気中に排気される。
【００２５】
改質触媒が改質可能な温度（例えば、７００℃程度）まで加熱されると、第１、第３の開閉弁６４，７０を開弁させると共に、送水ポンプ４６を駆動させる。これにより、改質器３２の改質触媒には、改質用水が改質用水供給路４２を介して供給される。さらに、改質触媒には、改質用燃料が改質用燃料供給路４０、脱硫器４４を介して供給されて改質動作が開始される。具体的には、改質用水は燃焼器４８の燃焼排ガスなどによって加熱されて蒸発し、水蒸気となる。その水蒸気は改質用燃料と混合された後、改質可能な温度まで加熱された改質触媒に供給され、そこで水蒸気改質反応が起こる、即ち、混合された改質用燃料と水蒸気を加熱された改質触媒でアノードガスに改質する。
【００２６】
アノードガスは、改質器３２において一酸化炭素などが適宜に除去された後、第１のアノードガス供給路３４ａ、第１の開閉弁６４を介して燃料電池１０のアノード極に供給される。
【００２７】
次いで、カソードガスポンプ２２を作動させる。これにより、カソードガスは、図示しないエアクリーナで粉塵が除去された後、カソードガス供給路２０を介して加湿器２４に流入させられる。カソードガスは、加湿器２４でカソードオフガスに含まれた水分などの供給を受けて所望の湿度となるまで加湿された後、燃料電池１０のカソード極に供給される。
【００２８】
燃料電池１０においては、アノード極に供給されたアノードガスをカソード極に供給されたカソードガスと電気化学反応させて発電動作が行われる。電気化学反応によって燃料電池１０で発生した電力は、出力端子８０から取り出され、その一部がＥＣＵ７２や送水ポンプ４６などの補機類の電源として使用されると共に、残部がインバータ７６を介して電気負荷７４に供給される。
【００２９】
燃料電池１０から排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出路２６を介して加湿器２４に供給され、カソードガス供給路２０を流れるカソードガスを加湿した後、大気中に排気される。
【００３０】
燃料電池１０から排出されるアノードオフガス、正確には、燃料電池１０の発電動作において使用されずに排出されたアノードオフガス（未反応ガス）は、改質触媒を加熱する加熱用燃料として加熱用燃料供給路３６、第３の開閉弁７０を介して第１の熱交換器６２ａに供給される。このとき、アノードオフガスからなる加熱用燃料の温度は約７０〜８０℃であり、燃焼排ガスのそれに比して低いため、加熱用燃料は、第１の熱交換器６２ａにおいて燃焼排ガスとの熱交換によって昇温、具体的には燃焼排ガスの熱が伝達されて昇温させられる。
【００３１】
昇温させられた加熱用燃料はその後、エゼクタ５６に供給され、前述した如く、空気供給路５２の空気と混合させられて燃焼器４８に供給される。燃焼器４８に供給された加熱用燃料と空気は燃焼させられ、よって改質触媒は連続的に加熱される。尚、燃料電池１０において発電動作が開始されてアノードオフガスが加熱用燃料として燃焼器４８に供給されると、都市ガス供給路５０に設置される開閉弁（図示せず）を閉弁させ、都市ガスの燃焼器４８への供給は遮断（停止）される。
【００３２】
このように、この第１実施例に係る燃料電池用の改質装置３０にあっては、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスを加熱用燃料として燃焼器４８に供給する加熱用燃料供給路３６に第１の熱交換器６２ａを接続すると共に、第１の熱交換器６２ａに、燃焼によって発生する燃焼排ガスを燃焼器４８から排出させる燃焼排ガス排出路６０を接続し、よって加熱用燃料を熱交換によって昇温させるように構成、即ち、燃焼器４８に供給される加熱用燃料（アノードオフガス）の温度を上昇させ、アノードオフガスに含まれる水分が凝縮し難くなるように構成したので、第１の熱交換器６２ａを接続するだけで（換言すれば、装置全体の構成を複雑化させることなく）、凝縮によって生成される水滴が燃焼器４８に供給されなくなり、よって燃焼器４８での燃焼を安定させて失火などを防止することができる。また、加熱用燃料を予め昇温させて燃焼器４８に供給するように構成したので、少量の加熱用燃料で、燃焼器４８の燃焼排ガスの温度を所望する値まで上昇させて必要な熱量を確保でき、燃焼器４８における熱効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００３３】
次いで、この発明の第２実施例に係る燃料電池用の改質装置について説明する。
【００３４】
図２は、第２実施例に係る燃料電池用の改質装置３０ａの構成を全体的に示す、図１と同様な概略図である。
【００３５】
以下、第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、図２に示す如く、第１の熱交換器６２ａが除去されると共に、空気供給路５２に第２の熱交換器（熱交換器）６２ｂが接続される。第２の熱交換器６２ｂには、第１の熱交換器６２ａと同様、燃焼排ガス排出路６０が接続される。即ち、空気供給路５２の空気の温度は外気温と略同一であり、燃焼排ガスのそれに比して低いため、空気は第２の熱交換器６２ｂにおいて燃焼排ガスとの熱交換によって昇温、具体的には燃焼排ガスの熱が伝達されて昇温させられる。これにより、燃焼器４８には昇温させられた空気が供給される。
【００３６】
このように、この発明の第２実施例に係る燃料電池用の改質装置３０ａにあっては、燃焼器４８に空気を供給する空気供給路５２に第２の熱交換器６２ｂを接続すると共に、第２の熱交換器６２ｂに燃焼排ガス排出路６０を接続し、よって空気を熱交換によって昇温させるように構成、即ち、燃焼器４８に供給される量が加熱用燃料に比して多い空気の温度を上昇させ、その空気と加熱用燃料を混合させて燃焼器４８に供給することで、アノードオフガス（加熱用燃料）に含まれる水分がより凝縮し難くなるように構成した。これにより、凝縮によって生成される水滴が燃焼器４８に供給されなくなり、燃焼器４８での燃焼を安定させて失火などを一層防止することができる。また、空気を予め昇温させて燃焼器４８に供給するように構成したので、少量の加熱用燃料で、燃焼器４８の燃焼排ガスの温度を所望する値まで上昇させて必要な熱量を確保でき、燃焼器４８における熱効率を効果的に向上させることができる。
【００３７】
尚、残余の構成および効果は、第１実施例のそれと異ならない。
【実施例３】
【００３８】
次いで、この発明の第３実施例に係る燃料電池用の改質装置について説明する。
【００３９】
図３は、第３実施例に係る燃料電池用の改質装置３０ｂの構成を全体的に示す、図１と同様な概略図である。
【００４０】
第３実施例にあっては、図３に示す如く、第１実施例に係る第１の熱交換器６２ａと第２実施例に係る第２の熱交換器６２ｂの両方を備えるように構成した。即ち、加熱用燃料供給路３６に第１の熱交換器６２ａが、空気供給路５２に第２の熱交換器６２ｂが接続されると共に、第１、第２の熱交換器６２ａ，６２ｂに燃焼排ガス排出路６０が接続されるように構成した。
【００４１】
このように、この発明の第３実施例に係る燃料電池用の改質装置３０ｂにあっては、加熱用燃料供給路３６と空気供給路５２の両方に熱交換器（第１、第２の熱交換器６２ａ，６２ｂ）を接続すると共に、熱交換器に燃焼排ガス排出路６０を接続し、よって加熱用燃料と空気の両方を熱交換によって昇温させるように構成、即ち、加熱用燃料（アノードオフガス）と空気の温度を共に上昇させ、アノードオフガスに含まれる水分がより一層凝縮し難くなるように構成したので、凝縮によって生成される水滴が燃焼器４８に供給されなくなり、よって燃焼器４８での燃焼を安定させて失火などをより一層防止することができる。また、加熱用燃料と空気を予め昇温させて燃焼器４８に供給するように構成したので、燃焼器４８で必要な熱量を少量の加熱用燃料で確保でき、燃焼器４８における熱効率をより効果的に向上させることができる。
【００４２】
尚、残余の構成および効果は、従前の実施例のそれと異ならない。
【００４３】
上記した如く、この発明の第１から第３の実施例にあっては、加熱用燃料と空気を燃焼させて改質触媒を加熱する燃焼器４８と、改質用燃料を前記加熱された改質触媒でアノードガスに改質して燃料電池１０に供給する改質器３２と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記加熱用燃料として前記燃焼器に供給する加熱用燃料供給路３６と、前記燃焼器に前記空気を供給する空気供給路５２と、前記燃焼によって発生する燃焼排ガスを前記燃焼器から排出させる燃焼排ガス排出路６０とを備えた燃料電池用の改質装置３０，３０ａ，３０ｂにおいて、前記加熱用燃料供給路と前記空気供給路の少なくともいずれかに熱交換器（第１の熱交換器６２ａ、第２の熱交換器６２ｂ）を接続すると共に、前記熱交換器に前記燃焼排ガス排出路を接続し、よって前記加熱用燃料と前記空気の少なくともいずれかを熱交換によって昇温させるように構成した。
【００４４】
尚、上記した第１から第３実施例において、第１の熱交換器６２ａや第２の熱交換器６２ｂを改質器３２の燃焼排ガス出口の近傍に配置するように構成したが、要は加熱用燃料や空気を燃焼排ガスと熱交換させるように構成すれば良く、例えば改質器３２の内部に熱交換器を配置しても良い。
【００４５】
また、燃焼排ガスや加熱用燃料の温度、改質触媒の改質可能な温度などを具体的に示したが、それらの数値は例示であって限定されるものではない。
【００４６】
また、燃料電池１０を固体高分子型としたが、それに限られるものではなく、他の形式であっても良い。
【００４７】
また、改質用燃料として都市ガスを使用するように構成したが、ＬＰガス、灯油などであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池用の改質装置の構成を全体的に示す概略図である。
【図２】この発明の第２実施例に係る燃料電池用の改質装置の構成を全体的に示す、図１と同様な概略図である。
【図３】この発明の第３実施例に係る燃料電池用の改質装置の構成を全体的に示す、図１と同様な概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃料電池、３０，３０ａ，３０ｂ  改質装置、３２  改質器、３６  加熱用燃料供給路、４８  燃焼器、５２  空気供給路、６０  燃焼排ガス排出路、６２ａ  第１の熱交換器（熱交換器）、６２ｂ  第２の熱交換器（熱交換器）
【図１】
2008305690.tif 000003
【図２】
2008305690.tif 000004
【図３】
2008305690.tif 000005