JP3897682B2 - 水素含有ガス供給構造、及びそれを備えた燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素含有ガス生成装置から水素含有ガスを受け入れる受入部と、
前記受入部と燃料電池とを接続する供給流路と、
前記受入部と前記水素含有ガスを燃焼させて排出するバーナとを接続する排出流路と、
前記受入部から前記供給流路への前記水素含有ガスの流通のみを許容する供給状態と、前記受入部から前記排出流路への前記水素含有ガスの流通のみを許容する排出状態とを切換える切換手段とを備えた水素含有ガス供給構造、及びそれを備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料ガスを水蒸気改質して水素含有ガスを生成する水素含有ガス生成装置と、水素含有ガスが供給される燃料電池を備えて構成されている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、例えば起動時において、水素含有ガス生成装置の運転状態が不安定であることから、良質の水素含有ガスを得ることができない場合がある。
そこで、燃料電池システムの起動時において、先ず、水素含有ガス生成装置で生成された水素含有ガスを、燃料電池側に供給することなく、バーナで燃焼させて排出し、後に、良質の水素含有ガスが生成されるようになってから、水素含有ガスの供給先を切換えて、その水素含有ガスを燃料電池に供給する場合がある。また、このように燃料電池に水素含有ガスを供給する前の段階において、水素含有ガスを燃焼させて排気するためのバーナをパージバーナと呼ぶことがある。
【０００４】
また、このように水素含有ガスの供給先を、燃料電池側とバーナ側とに切換えるための水素含有ガス供給構造は、水素含有ガス生成装置から水素含有ガスを受け入れる受入部と、受入部と燃料電池とを接続する供給流路と、受入部と水素含有ガスを燃焼させて排出するバーナとを接続する排出流路とを備えて構成され、さらに、受入部からの水素含有ガスの供給先を供給流路側又は排出流路側に切換える切換手段としての三方切換弁等を備えて構成される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８１０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来における水素含有ガス供給構造においては、供給流路に水素含有ガスを流通させた場合の圧力損失は特に燃料電池の燃料極において発生し、排出流路に水素含有ガスを流通させた場合の圧力損失は特にバーナの炎孔において発生することから、夫々の圧力損失の大きさは異なる場合が多い。
このような場合に、単純に切換手段により水素含有ガスの供給先を切換えると、供給流路及び排出流路における圧力損失が互いに異なることから、水素含有ガスの所望の流量を維持するために必要な供給圧力が変動し、結果、切換直後において水素含有ガスの流量が不安定となる。
特に、水素含有ガスの供給先を排出流路から供給流路に切換えた場合に、切換直後に水素含有ガスの流量が不安定となると、燃料電池の発電出力が不安定となるという問題が生じる。
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、切換直後における水素含有ガスの流量変動を良好に抑制し、燃料電池の発電出力を安定したものとすることができる水素含有ガス供給構造、及びそれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る水素含有ガス供給構造は、請求項１に記載したごとく、水素含有ガス生成装置から水素含有ガスを受け入れる受入部と、
前記受入部と燃料電池とを接続する供給流路と、
前記受入部と前記水素含有ガスを燃焼させて排出するバーナとを接続する排出流路と、
前記受入部から前記供給流路への前記水素含有ガスの流通のみを許容する供給状態と、前記受入部から前記排出流路への前記水素含有ガスの流通のみを許容する排出状態とを切換える切換手段とを備えた水素含有ガス供給構造であって、
前記供給状態において前記受入部にかかる背圧と、前記排出状態において前記受入部にかかる背圧とを同等に設定する背圧設定手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
〔作用効果〕
本構成の水素含有ガス供給構造によれば、背圧設定手段により、受入部から供給流路へ水素含有ガスを供給するときにかかる背圧と、受入部から排出流路へ水素含有ガスを供給するときにかかる背圧とを同等なものとすることができるので、切換手段により、受入部からの水素含有ガスの供給先を、供給流路と排出流路とに択一的に切換えた場合でも、受入部にかかる背圧は殆ど変化することがないので、切換直後における水素含有ガスの流量を比較的安定したものとすることができ、燃料電池の発電電力を安定したものとすることができる。
【０００９】
〔構成２〕
本発明に係る水素含有ガス供給構造は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の水素含有ガス供給構造の構成に加えて、前記背圧設定手段が、前記排出流路に設けられ、前記排出流路を流通する水素含有ガスに背圧を付加する背圧付加手段として構成されていることを特徴とする。
【００１０】
〔作用効果〕
供給状態において受入部にかかる背圧は、大部分が供給流路に通じる燃料電池の燃料極における圧力損失に起因するものであり、排出状態において受入部にかかる背圧は、大部分がバーナの炎孔における圧力損失に起因するものである。そして、一般的に、燃料電池の燃料極における圧力損失が、バーナの炎孔における圧力損失よりも大きいことから、供給流路側に水素含有ガスを供給する場合の背圧の方が、排出流路側に供給する場合の背圧よりも大きい場合が多い。
そして、このような場合には、本構成のごとく、排出流路のみに背圧を付加する背圧付加手段を設けることで、両背圧を同等に設定して切換直後における水素含有ガスの流量を比較的安定したものとすることができる水素含有ガス供給構造を実現することができる。
【００１１】
〔構成３〕
本発明に係る水素含有ガス供給構造は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２の水素含有ガス供給構造の構成に加えて、前記水素含有ガス生成装置が、供給される炭化水素系の原燃料を水蒸気を用いて水素含有ガスに改質する改質器を備えて構成され、
前記バーナが、前記改質器を加熱するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
切換手段により、受入部からの水素含有ガスの供給先が排出流路側に切換えられると、水素含有ガス生成装置で生成された水素含有ガスがバーナにて燃焼して、そのように燃焼するバーナにて改質器が加熱されることになり、改質器では、バーナから供給される熱を用いて、炭化水素系の原燃料が改質処理されて水素含有ガスが生成される。
つまり、水素含有ガス生成装置には、炭化水素系の原燃料を水蒸気と改質反応させて水素含有ガスに改質する改質器を備えるものであり、その改質器における改質反応は吸熱反応である。
そこで、水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスを燃料電池に供給する前の段階において燃焼させて排気するためのバーナとして、改質器を加熱するように構成することにより、水素含有ガス生成装置の運転状態が不安定なときに生成された水素含有ガスのエネルギーを、原燃料の改質処理用として有効利用することができる。
従って、水素含有ガス生成装置の運転状態が不安定なときに生成された水素含有ガスのエネルギーを水素含有ガス生成装置における水素含有ガスの生成用として有効利用し得る水素含有ガス供給構造を実現することができる。
【００１３】
〔構成４〕
本発明に係る燃料電池システムは、請求項４に記載したごとく、水素含有ガス生成装置と燃料電池とを備え、
前記水素含有ガス生成装置から前記受入部に受け入れた水素含有ガスを前記燃料電池に供給するための水素含有ガス供給構造として、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素含有ガス供給構造を備えたことを特徴とする。
【００１４】
〔作用効果〕
本構成の燃料電池システムによれば、水素含有ガス供給構造により、水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスの供給先が、燃料電池側とバーナ側とに切換えられる。
そして、水素含有ガス供給構造として、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素含有ガス供給構造を備えることにより、受入部からの水素含有ガスの供給先を、供給流路側と排出流路側とに択一的に切換えた場合でも、受入部にかかる背圧は殆ど変化することがないので、切換直後における水素含有ガスの流量を比較的安定したものとすることができ、燃料電池の発電電力を安定したものとすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１に示す燃料電池システム１００は、水素含有ガス生成装置Ｐと燃料電池Ｇとを備え、さらに、水素含有ガス生成装置Ｐで生成された水素リッチな水素含有ガスを燃料電池Ｇの燃料極１０に供給するための水素含有ガス供給構造５０を備える。
【００１６】
水素含有ガス生成装置Ｐは、供給される天然ガス等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器１と、供給される原料水を加熱して水蒸気を生成する水蒸気生成器６と、改質器加熱手段としての燃焼器に相当する改質器バーナ３１にて加熱されて、脱硫器１から供給される脱硫原燃料ガスを水蒸気生成器６で生成された水蒸気を用いてＨ₂とＣＯを含むガスに改質処理する改質器２と、改質器２から供給される改質処理ガス中のＣＯを水蒸気を用いてＣＯ₂に変成させることにより変成処理するＣＯ変成器３と、そのＣＯ変成器３から供給される変成処理ガス中のＣＯを選択酸化することにより選択酸化処理するＣＯ選択酸化反応器４と、水素含有ガス生成装置の運転を制御する制御部（図示せず）等を備えて構成して、ＣＯ濃度の低い（例えば１０ｐｐｍ以下）水素リッチな水素含有ガスを生成し、水素含有ガス供給構造５０の受入流路（受入部の一例）２３に供給するように構成してある。
【００１７】
そして、受入流路２３に供給された水素含有ガスは、水素含有ガス供給構造５０により燃料ガスとして燃料電池Ｇに供給される。燃料電池Ｇは、詳細な説明は省略するが、高分子膜を電解質１１とする固体高分子型であり、水素含有ガス生成装置Ｐから燃料極１０に供給される燃料ガス中の水素と、ブロア７から空気極１２に供給される反応用空気中の酸素との電気化学反応により発電するように構成してある。
ブロア７からの空気の一部は、改質器バーナ３１に燃焼用空気として供給される。
【００１８】
次に、水素含有ガス供給構造５０の詳細について説明する。
受入流路２３には、燃料電池Ｇの燃料極１０を通る供給流路２１と、後述するパージバーナ３０に接続された排出流路２２とが、並列接続されている。
【００１９】
また、夫々の流路２１，２２には、開閉弁２５，２６が設けられており、この開閉弁２５，２６は、切換手段２９により操作される。
詳しくは、切換手段２９は、開閉弁２５を開状態、開閉弁２６を閉状態とすることで、受入流路２３から供給流路２１への水素含有ガスの流通のみを許容する供給状態と、開閉弁２５を閉状態、開閉弁２６を開状態とすることで、受入流路２３から排出流路２２への水素含有ガスの流通のみを許容する排出状態とを切換えるように構成されている。
【００２０】
パージバーナ３０は、例えば、水素含有ガス生成装置Ｐにおいて水素含有ガスの生成が開始されてから、燃料電池Ｇに水素含有ガスを供給する前において、その水素含有ガスをブロア７から供給される空気により燃焼させるように構成されている。
【００２１】
即ち、燃料電池システム１００は、起動直後においては、水素含有ガス生成装置Ｐの運転状態が不安定で受入流路２３に供給される水素含有ガスの質が安定していないので、切換手段２９を働かせて、受入流路２３に供給された水素含有ガスを排出流路２２を介してパージバーナ３０に供給する排出状態として、その水素含有ガスをパージバーナ３０において燃焼させて排出する。
そして、水素含有ガス生成装置Ｐの運転状態が安定し、良質の水素含有ガスが受入流路２３に供給されるようになってから、燃料電池システム１００は、切換手段２９を働かせて、受入流路２３に供給された良質の水素含有ガスを供給流路２２を介して燃料電池Ｇの燃料極１０に供給する供給状態とするのである。
【００２２】
このような燃料電池システム１００において、供給流路２１は、比較的流路断面積が小さい燃料極１０を通り、さらに、燃料極１０から排出されるオフガス（水素が残留しているガス）を改質器２の燃焼器に供給するべく、比較的長い流路となっているので、パージバーナ３０に接続された排出流路２２と比較して、水素含有ガスを流通させるときに発生する圧力損失が大きい。
そして、このように供給流路２１の圧力損失が排出流路２２の圧力損失よりも大きい場合には、切換手段２９により水素含有ガスの供給先を、例えば排出流路２２から供給流路２１に切換えると、受入流路２３にかかる背圧が急激に大きくなり、水素含有ガス生成装置Ｐに設けられた原燃料ガス供給用のポンプ（図示せず）の出力を増加させても、このポンプの下流側の各種反応器を通る流路の体積が比較的大きいため、切換直後において、燃料電池Ｇ側に必要な流量の水素含有ガスを供給することができず、さらに、水素含有ガスの流量が不安定となる場合がある。
【００２３】
そこで、本第１実施形態における燃料電池システム１００の水素含有ガス供給構造５０においては、燃料電池Ｇに水素含有ガスを供給する供給状態において受入流路２３にかかる背圧と、パージバーナ３０に水素含有ガスを供給する排出状態において受入流路２３にかかる背圧とを同等に設定する背圧設定手段として、排出流路２２に圧力調整弁２７を設けている。
【００２４】
即ち、圧力調整弁２７は、排出流路２２に背圧を付加する背圧付加手段として構成され、詳しくは、一次側圧力（受入流路２３側の圧力）が所定の圧力、即ち、水素含有ガスを供給流路２１側に供給する供給状態において受入流路２３にかかる圧力と同等になるように、流路断面積を調整するように構成されている。
そして、このような圧力調整弁２７により、切換手段２９を働かせて、水素含有ガスの供給先を切換えても、受入流路２３に係る背圧は変化しなくなるので、切換直後における水素含有ガスの流量変動を良好に抑制し、燃料電池Ｇの発電出力を安定したものとすることができるのである。
【００２５】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
第２実施形態においては、水素含有ガス供給構造５０以外は弟１実施形態と同様に構成してあるので、第１実施形態と同じ構成要素や同じ作用を有する構成要素については、重複説明を避けるために、同じ符号を付すことにより詳細な説明を省略し、主として、水素含有ガス供給構造５０について説明する。
【００２６】
図２に示すように、第２実施形態においては、起動直後の運転状態が不安定なときに水素含有ガス生成装置Ｐにて生成された水素含有ガスを、改質器２を加熱する改質器バーナ３１にて燃焼させて排出するように構成してあり、第１実施形態において設けたパージバーナ３０を省略してある。
【００２７】
説明を加えると、受入流路２３には、第１実施形態と同様に、燃料電池Ｇの燃料極１０を通る供給流路２１と排出流路２２とを並列接続してあるが、その排出流路２２の先端は、第１実施形態においては、パージバーナ３０に接続したのに対して、第２実施形態においては、供給流路２１のうちの燃料極１０から排出されるオフガスを改質器バーナ３１に導くオフガス流路部分２１ｏに接続してある。
改質器バーナ３１には、ブロア７から燃焼用空気が供給される。又、改質器バーナ３１の燃焼排ガスは、水蒸気生成器６に供給され、その水蒸気生成器６にて、原料水を加熱して水蒸気を生成するための熱源として用いられた後、排出される。
【００２８】
又、第１実施形態と同様に、供給流路２１及び排出流路２２の夫々に、開閉弁２５，２６が設けられている。切換手段２９は、第１実施形態と同様に、開閉弁２５，２６を操作して、受入流路２３から供給流路２１への水素含有ガスの流通のみを許容する供給状態と、受入流路２３から排出流路２２への水素含有ガスの流通のみを許容する排出状態とに切換えるように構成されている。
【００２９】
又、排出流路２２には、燃料電池Ｇに水素含有ガスを供給する供給状態において受入流路２３にかかる背圧と、改質器バーナ３１に水素含有ガスを供給する排出状態において受入流路２３にかかる背圧とを同等に設定する背圧設定手段としての圧力調整弁２７を設けている。
【００３０】
説明を加えると、供給流路２１は、比較的流路断面積が小さい燃料極１０を通って、改質器バーナ３１に接続され、一方、排出流路２２は、燃料極１０をバイパスして改質器バーナ３１に接続されているので、供給流路２１は排出流路２２と比較して、水素含有ガスを流通させるときに発生する圧力損失が大きい。
そこで、圧力調整弁２７により、燃料電池Ｇに水素含有ガスを供給する供給状態において受入流路２３にかかる背圧と、燃料電池Ｇをバイパスして改質器バーナ３１に水素含有ガスを供給する排出状態において受入流路２３にかかる背圧とを同等に設定するようにしてある。
【００３１】
即ち、第２実施形態の燃料電池システム１００においては、水素含有ガス生成装置Ｐの運転状態が不安定な起動直後で、受入流路２３に供給される水素含有ガスの質が安定していない間は、切換手段２９により前記排出状態に切換えて、受入流路２３に供給された水素含有ガスを改質器バーナ３１において燃焼させて排出し、水素含有ガス生成装置Ｐの運転状態が安定し、良質の水素含有ガスが受入流路２３に供給されるようになってから、切換手段２９により前記供給状態に切換えて、受入流路２３に供給された水素含有ガスを供給流路２２を燃料電池Ｇの燃料極１０に供給することになる。
そして、圧力調整弁２７により、前記供給状態において受入流路２３にかかる背圧と、前記排出状態において受入流路２３にかかる背圧とを同等に設定してあることから、切換手段２９により前記供給状態と前記排出状態とに切換えても、受入流路２３にかかる背圧は変化しなくなるので、切換直後における水素含有ガスの流量変動を良好に抑制し、燃料電池Ｇの発電出力を安定したものとすることができる。
【００３２】
ちなみに、起動時には、原燃料ガスが改質器バーナ３１に供給されるので、切換手段２９により前記排出状態に切換えられている間は、水素含有ガス生成装置Ｐにて生成されて、排出流路２２を介して改質器バーナ３１に供給される水素含有ガスは、原燃料ガスと共に、改質器バーナ３１において燃焼して、改質器２が改質反応可能なように加熱されることになる。
そして、切換手段２９により前記供給状態に切換えられると、水素含有ガス生成装置Ｐにて生成された水素含有ガスは、燃料極１０に供給され、その燃料極１０から排出されたオフガスが改質器バーナ３１に供給されて燃焼して、改質器２が改質反応可能なように加熱され、一方、改質器バーナ３１への原燃料ガスの供給が停止されることになる。
【００３３】
上述のように、第２実施形態の燃料電池システム１００は、切換手段２９により前記排出状態に切換えると、受入流路２３に供給された水素含有ガスが改質器バーナ３１に供給されるように構成してあるので、起動直後の運転状態が不安定なときに水素含有ガス生成装置Ｐにて生成された水素含有ガスを、改質器バーナ３１にて燃焼させて、原燃料ガスの改質処理に有効利用することができる。
【００３４】
〔別実施の形態〕
本実施形態において、背圧付加手段として圧力調整弁２７を排出流路２２に設けたが、別に、手動式の絞り弁や、流路断面積を縮小させるためのスリーブ等を背圧付加手段として設けても構わない。
また、本実施形態においては、供給流路の圧力損失が排出流路の圧力損失よりも大きいので、排出流路に背圧設定手段としての背圧付加手段を設けたが、逆に、供給流路の圧力損失が排出流路の圧力損失よりも小さい場合には、供給流路に背圧設定手段としての背圧付加手段を設けても構わない。
【００３５】
上記の第２実施形態においては、改質器バーナ３１を、水素含有ガス生成装置にて生成された水素含有ガスを燃料電池に供給する前の段階において燃焼させて排気するためのパージバーナとして兼用する場合について例示したが、前記パージバーナとして、専用のパージバーナを設け、その専用のパージバーナを、改質器２を加熱するように構成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図
【図２】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図
【符号の説明】
２ 改質器
２１ 供給流路
２２ 排出流路
２３ 受入流路（受入部）
２７ 圧力調整弁（背圧付加手段）
２９ 切換手段
３０，３１ バーナ
５０ 水素含有ガス供給構造
１００ 燃料電池システム
Ｐ 水素含有ガス生成装置
Ｇ 燃料電池

Claims (4)

1. 水素含有ガス生成装置から水素含有ガスを受け入れる受入部と、
   前記受入部と燃料電池とを接続する供給流路と、
   前記受入部と前記水素含有ガスを燃焼させて排出するバーナとを接続する排出流路と、
   前記受入部から前記供給流路への前記水素含有ガスの流通のみを許容する供給状態と、前記受入部から前記排出流路への前記水素含有ガスの流通のみを許容する排出状態とを切換える切換手段とを備えた水素含有ガス供給構造であって、
   前記供給状態において前記受入部にかかる背圧と、前記排出状態において前記受入部にかかる背圧とを同等に設定する背圧設定手段を備えた水素含有ガス供給構造。
2. 前記背圧設定手段が、前記排出流路に設けられ、前記排出流路を流通する水素含有ガスに背圧を付加する背圧付加手段として構成されている請求項１に記載の水素含有ガス供給構造。
3. 前記水素含有ガス生成装置が、供給される炭化水素系の原燃料を水蒸気を用いて水素含有ガスに改質する改質器を備えて構成され、
   前記バーナが、前記改質器を加熱するように構成されている請求項１又は２記載の水素含有ガス供給構造。
4. 水素含有ガス生成装置と燃料電池とを備え、
   前記水素含有ガス生成装置から前記受入部に受け入れた水素含有ガスを前記燃料電池に供給するための水素含有ガス供給構造として、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素含有ガス供給構造を備えた燃料電池システム。

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