(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素リッチの改質ガスを生成する改質器と、
改質ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックから排出されるガスを燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気化する気化器と、
気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路と、
この流路途中に設置され、前記燃料電池スタックの負荷変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化させる圧力制御装置とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記気化器は、熱交換型蒸発器であ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。
【請求項３】
前記圧力制御装置は、減圧ポンプまたはコンプレッサであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記圧力制御装置は、燃焼ガスのエネルギを用いて気化器下流の流路の圧力を低下させるポンプであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記気化器で気化した改質燃料と水蒸気に燃焼ガスの熱量を供給する加熱器を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記気化器で生じた凝縮水を貯留するドレインタンクを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
水素リッチの改質ガスを生成する改質器と、
改質ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックから排出されるガスを燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気化する気化器と、
気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路とを備える燃料電池システムにおいて、
前記供給流路の途中に設置される圧力制御装置を用いて前記燃料電池スタックの負荷変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システム、特にシステムの効率を向上する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、水素と酸素から水を生成する化学反応を利用し、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギシステムである。燃料としては純水素が理想的ではあるが、インフラの整備の観点から炭化水素の部分酸化反応または炭化水素と水の水蒸気改質反応、あるいはこれら２つの反応を組み合わせた反応（いわゆるオートサーマル反応）を用いて、水素を生成し、燃料として用いることが現実的である。
【０００３】
炭化水素は、メタン、エタン、プロパン等の気体状態のものと、ガソリンやメタノール等の液体状態のものが選択できるが、気体のものに比べてエネルギ密度が高く、可搬型の燃料電池システムを前提とした場合には、液化炭化水素系燃料が適当である。
【０００４】
液化炭化水素系のものを燃料として用い、水素リッチの改質ガスを生成する改質反応を生じさせるためには液状の炭化水素を一度、気化する必要があり、また水の水蒸気改質反応を行う際にも水を気化する必要がある。しかしながら、液化炭化水素等液体に気化潜熱を供給して気体にすることは、エネルギ効率から考えるとシステムとしての効率を低下させる要因である。この効率の低下を抑制するために、燃料電池システムからの廃熱、排エネルギを利用して液体を気化させる技術が種々検討されている。
【０００５】
特開平８−２５０１４２号公報では、改質に用いられる水蒸気を生成するに当たり、水を予め燃料電池の廃熱で加熱したのち電気ヒータで加熱することで、電気ヒータの負荷を低減し、効率を向上する構成が開示されている。またこの構成では、改質器が必要とする水蒸気量となるように水蒸気圧によって電気ヒータを制御している。
【０００６】
特開平７−７３８９３号公報では、燃料電池から排出される熱を利用して空気を加熱し、加熱された空気中に水を噴霧して水の気化潜熱を得るよう構成されている。さらに水が気化することで体積膨張し、この時のエネルギによって膨張タービンを駆動し、エネルギを回収し、効率を向上している。
【０００７】
特開平５−２７５１０１号公報では、燃料電池の廃熱と熱交換することで水が気化する構成であって、熱交換器の気化ラインを減圧にして燃料電池の廃熱回収を促進することが開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２５０１４２号公報に記載の技術では、燃料電池の廃熱だけでは水を気化することはできず、構成として電気ヒータを設置することが必須の要件となり、水蒸気圧によって電気ヒータの運転制御を行ったとして電気ヒータが燃料電池システムの効率を低下させることになる。
【０００９】
特開平７−７３８９３号公報に記載の技術では、気化される水の量は微量であり、改質に必要な水蒸気量を賄うことができない。これは燃料電池の廃熱で昇温される空気のエネルギは、空気の比熱×温度差で示されるが、このエネルギに比して水の気化潜熱が非常に大きいためである。また体積膨張を利用して膨張タービンを駆動し、エネルギ回収をすることにしているが、膨張タービンの出口圧力を大気圧とすると、入口圧力は加圧状態であることが必要となる。圧力が上がれば、水は凝縮するため、▲１▼空気を加熱する、▲２▼空気中に水噴霧する（水蒸気が生成される、気体温度が下がる、気体体積が増加する）、▲３▼膨張タービンを駆動する、という３つの条件を満たす構成は成立しない。
【００１０】
特開平５−２７５１０１号公報に記載の技術では、熱交換器の熱供給源は燃料電池の冷却水であり、生成される水蒸気の温度は冷却水温度以上にはならない。例えば、冷却水としてエチレングリコール系の冷媒を使用した場合は、１５０℃程度が上限となる。また減圧装置としてコンプレッサを使用すると、水蒸気がコンプレッサの出口で凝縮する恐れがある。
【００１１】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、システムの効率を低下させることなく、安定して水蒸気を供給する燃料電池システムを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水素リッチの改質ガスを生成する改質器と、改質ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出されるガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気化する気化器と、気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路と、この流路途中に設置され、前記燃料電池スタックの負荷変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化させる圧力制御装置とを備える。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明において、前記気化器は、熱交換型蒸発器とする。
【００１４】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記圧力制御装置は、減圧ポンプまたはコンプレッサとする。
【００１５】
第４の発明は、第１または２の発明において、前記圧力制御装置は、燃焼ガスのエネルギを用いて気化器下流の流路の圧力を低下させるポンプとする。
【００１６】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記気化器で気化した改質燃料と水蒸気に燃焼ガスの熱量を供給する加熱器を備える。
【００１７】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、前記気化器で生じた凝縮水を貯留するドレインタンクを設ける。
【００１８】
第７の発明は、水素リッチの改質ガスを生成する改質器と、改質ガスと酸化剤とを用いて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出されるガスを燃焼する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスの熱を用いて改質用燃料と水を気化する気化器と、気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路とを備える燃料電池システムにおいて、前記供給流路の途中に設置される圧力制御装置を用いて前記燃料電池スタックの負荷変動に応じて気化器下流の流路内の圧力を変化させる。
【００１９】
【発明の効果】
第１と第７の発明は、燃焼ガスの熱を用いて気化器で気化した改質用燃料と水蒸気を改質器に供給する流路の圧力を変化させる圧力制御装置を設置し、燃料電池スタックの負荷変動に応じて流路内の圧力を変化するようにしたので、燃料電池スタックが高負荷のときには流路内の圧力を減圧させて、改質用燃料と水の気化を気化温度を低下させて効率的に促進するようにし、また気化に必要な熱を燃焼ガスの熱との熱交換によって得ることで、気化燃料と水蒸気が凝縮することを抑制し、安定して気化燃料と水蒸気を改質器へ供給できるとともに、燃料電池スタックの負荷変動に対する応答性を向上できる。
【００２０】
第２の発明は、前記気化器は、熱交換型蒸発器としたので、効率よく燃焼ガスの熱を改質用燃料と水の気化のために消費させることができる。
【００２１】
第３の発明は、前記圧力制御装置は、減圧ポンプまたはコンプレッサとしたので、効率よく気化器下流の流路内の圧力を変化させることができる。
【００２２】
第４の発明は、前記圧力制御装置は、燃焼ガスのエネルギを用いて気化器下流の流路の圧力を低下させるポンプとしたので、外部動力を用いることなく、気化器下流の流路内の圧力を変化させることができるので、更にシステムの効率を向上できる。
【００２３】
第５の発明は、前記気化器で気化した改質燃料と水蒸気に燃焼ガスの熱量を供給する加熱器を備えたので、気化した改質燃料と水蒸気が加圧されたときの凝縮を抑制することができる。
【００２４】
第６の発明は、前記気化器で生じた凝縮水を貯留するドレインタンクを設けたので、ドレインタンク内の凝縮水を燃料電池の高分子電解質膜の水分補給に用いる等によりシステムの水収支を向上することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す。
【００２６】
改質器１には、第１空気供給ライン２から供給される空気と、蒸気供給ライン３から供給される気化した燃料（例えば、炭化水素）と水蒸気とが供給され、改質器１は改質ガスを生成し、下流の一酸化炭素除去器（以下、ＣＯ除去器という。）４に供給する。ＣＯ除去器４は改質ガス中の一酸化炭素濃度を燃料電池が被毒しないレベルまで低減し、改質ガス供給ライン５から燃料電池スタック７に改質ガスを供給する。また燃料電池スタック７には外部から第２空気供給ライン６から空気が供給されて、改質ガスと空気を用いて燃料電池スタック７が発電を行う。
【００２７】
燃料電池スタック７から排出される排改質ガスと排空気はそれぞれ、排空気ライン８、排改質ガスライン９を通じて燃焼器１０に導入されて燃焼する。この燃焼ガスは燃焼ガスライン１１を介して気化器１２に送られ、気化器１２では燃焼ガスの熱を用いて液体供給ライン１３から供給される改質用燃料としての液化炭化水素や水を気化する。気化器１２は例えば、熱交換型の蒸発器が適当である。このような気化器１２を用いることで、燃焼ガスの温度は、気化された炭化水素あるいは水の気化温度程度まで低下され、外部に排出される。なお、液体供給ライン１３にはライン中の液体の流量を制御する制御バルブ１４が設置される。
【００２８】
気化器１２の下流に設置された減圧ポンプ、コンプレッサ等の圧力制御装置１５によって気化器１２と圧力制御弁１５を接続する減圧気化ライン１６内が低圧化される。したがって後述するように気化器１２での燃料と水の気化温度が低下することになり、効率よく気化を促進できる。
【００２９】
気化燃料と水蒸気は、圧力制御装置１５から改質器１に連通する蒸気供給ライン３を経由して改質器１に供給され、改質ガスを生成するために用いられる。
【００３０】
本発明の燃料システムには、燃料電池スタック７の運転負荷変動に応じて制御バルブ１４と圧力制御装置１５と図示しないが第１と第２空気供給ライン２、７から供給される空気量を調整するための制御弁を制御する制御装置１７が設置される。
【００３１】
このように気化器１２下流の減圧気化ライン１６を低圧に維持することで、気化器１２での熱交換効率を高め、燃料と水の気化を促進し、エネルギ回収率を向上し、システムのエネルギ効率を向上できる。水の場合を例として詳しく説明すると、大気圧下においては水は１００℃で気化するが、気化温度は圧力が低圧なほど低温となり、例えば６１２Ｐａ下では、気化温度は０℃となる。ここで熱交換型の気化器を用いると、気化器１２から排出される燃焼ガスの温度は略気化温度と一致するため減圧気化ライン１６の圧力が６１２Ｐａとすると、燃焼ガス温度は略０℃となる。したがって、燃焼ガスの気化器１２への流入温度を３００℃とすると、燃焼ガスの流入温度と気化器１２からの水蒸気の流出温度の差は３００℃となり、大気圧下での温度差２００℃（燃焼ガス温度３００℃−大気圧下での気化温度１００℃）より大きくすることができる。したがって燃焼ガス温度が同じでも減圧気化ライン１６を低圧にすることで気化を一層促進することができる。またこの温度差は言い換えると、燃焼ガスの燃焼エネルギの回収率を表しており、温度差が大きいほどエネルギ回収率がよいことを意味し、燃料電池システムの熱効率が向上できることを示している。
【００３２】
制御装置１７は、燃料電池スタック７の運転負荷に応じて制御バルブ１４と圧力制御装置１５を制御する。具体的には燃料電池スタック７の運転負荷が下がる場合には、スタック７に供給される気化燃料量と水蒸気量を減少させるように制御する必要がある。この方法として減圧気化ライン１６内の圧力を一時的に高めるように圧力制御装置１５を制御する。減圧気化ライン１６内の圧力を高めることにより、前述のしたように気化温度が高まり、気化が抑制されることになり、改質器１へ供給される気化燃料や水蒸気量が減少させることができる。一方、燃料電池スタック７の負荷が増加するときには減圧気化ライン１６内の圧力を低圧にすればよいことはいうまでもない。また圧力制御とすることで流量制御より迅速に応答することが可能となり、燃料電池スタック７の運転負荷応答性を向上することができる。
【００３３】
このように本発明では、改質用燃料と水を気化する気化器の下流の流路内の圧力を低下する圧力制御装置を備える一方、気化器に燃料電池スタックから排出されるガスを燃焼した燃焼ガスを導入することで、気化温度を低下させて効率よく気化することができるとともに、高温の燃焼ガスと熱交換することにより気化した燃料等が凝縮しにくく、安定的に気化燃料等を改質器に供給できる効果がある。更に圧力制御装置１５は、燃料電池スタック７の負荷に応じて流路内の圧力を変化させることで、燃料電池スタック７の負荷の変動に対する応答性を向上することができる。
【００３４】
図２に示すフローチャートは、制御装置１７が実施する制御内容を説明するためのものである。
【００３５】
まずステップ１で燃料電池スタック７の出力を検出し、続くステップ２で燃料電池スタック７の運転負荷の変動を判定する。燃料電池スタック７の出力は、例えばスタック７の出力を検出する電圧計を設置し、この電圧計の出力を制御装置１７に入力することで得られる。
【００３６】
燃料電池スタック７の運転状態に変化がないときにはステップ３に進み、燃料電池スタック７に供給される改質ガスと空気の流量を維持する。運転負荷が減少状態にあるときにはステップ４に進み、上昇状態にあるときにはステップ５に進む。
【００３７】
燃料電池スタック７の運転負荷が減少する時にはステップ４に進み、圧力制御装置１５の運転を低負荷状態または停止する。つまり圧力制御装置を例えば、停止することで減圧気化ライン１６の圧力は大気圧となり、気化する燃料及び水の量を低下させる。
【００３８】
続くステップ６で燃料制御バルブ１４の開度を絞りまたは閉じる。ステップ７では、蒸気供給ライン４の流量に応じて第１空気供給ライン２の空気流量を減少させる。更にステップ８で、第２空気供給ライン６の空気流量を改質ガス供給ライン５の流量に応じて減少させる。
【００３９】
一方、燃料電池スタック７の運転負荷が増加する時にはステップ５に進み、圧力制御装置１５の運転を高負荷状態とし、減圧気化ライン１６内の圧力を低圧化する。続くステップ９で燃料制御バルブ１４の開度を大きくする。ステップ１０では、蒸気供給ライン３の流量に応じて第１空気供給ライン２の空気流量を増加させる。更にステップ１１で、第２空気供給ライン６の空気流量を改質ガス供給ライン５の流量に応じて増加させる。
【００４０】
図３に示す第２の実施形態は、第１実施形態に対して圧力制御装置１５の代わりに排気作動ポンプ（ターボチャージャ、膨張タービン等）１８を設置した構成である。つまり、排気作動ポンプ１８の一方のタービンが燃焼ガスによって駆動されることで、他方のタービンが駆動し、減圧気化ライン１６内を低圧にする構成である。このような構成とすることで、減圧気化ライン１６を低圧にするための外部エネルギ源を必要とせず、システムの効率を向上できる。なお、排気作動ポンプ１８のタービンが燃焼ガスによって駆動されているとは、排改質ガスと排酸素を燃焼器１０で燃焼することで、ガス中の水分が気化することによる体積膨張、および粗反応によるモル数の増加によってタービンが駆動されることである。
【００４１】
図４に示す第３の実施形態は、第１実施形態に対して減圧気化ライン１６の途中に加熱手段１９を設置した構成であって、減圧気化ライン１６中の気体を燃焼ガスの熱によって加熱する構成である。このような構成とすることで、減圧ライン中の気化した炭化水素や水蒸気を昇温することで、圧力制御装置１５を経て蒸気供給ライン３で加圧されても蒸気が凝縮せず、減圧気化ライン１６と蒸気供給ライン３との差圧を大きくできるという効果がある。
【００４２】
図５に示す第４の実施形態は、第１実施形態に対して、燃焼ガスライン１１の気化器１２下流に、気化器１２での熱交換で燃焼ガスが低温となり、凝縮して生じた水分を貯留するドレインタンク２０を設置した構成である。凝縮によって生じた水分を燃料電池システムの改質用や燃料電池の高分子電解質膜の水分補給用として用いることで、システムの水収支を改善することができる。
【００４３】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】制御装置が実施する制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施形態の構成を説明するための図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の構成を説明するための図である。
【図５】本発明の第４の実施形態の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
１  改質器
４  一酸化炭素除去器
７  燃料電池スタック
１０  燃焼器
１２  気化器
１５  圧力制御装置
１７  制御装置
【図１】
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【図２】
0003918537.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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