JP3632590B2

JP3632590B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3632590B2
Application number: JP2000344896A
Authority: JP
Inventors: 雅司的場
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2020-11-13
Also published as: JP2002151128A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は始動用燃焼器を備えた燃料電池システムに用いられる改質器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の改質器としては特開２０００−６３１０１号公報に記載のものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこの従来技術では、燃料電池システムの燃焼室への加熱用燃料の供給は燃焼室に備えられた１つのインジェクタによって行われる。したがって始動時、改質器に充填された改質触媒に燃料がリッチな燃焼ガスを供給するためには、可燃限界のリッチ空燃比よりもわずかにリーン側にしなければならず、改質器の昇温時間を一層短縮するためにさらに燃料を追加することは可燃限界空燃比を超えることになりできない。あるいは多量の燃料と空気および希釈用空気を供給しなければならず、その際に燃料噴射弁の周囲からのみ空気を供給する場合には、圧力損失が大きくなり、空気供給器の負荷が増大して電力消費が大きくなる。あるいは燃料がリーンな燃焼ガスを生成する場合、改質触媒を失活させない温度に燃焼ガス温度を抑制するためには多量の空気の供給が必要となり前記と同様に空気供給器の負荷が増大するという問題が懸念される。
【０００４】
そこで本発明は、このような問題を解決する、燃料改質装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料と水とからなる原燃料を気化する蒸発器と、気化した原燃料ガスと空気とから改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスと空気とから発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排改質ガスと排空気ガスとを燃焼する燃焼器と、起動時に理論空燃比よりもリッチに混合した燃料と空気とからなる混合気を燃焼し、燃焼ガスを改質器に供給する起動用燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記起動用燃焼器は、その構造を内筒、外筒からなる二重管構造とし、内筒内側の内部空間に可燃の燃料リッチ混合気を供給、燃焼して燃焼ガスを生成し、内筒と外筒との間の外部空間に、燃焼ガス成分を調整するための酸化剤を供給し、この酸化剤は燃焼ガスを可燃限界よりも燃料リッチな混合気に調整するための燃料を内部空間に供給する噴射弁の位置に対して、燃焼ガスの流れ方向で同じ位置かまたは下流において内部空間に供給される。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記酸化剤は前記内筒の周方向に複数形成された供給孔から内部空間に供給される。
【０００７】
第３の発明は、第１または２の発明において、前記噴射弁は外部空間を貫通して設置される。
【０００８】
第４の発明は、第１から３のいずれかの発明において、前記噴射弁の噴射した燃料に酸化剤を混合させる酸化剤供給部材を備える。
【０００９】
【発明の効果】
第１の発明では、燃料電池システムにおいて、起動用燃焼器は、その構造を内筒、外筒から形成される２つの空間に分け、内筒内側の内部空間に可燃の燃料リッチ混合気を供給、燃焼して燃焼ガスを生成し、内筒と外筒との間の外部空間に、燃焼ガス成分を調整するための酸化剤を供給する。酸化剤は燃焼ガスを可燃限界よりも燃料リッチな混合気に調整するための燃料を内部空間に供給する噴射弁の位置に対して燃焼ガスの流れ方向で同じ位置かまたは下流で内部空間に供給されるので、燃焼ガス成分を可燃限界を超えた空燃比に調整することができる。また可燃の燃料リッチ混合気を形成するための酸化剤（例えば、空気）および燃料（例えば、メタノール）と、可燃の燃料リッチ混合気を燃焼させた燃焼ガス成分を調整するための酸化剤および燃料とを供給する供給孔を有するので圧力損失を小さくでき、酸化剤および燃料の供給器の負荷を増大させることがない。また外部空間を酸化剤が通過することにより、燃焼が継続して内筒の温度が上昇した時に内筒を酸化剤で冷却することができ、内筒内面に付着する炭化水素系燃料によるすすの生成が抑制される。また熱交換によって酸化剤も昇温されるために噴射弁から噴霧される炭化水素系燃料の気化を促進し、気化時間を短縮することができるため、起動燃焼器を小型化することができる。
【００１０】
第２の発明では、酸化剤は前記内筒の周方向に複数形成された供給孔から内部空間に供給されるので、酸化剤を均一に供給して速やかに燃焼ガスと混合させて燃焼ガスの温度をさらにＮＯｘが生成されない温度まで低下させることができる。したがって改質器は失活しないで、かつ改質器で改質反応を行うことのできる最適な活性温度に制御することができる。
【００１１】
第３の発明では、噴射弁は外部空間を貫通して設置されるので、外部空間を通過する酸化剤によって噴射弁は冷却され、高温の燃焼ガスによる熱破損を防止することができる。
【００１２】
第４の発明では、噴射弁の噴射した燃料に酸化剤を混合させる酸化剤供給部材を備えるので、燃料の微粒化および拡散を促進できるとともに、酸化剤は燃焼ガスにより昇温されているため、さらなる気化促進が図られ、気化時間が短くなることにより起動用燃焼器を小型化することが可能となり、また噴射弁の周囲を酸化剤が取り巻くので、噴射弁の冷却効果も期待できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明における燃料電池システムの構成を示す。
【００１４】
燃料電池システムは燃料（例えば、炭化水素系燃料であるメタノール）と水からなる原燃料ガスから水素リッチの改質ガスを生成する改質器１と、改質ガスが供給される一酸化炭素除去器２（以下、一酸化炭素をＣＯと示す）と、ＣＯ除去器２で所定ＣＯ濃度以下にＣＯ濃度を低減された改質ガスが供給されるアノード極３Ａと、空気供給源（例えば、コンプレッサ）４から酸化剤としての空気（すなわち酸素）が供給されるカソード極３Ｂとから構成される燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３から排出される排改質ガス（アノードガス）と排空気ガス（カソードガス）とが供給され、燃焼する燃焼器５と、燃焼器５から燃焼ガスを導入し、原燃料のメタノールと水を気化させ、気化した原燃料ガスを改質器１に供給する蒸発器６とから構成される。
【００１５】
ＣＯ除去器２の下流には２方向切替弁１２が設置され、ＣＯ除去器２が所定温度に達した時に改質ガスは燃料電池スタック３に供給され、ＣＯ除去器２が所定温度に達していない時には改質ガスは燃焼器５に供給される。これはＣＯ除去器２の触媒が活性温度に達していないためＣＯが十分除去されず、アノード極３Ａが被爆するのを防止するためである。
【００１６】
さらにシステム始動時に改質器１に燃焼ガスを供給する起動用燃焼器７が改質器１の上流に備えられる。起動用燃焼器７は燃焼ガスによって改質器１を昇温するとともに、改質器１からの改質ガスによって下流のＣＯ除去器２、蒸発器６等が昇温される。起動用燃焼器７は蒸発器６が所定温度に昇温したところで作動を中止し、システムは定常運転に移行する。すなわち改質器１には蒸発器６からの気化燃料ガスが供給されて運転が継続される。
【００１７】
また燃焼器５と蒸発器６と起動燃焼器７にはメタノールのタンク８が接続され、ポンプ９によって供給される。また蒸発器６に水を供給するための水タンク１０が設置されて、ポンプ１１によって蒸発器６に水が供給される。
【００１８】
コンプレッサ４からの空気は燃料スタック３のカソード極３Ｂの他に、燃焼器５と起動用燃焼器７に供給される。
【００１９】
燃焼器５は燃焼器本体部５Ａと燃焼器ミキサ部５Ｂからなり、前述の燃焼器５に供給されるメタノール、空気、排改質ガス等は燃焼器ミキサ部５Ｂに導入され、燃焼器ミキサ部５Ｂでこれらを混合した上で、燃焼器本体部５Ａに送られて燃焼される。
【００２０】
なお燃焼器５から蒸発器６に導入された燃焼ガスは原燃料を気化した後、大気中に排出される。
【００２１】
このような構成において、システム始動時には、起動用燃焼器７から燃焼ガスが改質器１に導入されて、触媒との部分酸化反応が促進され、改質器１の温度が急速に高温となり、改質ガスを生成する。改質ガスはＣＯ除去器２に供給されて、ＣＯの選択酸化反応を生じ、ＣＯ除去器２は昇温するとともに、改質ガスを排出する。ただし前述のようにＣＯ除去器２が所定温度に達するまでは改質ガス中のＣＯ濃度が高いため、改質ガスは切替弁１２を介して燃焼器５に送られる。燃焼器５では改質ガス中の水素、ＣＯ、および未燃メタノールをコンプレッサ４から供給された空気により燃焼させて、その燃焼ガスの熱によって、蒸発器６を加熱する。蒸発器６が所定温度以上となった時点でタンク８、１０より、メタノールと水が蒸発器６に供給されて気化され、原燃料ガスが改質器１に供給される。改質器１では部分酸化反応に加えて、水蒸気改質反応を行い、自立運転へ移行する。
【００２２】
ＣＯ除去器２が所定温度以上になった場合には前述のように改質ガスは十分にＣＯ濃度が低い状態になっており、切替弁１２を切り替えて改質ガスを燃料電池スタック３に供給する。燃料電池スタック３で発電を行った後に残留した排ガス（排改質ガスと排空気ガス）は燃焼器５に供給されて燃焼され、蒸発器６をさらに加熱する。蒸発器６が所定温度以上となった時点で、メタノールと水が蒸発器６に供給されて気化され、原燃料ガスが改質器１に供給される。蒸発器６の温度が所定温度以上となった時点で、起動燃焼器７の運転を停止して、定常運転に移行する。
【００２３】
次に、図２を用いて起動用燃焼器７の詳細形状について説明する。
【００２４】
起動用燃焼器７は有底状の内筒７Ａと、内筒７Ａと同軸上配置されて内筒７Ａとの間で空気通路１３を形成する外筒７Ｂとの二重筒構成からなる。内筒７Ａの開口端は改質器１に一体的に接続される。また底部７Ｃにはメタノールと空気が噴射される噴孔７Ｄが形成され、底部７Ｃの外部には略内筒７Ａと同軸に円筒部３０、円筒部３１を介して、メタノールを噴霧する第１メタノール噴射弁１４が設置されている。第１メタノール噴射弁１４の周囲には内筒７Ａ内に空気のスワール渦を形成するスワラー１５が円筒部３１に設けられ、空気供給部３２から供給された空気がメタノールと混合する。
【００２５】
第１メタノール噴射弁１４はメタノールタンク８に接続されポンプ９によってメタノールが供給されるとともに、スワラー１５と空気通路１３にはコンプレッサ４から空気が供給される。空気通路１３に供給された空気は空気通路１３の最下流（最も改質器１寄り）に設けられた複数の空気噴出孔１６から内筒７Ａ内に供給される。空気噴出孔１６は周方向に等間隔に設けられる。
【００２６】
また内筒７Ａには内筒７Ａ内に噴霧されたメタノールに着火するグロープラグ１７が設置される。さらにグロープラグ１７と空気噴出孔１６との間に第２メタノール噴射弁１８が設置されて、内筒７Ａに設けられた噴孔１９からメタノールを内筒７Ａ内に噴霧する。なお空気噴出孔１６の位置は本実施形態では最下流の位置に設けたが、第２メタノール噴射弁１８と同じか下流であればよい。
【００２７】
なお各噴射弁１４、１８は固定部材２２Ａ、２２Ｂの中に設置された上で、所定位置に取付けられる。各噴射弁１４、１８と固定部材２２Ａ、２２Ｂとの間にはシールが噴射弁の軸方向で上下２箇所（噴孔１９側シール２０、外周側シール２１）に設けられており、これらシール２０、２１によってシール性が確保されておりメタノールや燃焼ガスが外部に漏れることはない。
【００２８】
ここで起動用燃焼器７の作用につき説明する。
【００２９】
メタノールタンク８から供給された所定量のメタノールが第１メタノール噴射弁１４から噴射され、スワラー１５で形成された空気のスワール渦と混合して内筒７Ａ内に供給される。この混合ガスは可燃限界内のメタノールリッチ混合ガスとして形成される。この混合ガスは所定温度に昇温したグロープラグ１７によって着火される。この時メタノールリッチの混合ガスはメタノール可燃リッチ限界付近の空燃比として混合されており、燃焼ガスの温度はＮＯｘが発生する温度まで上昇しないため、燃焼ガス中にＮＯｘはほとんど含まれない。
【００３０】
第１メタノール噴射弁１４の下流に設置された第２メタノール噴射弁１８とさらにその下流の空気噴出孔１６からのメタノールと空気の供給は、改質器１に供給される燃焼ガスの組成を調整するためのもので、すなわち、メタノールと空気の供給によって燃焼ガスを可燃限界を超えたメタノールリッチの混合ガスとして、改質器１に混合ガスを供給する。
【００３１】
第２メタノール噴射弁１８からのガス組成調整用燃料としてのメタノール噴霧は、第１メタノール噴射弁１４とほぼ同時かあるいは所定時間遅らせて行う。これにより改質器１でのメタノール部分酸化に必要なメタノールを供給するとともに、メタノールの気化潜熱により、メタノールの自己着火温度以下に冷却することができる。このときの燃焼ガスはメタノールリッチ燃焼したことにより、酸素はほとんど含まれておらず、メタノールが酸化反応を起こすことはない。
【００３２】
コンプレッサ４から供給された空気は空気通路１３を通過して内筒７Ａの下流側に設けた空気噴出孔１６から内筒７Ａ内に噴出される。このガス組成調整用空気を供給することにより、改質器１でのメタノール部分酸化に必要な空気を供給するとともに、空気を均一に供給して速やかに混合させて燃焼ガスの温度をさらにＮＯｘが生成されない温度まで低下させることができる。したがって改質器１は失活しないで、かつ改質器１で改質反応を行うことのできる最適な活性温度に制御することができる。
【００３３】
さらに空気通路１３を空気が通過することにより、燃焼が継続して内筒７Ａの温度が上昇した時に内筒７Ａを空気で冷却することができ、内筒７Ａ内面に付着するメタノールによるすすの生成が抑制される。また熱交換によって空気も昇温されるために第２メタノール噴射弁１８から噴霧されるガス組成調整用燃料のメタノールの気化を促進することができる。また気化時間を短縮することができるため、起動燃焼器を小型化することができる。
【００３４】
図３に示す第２の実施形態について説明する。
【００３５】
これは第２メタノール噴射弁１８の噴孔１９側とその噴孔側のシール２０を空気通路１３に露出するように設けたものである。このようにすることで高温の燃焼ガスによって高温となる第２メタノール噴射弁１８とシール２０を空気通路１３の空気によって冷却可能となる。したがって第２メタノール噴射弁１８の破損を防止し、破損によるメタノール噴射量制御不良を防ぐことができる。またシール２０の熱による破損を防止できるので、破損による燃焼ガスの外部への漏洩を防止される。
【００３６】
図４、図５、図６に第３の実施形態を示す。
【００３７】
これは第２メタノール噴射弁１８の噴射したメタノール噴霧に新たな空気供給部材を設けて空気通路１３の空気を混合、拡散させる構成である。第２メタノール噴射弁１８と同軸に内筒７Ａに補助空気供給部材２３が設置される。補助空気供給部材２３の中央に第２メタノール噴射弁１８が設置され、メタノール噴霧が噴孔１９から内筒７Ａ内に行われる。補助空気供給部材２３には空気通路１３の空気を噴孔１９に噴出させる通路２３Ａが周方向に複数設けられる。通路２３Ａの噴孔１９の開口部２３Ｂは噴出した空気同士がぶつかり合わないよう、空気が噴孔１９の中心を同一方向に旋回するように形成される。このように形成されることで空気通路１３からの空気は噴孔１９周りにスワール渦を形成し、噴射されたメタノールと混合し、メタノールの微粒化および拡散を促進することができる。さらに第２メタノール噴射弁１８と補助空気供給部材２３とから供給されるメタノールと補助空気から形成される混合気は可燃限界よりもメタノールリッチの混合気として、着火を極力抑制することができる。また第２メタノール噴射弁１８を空気によって冷却することができ、高温の燃焼ガスによる熱破損から噴射弁１８を守ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成図である。
【図２】本発明の起動用燃焼器の構成図である。
【図３】同じく第２実施形態の起動用燃焼器の構成図である。
【図４】同じく第３実施形態の起動用燃焼器の構成図である。
【図５】同じく第３の実施形態の補助空気供給部材の詳細図である。
【図６】同じく図４の矢視Ａから見た補助空気供給部材の通路形状を説明する図である。
【符号の説明】
１改質器
２ＣＯ除去器
３燃料電池スタック
４コンプレッサ
５燃焼器
６蒸発器
７起動用燃焼器
７Ａ内筒
７Ｂ外筒
１３空気通路
１４第１メタノール噴射弁
１８第２メタノール噴射弁
２０シール
２１シール

Claims

燃料と水とからなる原燃料を気化する蒸発器と、
気化した原燃料ガスと空気とから改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスと空気とから発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排改質ガスと排空気ガスとを燃焼する燃焼器と、起動時に理論空燃比よりもリッチに混合した燃料と空気とからなる混合気を燃焼し、燃焼ガスを改質器に供給する起動用燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記起動用燃焼器は、その構造を内筒、外筒からなる二重管構造とし、内筒内側の内部空間に可燃の燃料リッチ混合気を供給、燃焼して燃焼ガスを生成し、内筒と外筒との間の外部空間に、燃焼ガス成分を調整するための酸化剤を供給し、この酸化剤は燃焼ガスを可燃限界よりも燃料リッチな混合気に調整するための燃料を内部空間に供給する噴射弁の位置に対して燃焼ガスの流れ方向で同じ位置かまたは下流において内部空間に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
前記酸化剤は前記内筒の周方向に複数形成された供給孔から内部空間に供給され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。
前記噴射弁は外部空間を貫通して設置され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。
前記噴射弁の噴射した燃料に酸化剤を混合させる酸化剤供給部材を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。