JP2007242565A

JP2007242565A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007242565A
Application number: JP2006066718A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Izawa; 康浩伊澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-10
Also published as: JP4872390B2

Abstract

【課題】スタックにおける温度ばらつきを抑制することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、セルが積層されたスタックを備える燃料電池６０と、水素を含有する改質ガスを生成する改質器５０とを備え、改質器５０は可燃成分を燃焼させることによって改質器５０を加熱する燃焼部５２を備え、スタックの外周の少なくとも一部には、燃焼部５２によって排出された燃焼排ガスが流動するガス流路が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、改質器および燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

燃料電池は、アノード、電解質およびカソードを含むセルが複数積層されたスタック構造を有する。燃料電池の発電性能を向上させるためには、スタックを所定の温度に加熱することが好ましい。そこで、改質器からの燃焼排ガスによって燃料電池の冷却媒体を保温および昇温する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−６６５７８号公報

しかしながら、外気温が低いと、スタックと外気との間に温度差が生じる。この場合、スタックの外周部から熱が発散して、スタックの中心部と外周部との間に温度差が生じる。したがって、燃料電池の発電性能にばらつきが生じる可能性がある。

本発明は、スタックにおける温度ばらつきを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、セルが積層されたスタックを備える燃料電池と、水素を含有する改質ガスを生成する改質器とを備え、改質器は可燃成分を燃焼させることによって改質器を加熱する燃焼部を備え、スタックの外周の少なくとも一部には燃焼部から排出された燃焼排ガスが流動するガス流路が設けられていることを特徴とするものである。

本発明に係る燃料電池システムにおいては、ガス流路を燃焼排ガスが流動する。この場合、燃焼排ガスが比較的高温であることから、スタックの内側と外側との間の温度差が小さくなる。それにより、スタックの外周部から外部への放熱を抑制することができる。したがって、スタックにおける温度ばらつきを抑制することができる。その結果、燃料電池の発電性能のばらつきを抑制することができる。

ガス流路は、スタックにおけるセルと平行な面上の少なくとも一部に設けられていてもよい。この場合、スタックの外周面のうち放熱量が大きい面からの放熱を抑制することができる。また、改質器とスタックの外周の少なくとも一部とが熱的に連結されていてもよい。この場合、燃焼部の燃焼熱がスタックの外周に供給される。それにより、スタックの外周から外部への放熱を抑制することができる。また、スタックの外周における改質器が設けられた箇所にガス流路を設ける必要がなくなる。それにより、本発明に係る燃料電池システムの構成を簡略化することができる。

改質器とスタックとの間に、改質器からスタックへ移動する熱量を抑制する緩衝手段がさらに設けられていてもよい。この場合、スタックに過大な熱が供給されることを防止することができる。それにより、スタックの温度を適温に維持することができる。

燃料電池のカソードにエアを供給するエア供給手段をさらに備え、緩衝手段はエア供給手段によって供給されるエアと改質器において生成された改質ガスとの熱交換をする熱交換器であってもよい。この場合、緩衝手段は、改質器の温度よりも低い温度になるように加熱される。それにより、改質器の温度が燃料電池の作動温度に比較して大きい場合には、熱交換器によってスタックの外周が適度に加熱されるとともに、改質器からスタックに過大な熱が供給されることが防止される。したがって、スタックの温度を適温に維持することができる。

改質器はスタックにおけるセルと平行な面の少なくとも一部と熱的に連結され、ガス流路はスタックにおける改質器と反対側の面上の少なくとも一部に設けられていてもよい。この場合、スタックの外周面のうち放熱量が大きい面からの放熱を抑制することができる。また、可燃成分は、燃料電池のアノードオフガスであってもよい。この場合、可燃成分を貯蔵等するための装置等を新たに設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料電池システムの構成を簡略化することができる。

本発明によれば、スタックにおける温度ばらつきを抑制することができる。その結果、燃料電池の発電性能のばらつきを抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、制御部１０、改質燃料タンク２０、燃料ポンプ３０、調量弁４０、改質器５０、燃料電池６０およびエアポンプ７０，８０を備える。改質器５０は、改質部５１および燃焼部５２を備える。燃料電池６０は、加熱部６１を備える。

本実施例においては、燃料電池６０として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン伝導性を有する電解質を積層した構造をとっている。本実施例に係る燃料電池６０の作動温度は、例えば、２００℃〜５００℃程度である。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成される。制御部１０は、燃料ポンプ３０、調量弁４０およびエアポンプ７０，８０の動作を制御する。改質燃料タンク２０は、改質燃料を貯蔵している。本実施例においては、改質燃料として炭化水素燃料が用いられている。燃料ポンプ３０は、制御部１０の指示に従って、改質燃料タンク２０に貯蔵されている炭化水素燃料を調量弁４０に供給する。調量弁４０は、制御部１０の指示に従って、改質部５１における改質反応に必要な量の炭化水素燃料を改質部５１に供給する。

改質部５１においては、炭化水素燃料と後述するカソードオフガスとから水素を含有する改質ガスが生成される。まず、炭化水素燃料中のメタンとカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素及び一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素及び二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素とメタンとが部分酸化反応を起こし、水素及び一酸化炭素が生成される。

改質部５１において生成された改質ガスは、燃料電池６０のアノードに供給される。アノードにおいては、改質ガス中の水素がプロトンに変換される。アノードにおいてプロトンに変換されなかった水素、ならびに、改質部５１において反応しなかったメタン、一酸化炭素および水蒸気は、アノードオフガスとして燃焼部５２に供給される。

エアポンプ７０は、制御部１０の指示に従って、必要量のエアを燃料電池６０の冷却媒体流路に供給する。冷却媒体流路に供給されたエアは、燃料電池６０全体を冷却して燃焼部５２に供給される。それにより、燃料電池６０の全体が所定の温度に維持される。

燃焼部５２においては、アノードオフガスと燃料電池６０の冷却媒体流路から供給されるエアとによって燃焼反応が起こる。燃焼部５２における燃焼反応によって発生する燃焼排ガスは、燃料電池６０の加熱部６１に供給される。加熱部６１の詳細は、後述する。また、燃焼部５２における燃焼反応による燃焼熱は、改質部５１における水蒸気改質反応に利用される。なお、アノードオフガスを燃焼部５２における可燃成分として用いることから、可燃成分を貯蔵する装置等を新たに設ける必要がない。それにより、燃料電池システム１００の構成を簡略化することができる。

エアポンプ８０は、制御部１０の指示に従って、必要量の酸素を燃料電池６０のカソードに供給する。カソードにおいては、アノードにおいて変換されたプロトンとカソードに供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、蓄電池（図示せず）に蓄電されまたはモータ等の負荷に用いられる。発生した水は、燃料電池６０において発生する熱によって水蒸気となる。カソードにおいて発生した水蒸気およびプロトンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして改質部５１に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。

続いて、燃料電池６０の詳細について説明する。図２は、燃料電池６０の模式的断面図である。図２に示すように、燃料電池６０は、カソードおよびアノードを含むセルが複数積層されたスタック６２、スタック６２の外周を覆う断熱材６３および断熱材６３を覆う加熱部６１を備える。加熱部６１には、燃焼部５２から供給される燃焼排ガスが流動するためのガス流路６４が形成されている。

スタック６２は、断熱材６３によって断熱されている。ここで、断熱材６３のスタック６２側と断熱材６３のスタック６２と反対側との間に温度差があると、断熱材６３を介してスタック６２から外部に熱が移動する。この場合、スタック６２の外周部の温度は、スタック６２の中心部に比較して小さくなる。それにより、スタック６２において発電性能にばらつきが生じる。

本実施例においては、燃焼部５２からの燃焼排ガスがガス流路６４を流動する。この場合、断熱材６３のガス流路６４側の面が加熱される。それにより、断熱材６３のスタック６２側とガス流路６４側との間の温度差が小さくなる。したがって、スタック６２からの放熱が抑制される。その結果、スタック６２内の温度を一定に維持することが可能となる。

なお、ガス流路６４に供給される燃焼排ガスの温度は、燃料電池６０の作動温度と同等か、それ以上であることが好ましい。また、加熱部６１は、スタック６２の全体を覆う必要はなく、スタック６２の外周の少なくとも一部を覆っていれば本発明の効果が得られる。ただし、加熱部６１は、スタック６２のセル面と平行な２面を覆うように設けられていることが好ましい。スタック６２においては、セルの積層方向への放熱が比較的大きいからである。

図３は、燃料電池６０の他の例を示す模式的断面図である。図３に示すように、スタック６２の一面上に改質器５０が設けられていてもよい。この場合、燃焼部５２の燃焼熱がスタック６２の一面に供給される。それにより、スタック６２の一面からの放熱を抑制することができる。また、スタック６２の一面に加熱部６１を設ける必要がなくなる。それにより、燃料電池システム１００の構成を簡略化することができる。なお、改質器５０は、スタック６２のセルに平行な２面のうちいずれかの面に設けられていることが好ましい。

本実施例においては、アノードオフガスが可燃成分に相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池システム１００ａについて説明する。図４は、燃料電池システム１００ａの全体構成を示す模式図である。図４に示すように、燃料電池システム１００ａが図１の燃料電池システム１００と異なる点は、熱交換器９０がさらに設けられている点である。

燃料電池システム１００ａにおいては、改質部５１において生成された改質ガスは、熱交換器９０を通過して燃料電池６０のアノードに供給される。また、エアポンプ８０から燃料電池６０のカソードに供給されるエアは、途中で熱交換器９０を通過する。それにより、改質ガスは、エアによって所定の温度に冷却された後にアノードに供給される。また、エアは、改質ガスによって所定の温度に加熱された後にカソードに供給される。したがって、燃料電池６０には、燃料電池６０の作動温度に近い改質ガスおよびエアが供給される。その結果、燃料電池６０の発電効率が向上する。

続いて、本実施例に係る改質器５０、燃料電池６０および熱交換器９０の詳細について説明する。図５は、本実施例に係る改質器５０、燃料電池６０および熱交換器９０の模式図である。図５に示すように、改質器５０、燃料電池６０および熱交換器９０は一体構造を有している。具体的には、熱交換器９０および改質器５０は、スタック６２のセルに平行な２面の片側の面上に順に配置されている。一方、スタック６２の熱交換器９０と反対側の面には、断熱材６３を介して加熱部６１が設けられている。

上述したように、熱交換器９０には改質ガスおよびエアが供給される。この場合、熱交換器９０は、改質器５０の温度よりも低い温度になるように加熱される。それにより、改質器５０の温度が燃料電池６０の作動温度に比較して大きい場合には、熱交換器９０によってスタック６２の一面が適度に加熱されるとともに、改質器５０から燃料電池６０に過大な熱が供給されることが防止される。したがって、燃料電池６０の温度を適温に維持することができる。

一方、燃焼部５２からの燃焼排ガスは、図示しない配管等を経由して適温になった後に加熱部６１に供給される。この場合、断熱材６３のスタック６２と反対側の面が加熱される。それにより、断熱材６３において、スタック６２側と加熱部６１側との間の温度差が小さくなる。したがって、スタック６２から外部への放熱が抑制される。その結果、スタック６２内の温度を一定に維持することが可能となる。

図６は、各部におけるガス温度の一例を示す図である。図６に示すように、改質器５０の燃焼部においてアノードオフガスが燃焼することによって、改質器５０の温度は、例えば、６００℃程度に加熱される。それにより、６００℃の改質ガスが熱交換器９０に供給される。熱交換器９０に供給される大気中のエアの温度が３０℃であるとすると、熱交換器９０から燃料電池６０のアノードに供給される改質ガスの温度は、例えば、４２０℃程度になる。一方、熱交換器９０から燃料電池６０のカソードに供給されるエアの温度は、例えば、２００℃程度になる。

この場合、熱交換器９０のスタック６２に接している部分の温度は、例えば、４２０℃程度になる。それにより、熱交換器９０によってスタック６２の一面が適度に加熱されるとともに、改質器５０から燃料電池６０に過大な熱が供給されることが防止される。したがって、燃料電池６０の温度を適温に維持することができる。

一方、改質器５０の燃焼部５２から排出された燃焼排ガスの温度は、例えば、４５０℃程度である。この燃焼排ガスは、配管等を経由して４００℃程度の温度を有するようになって、加熱部６１に供給される。それにより、断熱材６３の加熱部６１側の面が加熱される。それにより、断熱材６３において、スタック６２側と加熱部６１側との間の温度差が小さくなる。したがって、スタック６２から外部への放熱が抑制される。その結果、スタック６２内の温度を一定に維持することが可能となる。なお、本実施例においては、アノードオフガスが可燃成分に相当し、エアポンプ８０がエア供給手段に相当し、熱交換器９０が緩衝手段に相当する。

なお、上記各実施例においては燃料電池６０として水素分離膜電池を用いているが、それに限られない。例えば、燃料電池６０として、固体高分子型燃料電池等を用いることもできる。また、アノードオフガス以外の可燃成分を燃焼部５２に供給してもよい。

本発明の第１実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。燃料電池の模式的断面図である。燃料電池の他の例を示す模式的断面図である。本発明の第２実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。改質器、燃料電池および熱交換器の模式図である。各部におけるガス温度の一例を示す図である。

符号の説明

１０制御部
５０改質器
５１改質部
５２燃焼部
６０燃料電池
６１加熱部
６２スタック
６３断熱材
６４ガス流路
７０，８０エアポンプ
９０熱交換器
１００，１００ａ燃料電池システム

Claims

セルが積層されたスタックを備える燃料電池と、
水素を含有する改質ガスを生成する改質器とを備え、
前記改質器は、可燃成分を燃焼させることによって前記改質器を加熱する燃焼部を備え、
前記スタックの外周の少なくとも一部には、前記燃焼部から排出された燃焼排ガスが流動するガス流路が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
前記ガス流路は、前記スタックにおける前記セルと平行な面上の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記改質器と前記スタックの外周の少なくとも一部とが熱的に連結されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
前記改質器と前記スタックとの間に、前記改質器から前記スタックへ移動する熱量を抑制する緩衝手段がさらに設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のカソードにエアを供給するエア供給手段をさらに備え、
前記緩衝手段は、前記エア供給手段によって供給されるエアと前記改質器において生成された改質ガスとの熱交換をする熱交換器であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
前記改質器は、前記スタックにおける前記セルと平行な面の少なくとも一部と熱的に連結され、
前記ガス流路は、前記スタックにおける前記改質器と反対側の面上の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
前記可燃成分は、前記燃料電池のアノードオフガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。