JP2007073302A - 燃料改質システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質ガスの変化に対する改質器の温度変化の追従性を向上させた燃料改質システムを提供する。
【解決手段】炭化水素系原料から水素を含む改質ガスを生成する改質器６と、改質ガスから生成する水素リッチガスの一部を燃焼させ、その熱によって改質器６の温度を調整する燃焼器１０と、水素リッチガスの流れ方向に対して燃焼器１０よりも上流側に位置し、水素リッチガスと空気との混合気によって発電を行うＳＣＳＯＦＣ９と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料改質システムに関するものであり、特に燃料電池システム用の燃料改質システムに関するものである。

従来、燃料改質システムにおいて、メタノール改質装置と触媒燃焼器との間にヒートパイプを備え、触媒燃焼器には燃料電池アノードから排出される未反応のＨ₂を主燃料として供給し、助燃料としてメタノールなどを供給する。そして、触媒燃焼器へ助燃料量を調整することで、メタノール改質装置の温度を調整するものが、特許文献１に開示されている。
特開昭６２−０１７００２号公報

しかし、上記の発明では、触媒燃焼器へ供給する燃料電池アノードから排出される未反応のＨ₂の供給量が急激に変動した場合に、要求されるメタノール改質装置の温度に対して、メタノール改質装置の温度の追従性が悪くなる、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、改質装置へ供給される燃料の急激な変動に対する改質装置の温度の追従性を向上させることを目的とする。

本発明では、燃料改質システムにおいて、炭化水素系原料から水素を含んだガスを生成する改質器と、ガスの一部を燃焼させて、燃焼により発生した熱によって改質器の温度を調整する燃焼器と、燃焼器に供給されるガスの流れに対して燃焼器よりも上流側に位置し、ガスと酸素との混合気によって発電を行う固体酸化物形燃料電池と、を備える。

また、固体高分子電解質膜を有し、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う固体高分子型燃料電池と、固体高分子型燃料電池の出力に基づいて、炭化水素系原料から水素を含んだガスを生成する改質器と、ガスの一部を燃焼させて、燃焼により発生した熱によって改質器の温度を調整する燃焼器と、燃焼器に供給されるガスの流れ方向に対して燃焼器よりも上流側に位置し、ガスと酸素との混合気によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、を備えた燃料電池システムの制御方法において、固体高分子型燃料電池の出力に基づいて、固体酸化物型燃料電池の出力を制御し、燃焼器に供給するガスの量を制御する。

本発明によると、例えば燃料電池に供給する水素リッチガスを生成する改質器の改質量の変化に対して、改質器の温度の追従性を良くすることができ、改質器の劣化を抑制することができる。

本発明の実施形態の燃料改質型燃料電池システムの構成を図１のブロック図を用いて説明する。この実施形態では固体高分子電解質型燃料電池（以下、燃料電池とする）１と、例えばメタノールなどの炭化水素系原料を水素リッチガスに改質する燃料改質部２と、電力を充放電する例えば鉛蓄電池などのバッテリー３と、例えばモータなどの電力消費手段（図示せず）に供給する電力を変換するモーターインバータ４と、燃料電池１などの電力を制御するパワーマネージャー５と、コントローラ２０と、を備える。

燃料電池１は固体高分子電解質膜を有しており、水素と酸素との電気化学反応により、発電を行う。なお、燃料電池１は発電反応を容易に行うために例えば白金などの触媒を有している。燃料電池１のアノードに供給するガス中に含まれる一酸化炭素濃度が高い場合にはアノードの触媒が被毒され、劣化が生じる。そのため炭化水素系原料を改質して水素リッチガスを生成し、その水素リッチガスを燃料電池１で使用する燃料電池システムにおいては、燃料電池１のアノードに供給するガス中に含まれる一酸化炭素を触媒が劣化しない濃度まで十分に低減させなければならない。以下において、一酸化炭素を低減した改質ガスを水素リッチガスとする。

燃料改質部２について図２のブロック図を用いて説明する。燃料改質部２は、例えばメタノールなどの炭化水素系原料を、水素を含んだ改質ガスに改質する改質器６と、改質器６によって改質された改質ガス中の一酸化炭素を低減し、水素リッチガスを生成する一酸化炭素低減装置７と、改質器６の温度を調整する燃焼部８と、を備える。

改質器６は、炭化水素系原料を水蒸気によって水素を含んだ改質ガスに改質する水蒸気改質器である。水蒸気改質器で生じる改質反応は吸熱反応であるために、改質器６には外部から熱を供給しなければならない。この実施形態では燃焼部８によって生じた熱によって改質器６の温度を調整する。改質器６によって生成された改質ガス中には一酸化炭素が十数％程度含まれる。なお、改質器６は、熱によって改質ガスを生成する分解反応器、または炭化水素原料を空気中の酸素によって改質ガスを生成する部分酸化改質器を用いても良く、さらに水蒸気による改質と、酸化による改質と、により改質ガスを生成する自動温度調整型改質反応器（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ反応器）を用いても良い。

一酸化炭素低減装置７は、改質器６によって改質された改質ガス中の一酸化炭素を低減する装置であり、水蒸気によるシフト反応、または空気中の酸素による部分酸化反応によって改質ガス中の一酸化炭素濃度を燃料電池１のアノードの触媒が劣化しない濃度まで低減し、水素リッチガスを生成する。水素リッチガスは燃料電池１と燃焼部８とに供給される。なお、一酸化炭素低減装置７の直上流から、水蒸気または空気を加え、一酸化炭素を低減しても良い。

燃焼部８は、シングルチャンバー式の固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＣＳＯＦＣとする）９と、燃焼触媒を有する燃焼器１０と、から構成される。ＳＣＳＯＦＣ９は、一酸化炭素低減装置７から供給される水素リッチガスの流れ方向に対して燃焼器１０よりも上流側に位置する。

ＳＣＳＯＦＣ９は、水素、または炭化水素系燃料と空気とが混在する混合気体を用いて発電する固体酸化物形燃料電池である。つまり、ＳＣＳＯＦＣ９はアノードとカソードとに同一の混合気体を供給して発電を行うことができる。この実施形態では一酸化炭素低減装置７から水素リッチガスが供給され、コンプレッサ（図示せず）などによって空気が供給される。そして、ＳＣＳＯＦＣ９では水素リッチガスと空気とが流れ方向に従って、次第に混合する。ＳＣＳＯＦＣ９ではカソードで混合気体中の酸素がイオン化し、酸素イオンが電解質膜を通ってアノードに伝導し、アノードにおいて混合気体中の水素と反応する。ＳＣＳＯＦＣ９によって生じた電力は、バッテリー３に供給され、バッテリー３を充電する。またはモーターインバーター４を介して例えばモータなどの電力消費手段に供給される。なお、ＳＣＳＯＦＣ９の上流で水素リッチガスと空気とを混合し、混合気体をＳＣＳＯＦＣ９に供給しても良い。

燃焼器１０は、燃焼触媒を有しており、燃焼触媒によって混合気体中に含まれる水素リッチガスを空気中の酸素により燃焼させる。この時、燃焼器１０で生じる熱を用いて燃焼器１０と改質器６との間で熱交換を行い、改質器６の温度を改質反応に適した温度に制御する。

パワーマネージャー５は、燃料電池１に要求される出力とＳＣＳＯＦＣ９の出力とに応じて、モータインバータ４に供給する電力を制御し、さらにバッテリ３の充放電電力を制御する。

コントローラ２０は、燃料電池１に要求される出力に基づいて、改質器６に供給する炭化水素系原料などの流量を制御し、また、パワーマネージャー５に電力制御の信号を伝達する。

次に、燃料電池１に要求される出力が減少した場合にコントローラ２０によって行う制御について図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１００では、燃料電池１に要求される出力を算出する。

ステップＳ１０１では、ステップＳ１００によって算出した燃料電池１に要求される出力に応じた水素リッチガスの流量、つまり改質器６に供給する炭化水素系原料と水蒸気と空気との流量を算出する。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１によって算出した水素リッチガスの流量に応じて、改質器６によって改質ガスを生成するために適した改質器６の温度を算出し、改質器６の温度を算出した温度とするために必要な燃焼器１０での発熱量を算出する。

ステップＳ１０３では、一酸化炭素除去装置７から燃焼器１０に供給される水素リッチガスの流量と、ステップＳ１０２によって算出した燃焼器１０での発熱量を得るために必要な水素リッチガスの流量と、から燃焼器１０において余剰となる発熱量に相当する水素リッチガス流量、つまり余剰となる水素リッチガス流量を予め実験などによって得られたデータに基づいて算出する。

燃料電池１に要求される出力が減少し、改質器６によって生成される改質ガスの流量が減少するので、改質器６で改質ガスを生成するために必要な熱量も減少する。しかし、改質器６に供給する炭化水素系原料などの流量変化の時間遅れに対して、燃焼器１０に供給される水素リッチガスの流量変化の時間遅れが大きくなり、また改質器６、燃焼器１０の熱容量によって、燃焼器１０、改質器６の温度変化が遅くなる。そのため燃料電池１に要求される出力が減少すると、燃焼器１０、改質器６が加熱過多の状態になる。この実施形態では予め実験などによって得られたデータから、燃焼器１０で余剰となる熱熱量に相当する水素リッチガス流量を算出する。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３において算出した燃焼器１０で余剰となる水素リッチガスをＳＣＳＯＦＣ９の発電反応によって消費するためのＳＣＳＯＦＣ９の出力を算出する。

ステップＳ１０５では、炭化水素系原料と水蒸気と空気との流量をステップＳ１０１で算出した流量に制御し、またステップＳ１０３によって算出した出力となるようにＳＣＳＯＦＣ９の出力を制御する。これによって燃焼器１０に供給される水素リッチガスの流量を燃料電池１の出力減少に応じて制御し、改質器６の温度を燃料電池１に要求される出力減少に応じて制御することができる。すなわち、燃料電池１に要求される出力減少に対する燃焼器１０、改質器６の温度変化の追従性を良くすることができ、燃焼器１０、改質器６における加熱過多を抑制することができる。ＳＣＳＯＦＣ９によって生じた電力はバッテリ３に充電される。

以上の制御によって、燃料電池１の出力が減少した場合に、燃焼器１０、改質器６の加熱過多を抑制することができる。

この実施形態では一酸化炭素低減装置７から水素リッチガスを燃焼部８に供給したが、燃料電池１の発電反応に使用されなかった排出水素リッチガスを燃焼部８に供給しても良い。また、炭化水素系原料を燃焼部８に供給しても良い。なお、炭化水素系原料を燃焼部８に供給する場合には、ＳＣＳＯＦＣ９の燃料極に水蒸気改質反応触媒を間欠的に設け、炭化水素系原料と同時に水蒸気を供給することが望ましい。これにより、炭化水素系原料の水蒸気改質による吸熱反応と、ＳＣＳＯＦＣ９の発電による発熱反応と、の熱バランスを良くし、ＳＣＳＯＦＣ９の発電による過熱を抑制し、ＳＣＳＯＦＣ９、燃焼器１０または改質器６の加熱過多を抑制し、ＳＣＳＯＦＣ９の劣化を抑制することができる。また、ＳＣＳＯＦＣ９の発電効率を良くすることができる。

また、ＳＣＳＯＦＣ９の下流であり、かつ燃焼器１０の上流から新たに空気を供給しても良い。これによりＳＣＳＯＦＣ９、または燃焼器１０において、それぞれ水素リッチガスと空気との混合比を変えることができる。そのため、混合気体をＳＣＳＯＦＣ９と燃焼器１０との各反応に適した混合比することができ、例えばＳＣＳＯＦＣ９においては水素リッチガスを燃料リッチで運転し、燃焼器１０をリーンで運転することができる。これにより、燃焼器１０から排出される排出ガス中のＨＣの量を抑えることができ、高いエネルギー効率を得ることができる。

本発明の実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、炭化水素系原料から水素を含んだ改質ガスを生成する改質器６と、改質ガスから一酸化炭素を低減した水素リッチガスを酸素により燃焼させ、その熱によって改質器６の温度を調整する燃焼器１０と、水素リッチガスの流れ方向に対して燃焼器１０よりも上流に設けたＳＣＳＯＦＣ９と、を備える。そして、例えば燃料電池１の出力が減少し、改質器６による改質ガスの生成量が減少した場合に、燃焼器１０において余剰となる水素リッチガスをＳＣＳＯＦＣ９の発電反応によって消費し、燃焼器１０の発熱量を減少させる。これにより、燃料電池１の出力減少に対する燃焼器１０での発熱量の追従性、つまり改質器６の温度の追従性を良くすることができ、燃焼器１０、改質器６の加熱過多を抑制することができる。そのため、燃焼器１０、改質器６の劣化を抑制することができる。

また、余剰となる水素リッチガスをＳＣＳＯＦＣ９によって消費、ＳＣＳＯＦＣ９によって発電する電力をバッテリー３に充電することで、燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料改質型の車両などに利用することができる。

本発明の実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 本発明の実施形態の燃料改質部のブロック図である。 本発明の実施形態における燃料電池の出力が低下した場合のフローチャートである。

符号の説明

１ 固体電解質型燃料電池（燃料電池）
２ 燃料改質部（燃料改質システム）
３ バッテリー
５ パワーマネージャー
６ 改質器
７ 一酸化炭素低減装置
８ 燃焼部
９ 固体酸化物型燃料電池（ＳＣＳＯＦＣ）
１０ 燃焼器
２０ コントローラ

Claims (10)

1. 炭化水素系原料から水素を含んだガスを生成する改質器と、
   前記ガスの一部を燃焼させて、燃焼により発生した熱によって前記改質器の温度を調整する燃焼器と、
   前記燃焼器に供給される前記ガスの流れ方向に対して前記燃焼器よりも上流側に位置し、前記ガスと酸素との混合気によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、を備えたことを特徴とする燃料改質システム。
2. 前記改質器は、吸熱反応によって前記ガスを生成することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
3. 前記改質器は、分解反応器であることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
4. 前記改質器は、水蒸気改質反応器であることを特徴とする請求項２に記載の燃料改質システム。
5. 前記改質器は、自動温度調整型反応器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
6. 前記改質器は、部分酸化型燃料改質器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料改質システム。
7. 前記固体酸化物型燃料電池は、水蒸気と前記炭化水素系原料とによって水素を生成する水蒸気改質反応触媒を燃料極に有することを特徴とする請求項１から６のいずれかひとつに記載の燃料改質システム。
8. 請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料改質システムと、
   固体高分子電解質膜を有し、前記改質器によって生成された前記水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う固体高分子型燃料電池と、を備え、
   前記固体高分子型燃料電池の出力に基づいて、前記改質器での前記ガスの生成量を制御し、
   前記固体高分子型燃料電池の出力に基づいて、前記固体酸化物型燃料電池の出力を制御し、前記燃焼器に供給する前記ガスの量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
9. 前記固体高分子型燃料電池からの排出ガスを前記燃焼器に供給することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 固体高分子電解質膜を有し、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う固体高分子型燃料電池と、
    前記固体高分子型燃料電池の出力に基づいて、炭化水素系原料から前記水素を含んだガスを生成する改質器と、
    前記ガスの一部を燃焼させて、燃焼により発生した熱によって前記改質器の温度を調整する燃焼器と、
    前記燃焼器に供給される前記ガスの流れ方向に対して前記燃焼器よりも上流側に位置し、前記ガスと酸素との混合気によって発電を行う固体酸化物型燃料電池と、を備え、
    前記固体高分子型燃料電池の出力に基づいて、前記固体酸化物型燃料電池の出力を制御し、前記燃焼器に供給する前記ガスの量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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