JP2002117874A - 改質型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷が急停止または急減速した場合であって
も、燃焼器に流入する余剰の燃料が過大になるのを防止
する。 【解決手段】 改質ガスを生成する改質器１と、改質ガ
ス中のＣＯを低減して燃料電池スタックへ供給するＣＯ
除去部２と、燃料電池スタック３からの排出ガスまたは
改質ガスと空気を燃焼させる燃焼器４と、燃焼器４から
の排気熱によって改質器１へ燃料蒸気を送る蒸発器５
と、ＣＯ除去部２から燃料電池スタック３への改質ガス
を選択的に供給するシャットオフ弁８と、ＣＯ除去部と
燃焼器とを連通させる流路４０に介装されて改質ガスを
選択的に供給するシャットオフ弁９と、シャットオフ弁
９と並列に絞り要素としての小型シャットオフ弁１０を
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、改質型燃料電池シ
ステムの改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の改質型燃料電池システムとして
は、特開平７−２９６８３４号公報等が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、燃料電池スタックに接続されたモータ
などの負荷が急に停止したり、急激に減速して要求出力
が急減した場合には、燃料電池スタックから排出された
余剰の燃料（水素）が、一気に燃焼器へ流入するため、
燃焼器の温度が過大に上昇して耐久性が低下するという
問題があった。

【０００４】そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなさ
れたものであり、負荷が急停止または急減速した場合で
あっても、燃焼器に流入する余剰の燃料が過大になるの
を防止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、改質ガス
を生成する改質器と、前記改質ガス中のＣＯを低減して
燃料電池スタックへ供給するＣＯ除去部と、前記燃料電
池スタックからの排出ガスまたは前記改質ガスと空気を
燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの排気熱によって
前記改質器へ燃料蒸気を送る蒸発器と、前記ＣＯ除去部
から燃料電池スタックへの改質ガスを選択的に供給する
第１の弁と、前記ＣＯ除去部と燃焼器とを連通させる流
路に介装されて改質ガスを選択的に供給する第２の弁と
を備えた改質型燃料電池システムにおいて、前記第２の
弁を配設した流路に絞り要素を設ける。

【０００６】また、第２の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記絞り要素が、前記第２の弁と並列的に配置さ
れた第３の弁で構成される。

【０００７】また、第３の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記絞り要素が、前記第２の弁と直列的に配置さ
れた絞りで構成される。

【０００８】また、第４の発明は、改質ガスを生成する
改質器と、前記改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池ス
タックへ供給するＣＯ除去部と、前記燃料電池スタック
からの排出ガスまたは前記改質ガスと空気を燃焼させる
燃焼器と、前記燃焼器からの排気熱によって前記改質器
へ燃料蒸気を送る蒸発器と、前記ＣＯ除去部から燃料電
池スタックへの改質ガスを選択的に供給する第１の弁
と、前記ＣＯ除去部と燃焼器とを連通させる流路に介装
されて改質ガスを選択的に供給する第２の弁と、燃料電
池スタックと燃焼器との間で、燃料電池スタック内の改
質ガスを調圧する圧力制御弁とを備えた改質型燃料電池
システムにおいて、前記圧力制御弁が閉弁したときに、
燃焼器へ流入する改質ガスを規制する絞り要素を設け
る。

【０００９】また、第５の発明は、前記第４の発明にお
いて、前記絞り要素が、前記圧力制御弁と並列的に配置
された第４の弁で構成される。

【００１０】また、第６の発明は、前記第４の発明にお
いて、前記絞り要素が、前記圧力制御弁と並列的に配置
された絞りで構成される。

【００１１】

【発明の効果】したがって、第１の発明は、ＣＯ除去部
と燃焼器とを連通させる流路には絞り要素が配設されて
おり、燃料電池スタックから排出される改質ガスに余剰
の燃料が急増するような状況になると、第１の弁を閉弁
して、絞り要素を介してＣＯ除去部から燃焼器へ徐々に
改質ガスを送ることができ、燃焼器へ流入する燃料の量
が急増するのを抑制して、燃焼器の温度が過大になるの
を確実に防止し、燃焼器の耐久性を確保することができ
る。

【００１２】また、第２の発明は、第２の弁と並列的に
配置した第３の弁を絞りとして機能させることで、燃料
電池スタックから排出される改質ガスに余剰の燃料が急
増するような状況になると、第１の弁と第２の弁を閉弁
して、第３の弁を介してＣＯ除去部から燃焼器へ徐々に
改質ガスを送ることができ、燃焼器へ流入する燃料の量
が急増するのを抑制して、燃焼器の温度が過大になるの
を確実に防止し、燃焼器の耐久性を確保することができ
る。

【００１３】また、第３の発明は、第２の弁と直列的に
絞りを配置したので、燃料電池スタックから排出される
改質ガスに余剰の燃料が急増するような状況になると、
第１の弁を閉弁する一方、第２の弁を開弁することで、
絞りを介してＣＯ除去部から燃焼器へ徐々に改質ガスを
送ることができ、燃焼器へ流入する燃料の量が急増する
のを抑制して、燃焼器の温度が過大になるのを確実に防
止し、燃焼器の耐久性を確保することができる。

【００１４】また、第４の発明は、燃料電池スタックと
燃焼器との間には、燃料電池スタック内の改質ガスを調
圧する圧力制御弁が閉弁したときに、燃焼器へ流入する
改質ガスを規制する絞り要素を設けたので、燃料電池ス
タックから排出される改質ガスに余剰の燃料が急増する
ような状況になると、圧力制御弁を閉弁して、絞り要素
を介して燃料電池スタックから燃焼器へ徐々に改質ガス
を送ることができ、燃焼器へ流入する燃料の量が急増す
るのを抑制して、燃焼器の温度が過大になるのを確実に
防止し、燃焼器の耐久性を確保することができる。

【００１５】また、第５の発明は、圧力制御弁と並列的
に配置した第４の弁を絞りとして機能させることで、燃
料電池スタックから排出される改質ガスに余剰の燃料が
急増するような状況になると、第４の弁を介して燃焼器
へ徐々に改質ガスを送ることができ、燃焼器へ流入する
燃料の量が急増するのを抑制して、燃焼器の温度が過大
になるのを確実に防止し、燃焼器の耐久性を確保するこ
とができる。

【００１６】また、第６の発明は、圧力制御弁と並列的
に配置した絞りを備えたことで、燃料電池スタックから
排出される改質ガスに余剰の燃料が急増するような状況
になると、絞りを介して燃焼器へ徐々に改質ガスを送る
ことができ、燃焼器へ流入する燃料の量が急増するのを
抑制して、燃焼器の温度が過大になるのを確実に防止
し、燃焼器の耐久性を確保することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００１８】図１は改質型の燃料電池システムを示し、
燃料電池スタック３へ燃料（水素）ガスを供給する改質
システムは、水蒸気を生成する水及び原料となるメタノ
ールを気化させる蒸発器５からのガスと、流量制御弁２
６から圧送される図示しないコンプレッサなどからの空
気を、改質器１で触媒反応させて改質ガスとし、さら
に、ＣＯ除去部２の上流から空気を供給し、ＣＯ除去部
２で改質ガス中のＣＯを取り除いた後、シャットオフ弁
８（遮断弁で第１の弁）を介して燃料電池スタック３の
図示しないアノード極へ供給される。

【００１９】また、ＣＯ除去部２で生成された改質ガス
は、バイパス流路４０を介してシャットオフ弁９（第２
の弁）または小型シャットオフ弁１０（第３の弁）から
燃焼器４へ供給可能に構成される。

【００２０】これらシャットオフ弁９と小型シャットオ
フ弁１０は並列に配置されており、小型シャットオフ弁
１０の流路断面積は、シャットオフ弁９よりも小さく設
定され、シャットオフ弁９の閉弁時には、小型シャット
オフ弁１０が絞り要素として機能するような流路抵抗が
設定されている。

【００２１】一方、燃料電池スタック３の図示しないカ
ソード極には、流量制御弁２５を介してコンプレッサな
どから空気（酸化剤ガス）が供給される。

【００２２】燃料電池スタック３から排出された余剰の
燃料（水素）を含む排改質ガスは、圧力制御弁２１を介
して燃焼器４へ送られる。

【００２３】また、燃料電池スタック３から排出された
排空気は、圧力制御弁２２を介して燃焼器４へ送られ
て、燃焼器４では、これら排改質ガスと排空気を燃焼さ
せて排気ガスとし、この排気ガスを蒸発器５へ送って加
熱し、インジェクタ５１、５２から噴射されるメタノー
ルと水を気化させる。

【００２４】そして、燃料電池スタック３の出力は、モ
ータなどで構成される負荷７を駆動する。

【００２５】上記のような改質型燃料電池システムは、
マイクロコンピュータなどで構成されたコントロールユ
ニット６（制御手段）が、負荷７の運転状態に応じて、
上記各制御弁およびインジェクタを制御することで燃料
電池スタック３の出力を制御している。

【００２６】このため、コントロールユニット６には、
負荷７の運転状態を検出する負荷状態検出手段３０が接
続されている。

【００２７】この負荷状態検出手段３０は、例えば、負
荷７がインバータであれば電力検出装置で構成され、負
荷７がモータであれば回転数センサなどで構成される。

【００２８】コントロールユニット６は、負荷状態検出
手段３０からの入力に基づいて、燃料電池スタック３内
のガス圧を、圧力制御弁２１、２２で調整し、燃料電池
スタック３及び改質器１へ供給する空気量を、流量制御
弁２５、２６で調整するとともに、ＣＯ除去部２から燃
料電池スタック３へ供給する改質ガスをシャットオフ弁
８で制御し、同じくＣＯ除去部２から燃焼器４へ供給す
る改質ガスをシャットオフ弁９と小型シャットオフ弁１
０で制御している。

【００２９】ここで、コントロールユニット６は、改質
システムと燃料電池スタック３が定常状態のときには、
シャットオフ弁８を開弁する一方、シャットオフ弁９と
小型シャットオフ弁１０を閉弁して、ＣＯ除去部２から
の改質ガスを燃料電池スタック３へ供給し、圧力制御弁
２１の圧力制御によって燃料電池スタック３の運転を行
っている。

【００３０】負荷状態検出手段３０が、この定常状態か
ら負荷７の急停止や急減速、換言すれば、負荷７の要求
出力の急減を検出すると、コントロールユニット６は、
シャットオフ弁８を閉弁して燃料電池スタック３への改
質ガスの供給を停止する一方、小型シャットオフ弁１０
を開弁する。

【００３１】したがって、負荷７の要求出力が急減する
と、前記従来例では排改質ガス内の余剰水素が増大して
しまうが、本願発明によれば、負荷７の要求出力が急減
すると、流路抵抗の大きい小型シャットオフ弁１０を介
して、ＣＯ除去部２からの改質ガスが燃焼器４へ徐々に
供給されることになり、燃焼器４へ流入する水素の量を
抑制して、燃焼器４の温度が過大になるのを確実に防止
し、燃焼器４の耐久性を確保することができる。

【００３２】なお、改質システムの起動時には、シャッ
トオフ弁８が閉弁する一方、シャットオフ弁９及び小型
シャットオフ弁１０が開弁して、ＣＯ除去部２からの改
質ガスを直接燃焼器４へ送って暖機を行うが、このと
き、シャットオフ弁９に加えて小型シャットオフ弁１０
も開弁させることで、ＣＯ除去部２から燃焼器４へ流入
する改質ガスの流路抵抗を低減して、効率よく暖機を行
うことができるのに加え、上記のように負荷７の要求出
力が急減すると、小型シャットオフ弁１０を絞り要素と
して作用させて、燃焼器４を保護することができるので
ある。

【００３３】また、負荷状態検出手段３０が、定常状態
から負荷７の急停止や急減速など負荷７の要求出力の急
減を検出すると、燃焼器４への改質ガス、または排改質
ガスの流入を抑制するが、蒸発器５からは要求出力が急
減する直前のガスが供給されているため、シャットオフ
弁１０から徐々に流入した改質ガスは燃焼器４で燃焼
し、蒸発器５でガスを生成するサイクルがしばらく継続
する。

【００３４】図２は、第２の実施形態を示し、前記第１
実施形態の小型シャットオフ弁１０を廃止する一方、シ
ャットオフ弁９の下流にオリフィスなどで構成された絞
り１１を設けたもので、その他の構成は、前記第１実施
形態と同様である。

【００３５】シャットオフ弁９の下流に絞り１１は、Ｃ
Ｏ除去部２から燃焼器４への改質ガスの流量が、燃焼器
４の能力を超えないように規制する流路抵抗を備えてい
る。

【００３６】この場合、定常状態から負荷７が急停止や
急減速すると、コントロールユニット６は、シャットオ
フ弁８を閉弁して燃料電池スタック３への改質ガスの供
給を停止する一方、シャットオフ弁９を開弁する。

【００３７】したがって、負荷７の要求出力が急減する
と、燃料電池スタック３への改質ガスが遮断され、シャ
ットオフ弁９の下流に設けた絞り１１を介してＣＯ除去
部２からの改質ガスが燃焼器４へ供給されることにな
り、絞り１１によって燃焼器４へ流入する水素の量を抑
制して、燃焼器４の温度が過大になるのを確実に防止
し、燃焼器４の耐久性を確保することができる。

【００３８】なお、絞り１１は、シャットオフ弁９と直
列的に配設すればよく、例えば、シャットオフ弁９の上
流に配設してもよい。

【００３９】図３は、第３の実施形態を示し、前記第２
実施形態の絞り１１を廃止する一方、燃料電池スタック
３から排出される改質ガスの圧力を制御する圧力制御弁
２１と並列的に絞り１２を設けたもので、その他の構成
は、前記第２実施形態と同様である。

【００４０】圧力制御弁２１と並列的に配置した絞り１
２は、圧力制御弁２１が閉弁したときに、燃料電池スタ
ック３から燃焼器４への排改質ガスの流量が、燃焼器４
の能力を超えないように規制する流路抵抗を備えてい
る。

【００４１】この場合、定常状態から負荷７が急停止や
急減速すると、コントロールユニット６は、シャットオ
フ弁８を開弁したまま、圧力制御弁２１を閉弁する。

【００４２】したがって、負荷７の要求出力が急減する
と、燃料電池スタック３から排出される改質ガスは、圧
力制御弁２１と並列的に配置された絞り１２を介して燃
焼器４へ供給されることになり、絞り１２によって燃焼
器４へ流入する水素の量を抑制して、燃焼器４の温度が
過大になるのを確実に防止し、燃焼器４の耐久性を確保
することができる。

【００４３】図４は、第４の実施形態を示し、前記第３
実施形態の絞り１２に代わって、小型シャットオフ弁１
３（第４の弁）を配設したもので、その他の構成は、前
記第３実施形態と同様である。

【００４４】小型シャットオフ弁１３の流路断面積は、
圧力制御弁２１よりも小さく設定されて、圧力制御弁２
１が閉弁したときに、燃料電池スタック３から燃焼器４
への排改質ガスの流量が、燃焼器４の能力を超えないよ
うに規制する流路抵抗を備え、絞り要素として機能する
ように構成されている。

【００４５】この場合、定常状態から負荷７が急停止や
急減速すると、コントロールユニット６は、シャットオ
フ弁８を開弁したまま、圧力制御弁２１を閉弁し、小型
シャットオフ弁１３を開弁する。

【００４６】したがって、負荷７の要求出力が急減する
と、燃料電池スタック３から排出される改質ガスは、圧
力制御弁２１と並列的に配置された小型シャットオフ弁
１３を介して燃焼器４へ供給されることになり、小型シ
ャットオフ弁１３によって燃焼器４へ流入する水素の量
を抑制して、燃焼器４の温度が過大になるのを確実に防
止し、燃焼器４の耐久性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す改質型燃料電池シス
テムの概略構成図。

【図２】第２の実施形態を示し、改質型燃料電池システ
ムの概略構成図。

【図３】第３の実施形態を示し、改質型燃料電池システ
ムの概略構成図。

【図４】第４の実施形態を示し、改質型燃料電池システ
ムの概略構成図。

【符号の説明】

１ 改質器 ２ ＣＯ除去部 ３ 燃料電池スタック ４ 燃焼器 ５ 蒸発器 ８ シャットオフ弁 １０、１３ 小型シャットオフ弁 １１、１２ 絞り ４０ バイパス流路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質ガスを生成する改質器と、 前記改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池スタックへ供
   給するＣＯ除去部と、 前記燃料電池スタックからの排出ガスまたは前記改質ガ
   スと空気を燃焼させる燃焼器と、 前記燃焼器からの排気熱によって前記改質器へ燃料蒸気
   を送る蒸発器と、 前記ＣＯ除去部から燃料電池スタックへの改質ガスを選
   択的に供給する第１の弁と、 前記ＣＯ除去部と燃焼器とを連通させる流路に介装され
   て改質ガスを選択的に供給する第２の弁とを備えた改質
   型燃料電池システムにおいて、 前記第２の弁を配設した流路に絞り要素を設けたことを
   特徴とする改質型燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記絞り要素が、前記第２の弁と並列的
   に配置された第３の弁であることを特徴とする請求項１
   に記載の改質型燃料電池システム。
3. 【請求項３】 前記絞り要素が、前記第２の弁と直列的
   に配置された絞りであることを特徴とする請求項１に記
   載の改質型燃料電池システム。
4. 【請求項４】 改質ガスを生成する改質器と、 前記改質ガス中のＣＯを低減して燃料電池スタックへ供
   給するＣＯ除去部と、 前記燃料電池スタックからの排出ガスまたは前記改質ガ
   スと空気を燃焼させる燃焼器と、 前記燃焼器からの排気熱によって前記改質器へ燃料蒸気
   を送る蒸発器と、 前記ＣＯ除去部から燃料電池スタックへの改質ガスを選
   択的に供給する第１の弁と、 前記ＣＯ除去部と燃焼器とを連通させる流路に介装され
   て改質ガスを選択的に供給する第２の弁と、 燃料電池スタックと燃焼器との間で、燃料電池スタック
   内の改質ガスを調圧する圧力制御弁とを備えた改質型燃
   料電池システムにおいて、 前記圧力制御弁が閉弁したときに、燃焼器へ流入する改
   質ガスを規制する絞り要素を設けたことを特徴とする改
   質型燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記絞り要素が、前記圧力制御弁と並列
   的に配置された第４の弁であることを特徴とする請求項
   ４に記載の改質型燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記絞り要素が、前記圧力制御弁と並列
   的に配置された絞りであることを特徴とする請求項４に
   記載の改質型燃料電池システム。