JP2009070625A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料ラインを逆流する液体燃料に混入した異物により機器が損傷するのを防止する。
【解決手段】燃料電池システム１は、改質器８で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、ＰＥＦＣスタックで改質ガスを用いて発電するものであって、改質器８に導入される液体燃料が流通する液体燃料ラインＬ１を備え、液体燃料ラインＬ１には、液体燃料に混入した異物が分離されるように液体燃料を一時貯留するチャンバ５１が設けられている。よって、水ラインＬ２から導入され混合される水が液体燃料ラインＬ１に逆流した場合であっても、この逆流した水がチャンバ５１で分離され、液体燃料のみがチャンバ５１を通過することとなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で改質ガスを用いて発電するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２４０９５２号公報

しかしながら、上述したような燃料電池システムでは、例えば液体燃料を水蒸気改質して改質ガスを生成する場合、液体燃料と水とを混合する必要があるため、混合される水が液体燃料よりも圧力が高いと、この水が液体燃料ラインに逆流してしまうおそれがある。よって、逆流した水（異物）により、液体燃料ラインに設けられた機器が損傷してしまう問題がある。

そこで、本発明は、液体燃料ラインを逆流する液体燃料に混入した異物により機器が損傷するのを防止できる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で改質ガスを用いて発電する燃料電池システムであって、改質器に導入される液体燃料が流通する液体燃料ラインを備え、液体燃料ラインには、液体燃料に混入した異物が分離されるように液体燃料を一時貯留するチャンバが設けられていることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、液体燃料ラインに設けられているチャンバが、液体燃料に混入した異物が分離されるように液体燃料を一時貯留する。そのため、例えば水蒸気改質を行なうために液体燃料に混合される水等の異物が液体燃料ラインに逆流する場合であっても、その異物がチャンバで分離され、液体燃料のみがチャンバを通過されることとなる。従って、チャンバよりも上流側に異物が逆流するのを抑制でき、液体燃料ラインを逆流する液体燃料に混入した異物により機器が損傷するのを防止できる。なお、この「異物」とは、液体燃料以外のものをいい、例えば、水蒸気改質を行なうために液体燃料に混合される「水（水蒸気）」の他に、部分酸化改質等を行なうために液体燃料に混合される「空気（酸素）」、「金属粉」、「錆び」、「塵」及び「ゴミ」等が挙げられる。

ここで、液体燃料ラインにおいて下流側には、オリフィスが設けられていることが好ましい。これにより、例えば液体燃料ラインを水が逆流する場合において、その圧力が高く流速が速い場合でも、オリフィスにより流速が低減され、よって、水がチャンバで確実且つ好適に分離されることとなる。従って、液体燃料ラインを逆流する液体燃料に混入した異物により機器が損傷するのを一層防止できる。

また、液体燃料ラインには、遮断弁が設けられており、遮断弁は、流通する液体燃料の圧力が所定圧力以上のときに、液体燃料ラインを開放するように設定されていることが好ましい。この場合、流通する液体燃料の圧力が所定圧力（例えば、水蒸気改質を行なうために混合される水の圧力）以上のときに、遮断弁が液体燃料ラインを開放するため、液体燃料ラインに異物が逆流してしまうこと自体を抑制することができ、液体燃料ラインを逆流する液体燃料に混入した異物により機器が損傷するのを一層防止できる。

本発明によれば、液体燃料ラインを逆流する液体燃料に混入した異物により機器が損傷するのを防止することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。燃料電池システムは、液体燃料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、液体燃料としては、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から灯油を用いている。

図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、燃料処理システム（ＦＰＳ）３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック（燃料電池）４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。

脱硫器２は、外部から導入された液体燃料を脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（不図示）が設けられており、これにより、脱硫器２は、液体燃料を例えば１３０℃〜１８０℃まで加熱する。ＦＰＳ３は、液体燃料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器８及びバーナ９を有している。改質器８は、脱硫された液体燃料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。バーナ９は、改質器８の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。この改質器８には、導入される液体燃料及び水蒸気を気化するための気化器１１が設けられている。

ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（不図示）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で得られた改質ガスを用いて発電してＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体高分子である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。

インバータ５は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。

また、燃料電池システム１は、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料が流通する液体燃料ラインＬ１を備えている。この液体燃料ラインＬ１は、金属性の配管からなり、改質器８に接続され液体燃料を改質器８に導入する改質器ラインＬ１１と、バーナ９に接続され液体燃料をバーナ９に導入するバーナラインＬ１２とに分岐点Ｔを介して分岐されている。

改質器ラインＬ１１の改質器８付近には、水を改質器８に導入するための水ラインＬ２が連結され、液体燃料と水とが混合されている。この水ラインＬ２には、ＰＣＦＣスタック４で発生した水を回収する回収水ラインＬ４が接続されている。

次に、液体燃料ラインＬ１について詳細に説明する。図２は図１の燃料電池システムにおける液体燃料ラインを示す概略構成図であり、図３は図１の燃料電池システムにおけるチャンバを示す断面図である。図２に示すように、液体燃料ラインＬ１において分岐点Ｔの上流側には、上流側から下流側に向かって、ポンプ１３、圧力計５２、流量計４１、チャンバ５１、オリフィス４３がこの順に設けられている。

ポンプ１３は、液体燃料ラインＬ１の下流側に液体燃料を圧送するものであり、ここでは、定流量ポンプが用いられている。このように定流量ポンプを用いることで、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料の流量を安定化することができる。このポンプ１３には、制御装置４２が接続されている。

圧力計５２は、通過する液体燃料の圧力を検出し、その圧力信号を制御装置４２に出力する。流量計４１は、通過する液体燃料の流量を検出し、その流量信号を制御装置４２に出力する。チャンバ５１は、液体燃料に混入した異物が分離されるように液体燃料を一時貯留するものであり、ここでは、チャンバ５１は、水ラインＬ２で混合され液体燃料ラインＬ１を逆流する水が主に分離されるように、液体燃料を一時貯留する（詳しくは、後述）。オリフィス４３は、液体燃料ラインＬ１の流路面積を減少させ、これにより、流通する液体燃料を制限する。

制御装置４２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成されている。この制御装置４２は、流量計４１から出力された流量信号に基づいてポンプ１３の駆動を制御し、ポンプ１３で圧送される液体燃料の流量を制御する。また、制御装置４２は、圧力計５２から出力された圧力信号に基づいて、液体燃料ラインＬ１を流通する液体燃料の圧力が所定圧力以上（ここでは、水ラインＬ２における水の圧力以上）かどうかを判断し、液体燃料の圧力が所定圧力以上の圧力の場合に、後述の遮断弁５３に開弁信号を出力する。また、制御装置４２は、バーナ９により改質器８の改質触媒を加熱しない場合（例えばＰＥＦＣスタック４からのオフガスを利用して改質触媒を加熱する場合等）に、後述の遮断弁５４を制御してバーナラインＬ１１を遮断させる。

液体燃料ラインＬ１において分岐点Ｔにより分岐された改質器ラインＬ１１及びバーナラインＬ１２には、遮断弁５３，５４がそれぞれ設けられている。遮断弁５３は、制御装置４２に接続されており、改質器ラインＬ１１を遮断すると共に、制御装置４２から開弁信号が入力されたときに、改質器ラインＬ１１を開放する。つまり、流通する液体燃料の圧力が所定圧力以上のときに、改質器ラインＬ１１を開放する。遮断弁５４は、制御装置４２に接続されており、バーナ９により改質器８の改質触媒を加熱しない場合に、バーナラインＬ１１を遮断してバーナ９への液体燃料の供給を停止させる。

ここで、燃料電池システムでは、上述したように、液体燃料に混入した水が分離されるように液体燃料を一時貯留するチャンバ５１が液体燃料ラインＬ１に設けられている。このチャンバ５１は、図３に示すように、その内部の空間に液体燃料を一時貯留し、液体燃料Ｋと液体燃料中に混入する水Ｗとの比重差で液体燃料Ｋを浮遊させると共に水Ｗを沈殿させ、これらを分離させる。そして、浮遊された液体燃料Ｋのみが液体燃料ラインＬ１の正流方向（図中の矢印方向）及び逆流方向に通過できるようになっている一方、底部に設けられた排出部５４の水抜き栓５５を外すことで、排出部５４から沈殿した水が排出されるようになっている。

このように構成された燃料電池システム１では、まず、外部から液体燃料がポンプ（不図示）により筐体６内導入される。続いて、導入された液体燃料がポンプ１３で圧送されつつ、圧送される液体燃料の流量が流量計４１から出力された流量信号に基づいて制御装置４２で制御される。続いて、圧送された液体燃料が、圧力計５２、流量計４１、チャンバ５１及びオリフィス４３をこの順に通過し、分岐点Ｔで改質器ラインＬ１１とバーナラインＬ１２とに分岐される。

そして、分岐された一方の液体燃料が、バーナ９に導入されると共に、分岐された他方の液体燃料が、遮断弁５３に開弁信号が入力され改質器ラインＬ１１が開放されたとき（液体燃料の圧力が水ラインＬ２における水の圧力以上のとき）に遮断弁５３を通過し、水ラインＬ２から導入された水と混合され、気化器１１で気化されて改質器８に導入される。

ここで、燃料電池システム１においては、上述したように、液体燃料ラインＬ１にチャンバ５１が設けられているため、水ラインＬ２から導入され混合される水が液体燃料ラインＬ１に逆流した場合であっても、この逆流した水がチャンバ５１で分離され、液体燃料のみがチャンバ５１を通過することとなる。従って、チャンバ５１よりも上流側に水が逆流するのを抑制でき、液体燃料ラインＬ１を逆流する液体燃料に混入した水により機器（ここでは、流量計４１、圧力計５２及びポンプ１３）が損傷するのを防止できる。

なお、上述したように、排出部５４から沈殿した水が排出されるようになっているため、チャンバ５１では、液体燃料と当該液体燃料に混入する水とを分離するだけでなく、分離した水を容易に除去することもできる。ちなみに、チャンバ５１では、逆流方向だけでなく正流方向に流通する水を分離し除去することも勿論でき、よって、液体燃料ラインＬ１においてチャンバ５１よりも下流側に水が流通するのを抑制することができる。また、液体燃料に当該液体燃料よりも比重が大きい、金属粉、錆、塵若しくはゴミが混入した場合にも、これらをチャンバ５１で分離し除去することも可能である。

また、上述したように、液体燃料ラインＬ１においてチャンバ５１の下流側にオリフィス４３が設けられているため、液体燃料ラインを逆流する水の圧力が高く流速が速い場合でも、このオリフィス４３により流速が低減（トラップ）され、よって、水がチャンバ５１で確実且つ好適に分離されることとなる。従って、液体燃料ラインＬ１を逆流する液体燃料に混入した水により機器が損傷するのを一層防止できる。

また、上述したように、液体燃料ラインＬ１における改質器ラインＬ１１には、遮断弁５３が設けられており、この遮断弁５３にあっては、流通する液体燃料の圧力が水ラインＬ２における水の圧力以上のときに、改質器ラインＬ１１を開放するように設定されている。そのため、水ラインＬ２から導入された水が液体燃料ラインＬ１に逆流してしまうこと自体を抑制することができ、液体燃料ラインＬ１を逆流する液体燃料に混入した水により機器が損傷するのを一層防止できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、液体燃料として灯油を用いたが、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器（脱硫方法）及び改質器（改質方法）は、用いる液体燃料の特性に応じたものとされる。

また、上記実施形態では、チャンバ５１が、異物として液体燃料ラインＬ１を逆流する水が主に分離されるように液体燃料を一時貯留したが、液体燃料を部分酸化改質やオートサーマル改質（ＡＴＲ）する際には、例えばチャンバの上端部に空気が流通する空気孔を設けることで、異物として液体燃料ラインを逆流する空気（酸素）が主に分離されるように液体燃料を一時貯留する場合もある。この場合、遮断弁が液体燃料ラインＬ１を開放する際の液体燃料の圧力（上記の所定圧力）は、異物の種類に応じて適宜設定される。

また、上記実施形態では、ＰＥＦＣスタック４を備えた燃料電池システム１としたが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備えた燃料電池システムとしてもよい。また、上記実施形態では、ポンプ１３に定流量ポンプを用いたが、例えば電磁ポンプ等の定流量ポンプ以外の種々のポンプを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１の燃料電池システムにおける液体燃料ラインを示す概略構成図である。 図１の燃料電池システムにおけるチャンバを示す概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、４…ＰＥＦＣスタック（燃料電池）、８…改質器、４３…オリフィス、５１…チャンバ、５３…遮断弁、Ｌ１…液体燃料ライン、Ｋ…液体燃料、Ｗ…水（異物）。

Claims (3)

1. 改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で前記改質ガスを用いて発電する燃料電池システムであって、
   前記改質器に導入される前記液体燃料が流通する液体燃料ラインを備え、
   前記液体燃料ラインには、前記液体燃料に混入した異物が分離されるように前記液体燃料を一時貯留するチャンバが設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記液体燃料ラインにおいて前記チャンバの下流側には、オリフィスが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。
3. 前記液体燃料ラインには、遮断弁が設けられており、
   前記遮断弁は、流通する前記液体燃料の圧力が所定圧力以上のときに、前記液体燃料ラインを開放するように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
   
   

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