JP5589155B1 - 水素生成装置及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
水素生成装置(100)は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器(3)と、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器(2)と、水添脱硫器(2)に流入する前の原料に水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路(8)と、改質器(3)に原料を供給する昇圧器(1)と、改質器(3)に供給される原料が流れる原料供給路(5)と、昇圧器(1)よりも下流かつ水添脱硫器(2)よりも上流の原料供給路(5)に設けられ、リサイクル流路(8)からの水素含有ガスが流入するエジェクター(9)とを備える。
Description
本発明は、水素生成装置及び燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、原料の改質により生成した水素リッチな燃料と、酸化剤である空気中の酸素の反応により電気エネルギーを高い効率で取り出すことができる。原料の改質に用いられる触媒は硫黄被毒により活性が著しく低下することはよく知られており、原料を改質器に供給する前に、硫黄分を除去する必要がある。
原料中の硫黄化合物を除去する方法としては、常温で吸着剤による吸着脱硫を行う常温脱硫方式と、水添触媒上で硫黄化合物を水素と反応させて硫化水素とし、硫化水素を吸着及び除去する水添方式がある。
常温脱硫方式では、加熱が不要であるためシステム構成は簡単になるが、脱硫剤の吸着容量は大きくないため、定期的な脱硫剤の交換が必要となる。
一方、水添方式は、吸着容量が大きく、長時間の運転においても脱硫剤の交換が不要となるようにシステムを構成することが可能となる。しかし、硫黄化合物を含む原料を水添触媒に供給する前に水素と混合させ、水添触媒は300℃前後に加熱される必要がある。
一般に、家庭用の燃料電池システムでは原料に混合する水素源として、改質器で生成した水素含有ガスの一部を循環させる方式が用いられている。この方式では、改質器で水素含有ガスが生成されるまでは水素がないため、この間の改質触媒の硫黄被毒を避ける目的で吸着脱硫のための吸着剤を設ける等の措置がとられている。
また、改質器で生成した水素含有ガスの一部を循環させるためには、リサイクル流路にブロワ等の圧送装置を設ける方法、あるいは、水素含有ガスの圧力が原料供給路と水素含有ガス循環経路の合流部の圧力より高くなるように、合流部上流にオリフィス等を設け、圧力バランスを調整する方法等が用いられる。
ところで、1kW程度の家庭用の燃料電池システムでは、燃料電池の作動温度が80℃程度以下であることから、循環する水素含有ガス中の水蒸気が結露し、原料を供給する昇圧器に凝縮水が供給される可能性がある。
そこで、改質器で生成した水素含有ガスの循環方式として、改質器で生成した水素含有ガスの一部を凝縮器に通じて水蒸気を除去した後、昇圧器上流側で原料供給路と合流させる方法(例えば、特許文献1−2参照)が提案されている。
しかし、上記の従来例では、下記に述べる課題がある。
リサイクル流路を経由して昇圧器に流入する水素含有ガス中の水蒸気が昇圧器へ流入する前に結露すると昇圧器に凝縮水が供給される場合がある。昇圧器に凝縮水が供給された場合、凝縮水流入による昇圧器の性能への悪影響の問題等が懸念される。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、昇圧器に凝縮水が供給される可能性を低減し得る水素生成装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様の水素生成装置は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料に水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、前記改質器に原料を供給する昇圧器と、前記改質器に供給される原料が流れる原料供給路と、前記昇圧器よりも下流かつ前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターとを備える。
本発明の一態様の水素生成装置及び燃料電池システムは、従来に比べ、昇圧器に凝縮水が供給される可能性を低減し得る。
(第1実施形態)
本発明者らは、改質器に原料を供給する昇圧器での凝縮水の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
本発明者らは、改質器に原料を供給する昇圧器での凝縮水の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。
特許文献1−2の如く、リサイクルガス中には水蒸気が含まれるので冷やされると、リサイクルガスから凝縮水が発生する。例えば、リサイクルガスよりも低温の原料がリサイクルガスと混合すると、リサイクルガスが冷やされるので、これらの混合ガスの供給先である昇圧器に凝縮水が流入する。すると、昇圧器において、凝縮水による流路閉塞などが発生し、適量のガス流量を供給できないという問題、または昇圧器が故障するという問題などが生じる可能性がある。
そこで、第1実施形態の水素生成装置は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器に流入する前の原料に水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、改質器に原料を供給する昇圧器と、改質器に供給される原料が流れる原料供給路と、昇圧器よりも下流かつ水添脱硫器よりも上流の原料供給路に設けられ、リサイクル流路からの水素含有ガスが流入するエジェクターとを備える。
かかる構成により、リサイクル流路からの水素含有ガスは、昇圧器よりも下流のエジェクターに流入する。よって、従来に比べ、昇圧器に凝縮水が供給される可能性を低減し得る。
[装置構成]
図1は、第1実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図1は、第1実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図1に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、を備える。
改質器3は、原料を用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器3において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応などが挙げられる。図1には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器3を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置100には、さらに、改質器3に空気を供給する空気供給器が設けられる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、LPGなどの少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含有する。
原料供給路5は、改質器3に供給される原料が流れる流路である。
水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器2は、容器に水添脱硫剤が充填され構成される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するCuZn系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換するCoMo系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるZnO系触媒、またはCuZn系触媒とで構成しても構わない。
リサイクル流路8は、水添脱硫器2に流入する前の原料に水素含有ガスを供給するための流路である。リサイクル流路8の上流端は、改質器3より送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。例えば、改質器3の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減器を設けた場合、リサイクル流路8の上流端は、改質器3とCO低減器との間の流路に接続されていてもよいし、CO低減器に接続されていてもよいし、CO低減器の下流に接続されていてもよい。なお、CO低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するCO除去器とを備える場合、リサイクル流路8の上流端を変成器とCO除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。また、リサイクル流路8の上流端を、水素含有ガスを利用する機器(例えば、燃料電池など)の下流の流路に接続しても構わない。なお、水素生成装置100はCO低減器を必ずしも備える必要はなく、水素生成装置100にて生成した水素含有ガスを用いる装置に対して必要な性能を出すことができれば、無くても構わない。
昇圧器1は、改質器3に原料を供給する。改質器3及び水添脱硫器2に原料を供給するために、昇圧器1を用いて原料が昇圧される。つまり、所定量の原料を流すには、昇圧器1の下流側での機器における流路抵抗を考慮した圧力まで、原料が昇圧される必要がある。昇圧器1は、原料を昇圧できれば、いかなる構成であっても構わない。昇圧器1は、例えば、ブロア、ダイヤフラム式のポンプなどを用いることができる。なお、原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を有しており、例えば、原料ボンベ、原料インフラなどが挙げられる。
エジェクター9は、昇圧器1よりも下流かつ水添脱硫器2よりも上流の原料供給路5に設けられ、リサイクル流路8からの水素含有ガスが流入する。具体的には、エジェクター9は、昇圧器1からの原料の流速を増加させることで、リサイクル流路8の上流端の圧力よりもエジェクター9内の原料供給路5の圧力を低下させ、リサイクル流路8内の水素含有ガスを引き込むよう構成された装置である。具体的には、エジェクター9において、原料供給路5の断面積を狭める絞り機構を備え、この絞り機構によって、原料の流速を増加させて、絞り機構を形成する部分よりも原料の流速が低速の低流速部に比べて低い圧力を発生する装置である。上記絞り機構は、エジェクター9における原料供給路5の少なくとも一部に設けられていればよい。
また、エジェクター9は、原料の流速が最大となる位置で、リサイクル流路8が、エジェクター9の原料供給路5と合流するように構成してもよい。原料の流速が最大となる位置では、ガス圧力が最も低下する。よって、このガス圧力が、リサイクル流路8の上流側よりも低圧力となるように、エジェクター9のガス流路断面積を設計すると、リサイクル流路8からの水素含有ガスをエジェクター9に引き込むことができる。このようなエジェクター9による水素含有ガス引き込みの作用により、圧力バランスを取るための機器(例えば、減圧器など)をリサイクル流路8に設けない構成が可能となる。これにより、水素生成装置100の構成を簡素化でき、水素生成装置100のコストを低減できる。
以上により、本実施形態の水素生成装置100では、硫黄化合物を含む原料を駆動源としてエジェクター9を駆動するため、昇圧器1は水分を含んだ水素含有ガスを扱わずに、水素化反応に必要な水素を水添脱硫器2に循環供給することができる。よって、従来に比べ、昇圧器1に凝縮水が供給される可能性を低減し得る。また、簡便な構成で水素含有ガスが循環可能となる。
なお、水添脱硫器2は改質器3内に含まれる一体構成としても構わない。また、必要に応じて、リサイクル流路8の開放及び遮断を目的とした開閉弁等を設けた構成としても構わない。
また、エジェクター9の上流で原料供給路5を分岐させ、改質器3で水素含有ガス生成が可能となるまでの改質触媒昇温のための燃焼用原料供給路を形成としも構わない。
これにより、改質器3で水素含有ガス生成が可能な温度になった後、原料がエジェクター9を流通する流路に切替る構成とすることで、水素含有ガスが生成するまでの原料に含まれる硫黄化合物は燃焼により燃焼排気ガスとして水素生成装置100外に排出され、改質器3の改質触媒の硫黄被毒および水添脱硫器2の長寿命化を両立することができる。
[動作]
以下、水素生成装置100の動作について図1を用いて説明する。
以下、水素生成装置100の動作について図1を用いて説明する。
水素生成装置100を運転している時、原料が水添脱硫器2を通過して、原料中の硫黄化合物が除去される。
改質器3にて生成した水素含有ガスの一部を、リサイクル流路8を通じて、原料供給路5に戻し、水素含有ガスを原料と混合した後、水添脱硫器2に供給する。水素含有ガスを水添脱硫器2に供給すると、水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物を水添反応により除去できる。
このとき、本実施形態では、改質器3からの水素含有ガスは、リサイクル流路8を経て、エジェクター9において原料と混合した後、水添脱硫器2に供給される。つまり、リサイクル流路8との合流部よりも下流の原料供給路5は、原料及びリサイクルガスの混合ガスが流れる。エジェクター9では、上記のとおり、原料供給路5の断面積が徐々に狭くなり、リサイクル流路8との合流部よりも下流で、原料供給路5の断面積が徐々に広くなる。これにより、上記の合流部において、原料の流速が最も速くなるので、ガス圧力は最も低下する。そして、合流部のガス圧力が、リサイクル流路の上流側の圧力よりも低くなるように、エジェクター9のガス流路断面積を設計すると、リサイクルガスを原料供給路5に引き込むことができる。
(第2実施形態)
第2実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器とエジェクターとの間の原料供給路から分岐し、エジェクターと水添脱硫器との間の原料供給路に合流する第1分岐路と、第1分岐路上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、原料がエジェクター又は常温脱硫器を流通するように切替る切替器とを備える。
第2実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器とエジェクターとの間の原料供給路から分岐し、エジェクターと水添脱硫器との間の原料供給路に合流する第1分岐路と、第1分岐路上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、原料がエジェクター又は常温脱硫器を流通するように切替る切替器とを備える。
かかる構成により、原料が第1分岐路を流通する場合、エジェクターへの原料流通を停止でき、リサイクル流路に改質器で生成した水素含有ガスを流通させないようにできる。このため、原料が第1分岐路を流通する場合、簡便な構成で、水素含有ガスの循環を停止でき、水素含有ガスの有効利用が可能となる。
また、原料を第1分岐路に流通することによって、常温脱硫器及び水添脱硫器に原料を流通させることができる。これにより、常温脱硫器を用いて、原料中の硫黄化合物を除去できる。また、水添脱硫器は、水素がない場合であっても微量に硫黄を除去できるため、改質器に供給する原料中の硫黄化合物の濃度をより低減することができる。よって、改質器の耐久性を向上することができる。
本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第1実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図2は、第2実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図2は、第2実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図2に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、第1分岐路11と、常温脱硫器12と、切替器13と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1及びエジェクター9については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
第1分岐路11は、昇圧器1とエジェクター9との間の原料供給路5から分岐し、エジェクター9と水添脱硫器2との間の原料供給路5に合流する。
常温脱硫器12は、第1分岐路11上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する。ここで、常温とは、水添脱硫器2の使用温度(例えば、300℃前後)に比べ相対的に常温域に近いことから使用しており、常温域から使用脱硫剤が脱硫剤として有効に機能する温度までを含む意味である。
切替器13は、原料がエジェクター9又は常温脱硫器12を流通するように切替る。切替器13は、原料がエジェクター9又は常温脱硫器12を流通するように切替ることができれば、いかなる構成であっても構わない。切替器13は、例えば、複数の開閉弁の組合せであってもいし、三方弁であってもいい。
かかる構成により、原料が第1分岐路11を流通する場合、エジェクター9への原料流通を停止でき、リサイクル流路8に改質器3で生成した水素含有ガスを流通させないようにできる。このため、原料が第1分岐路11を流通する場合、簡便な構成で、水素含有ガスの循環を停止でき、水素含有ガスの有効利用が可能となる。
また、原料を第1分岐路11に流通することによって、常温脱硫器12及び水添脱硫器2に原料を流通させることができる。これにより、常温脱硫器12を用いて、原料中の硫黄化合物を除去できる。また、水添脱硫器2は、水素がない場合であっても微量に硫黄を除去できるため、改質器3に供給する原料中の硫黄化合物の濃度をより低減することができる。よって、改質器3の耐久性を向上することができる。
なお、リサイクル流路8上に、図示しない弁を設け、原料が第1分岐路11を流通する場合、この弁を閉めても構わない。
(第3実施形態)
第3実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器とエジェクターとの間の原料供給路から分岐し、水添脱硫器と改質器との間の原料供給路に合流する第2分岐路と、第2分岐路上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、原料がエジェクター又は常温脱硫器を流通するように切替る切替器と、を備える。
第3実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器とエジェクターとの間の原料供給路から分岐し、水添脱硫器と改質器との間の原料供給路に合流する第2分岐路と、第2分岐路上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、原料がエジェクター又は常温脱硫器を流通するように切替る切替器と、を備える。
かかる構成により、原料が第2分岐路を流通する場合、第2実施形態と同様に、簡便な構成で、水素含有ガスの循環を停止でき、水素含有ガスの有効利用が可能となる。
また、原料を第2分岐路に流通することによって、原料を水添脱硫器に流通させずに、常温脱硫器に流通させることができる。よって、常温脱硫器を用いて、原料中の硫黄化合物を除去でき、水添脱硫器の長寿命化をはかることができる。
本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第1実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図3は、第3実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図3は、第3実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図3に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、第2分岐路14と、常温脱硫器12Aと、切替器13と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1、エジェクター9及び切替器13については第2実施形態と同様であるので説明を省略する。
第2分岐路14は、昇圧器1とエジェクター9との間の原料供給路5から分岐し、水添脱硫器2と改質器3との間の原料供給路5に合流する。
常温脱硫器12Aは、第2分岐路14上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する。常温の意味は、上記と同じである。
かかる構成により、原料が第2分岐路14を流通する場合、第2実施形態と同様に、簡便な構成で、水素含有ガスの循環を停止でき、水素含有ガスの有効利用が可能となる。
また、原料を第2分岐路14に流通することによって、原料を水添脱硫器2に流通させずに常温脱硫器12Aに流通させることができる。よって、常温脱硫器12Aを用いて、原料中の硫黄化合物を除去でき、水添脱硫器2の長寿命化をはかることができる。
なお、リサイクル流路8上に、図示しない弁を設け、原料が第2分岐路14を流通する場合、この弁を閉めても構わない。
(第4実施形態)
第4実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器よりも上流の原料供給路から分岐し、昇圧器よりも上流の原料供給路に合流する第3分岐路と、第3分岐路上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、原料が常温脱硫器又は原料供給路を流通するように切替る切替器と、を備える。
第4実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器よりも上流の原料供給路から分岐し、昇圧器よりも上流の原料供給路に合流する第3分岐路と、第3分岐路上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、原料が常温脱硫器又は原料供給路を流通するように切替る切替器と、を備える。
かかる構成により、原料が第3分岐路に流通する場合、常温脱硫器及び水添脱硫器に原料を流通させることができる。これにより、常温脱硫器を用いて、原料中の硫黄化合物を除去できる。また、水添脱硫器は、水素がない場合であっても微量に硫黄を除去できるため、改質器に供給する原料中の硫黄化合物の濃度をより低減することができる。よって、改質器の耐久性を向上することができる。
本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第1実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図4は、第4実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図4は、第4実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図4に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、第3分岐路20と、常温脱硫器12Bと、切替器21と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1及びエジェクター9については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
第3分岐路20は、昇圧器1よりも上流の原料供給路5から分岐し、昇圧器1よりも上流の原料供給路5に合流する。
常温脱硫器12Bは、第3分岐路20上に配置され、原料中の硫黄化合物を除去する。常温の意味は、上記と同じである。
切替器21は、原料が常温脱硫器12B又は原料供給路5を流通するように切替る。切替器21は、原料が常温脱硫器12B又は原料供給路5を流通するように切替ることができれば、いかなる構成であっても構わない。切替器21は、例えば、複数の開閉弁の組合せであってもいし、三方弁であってもいい。
かかる構成により、原料が第3分岐路20に流通する場合、常温脱硫器12B及び水添脱硫器2に原料を流通させることができる。これにより、常温脱硫器12Bを用いて、原料中の硫黄化合物を除去できる。また、水添脱硫器2は、水素がない場合であっても微量に硫黄を除去できるため、改質器3に供給する原料中の硫黄化合物の濃度をより低減することができる。よって、改質器3の耐久性を向上することができる。
(第5実施形態)
第5実施形態の水素生成装置は、第2実施形態−第4実施形態のいずれかの水素生成装置において、切替器を制御する制御器を備え、制御器は、原料流量が所定の閾値以上である場合に、原料が前記エジェクターを流通するよう切替、原料流量が所定の閾値より小さい場合に、原料が常温脱硫器を流通するよう切替る。
第5実施形態の水素生成装置は、第2実施形態−第4実施形態のいずれかの水素生成装置において、切替器を制御する制御器を備え、制御器は、原料流量が所定の閾値以上である場合に、原料が前記エジェクターを流通するよう切替、原料流量が所定の閾値より小さい場合に、原料が常温脱硫器を流通するよう切替る。
かかる構成により、制御器が、エジェクターにより水添脱硫に必要な水素含有ガス量を引き込みことが可能か否かを適切に判断でき、本判断により切替器の制御を行うことができる。
本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第2実施形態−第4実施形態のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図5及び図6は、第5実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図5及び図6は、第5実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図5に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、第1分岐路11と、常温脱硫器12と、切替器13と、制御器15と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1、エジェクター9、第1分岐路11、常温脱硫器12及び切替器13については第2実施形態と同様であるので説明を省略する。
図6に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、第2分岐路14と、常温脱硫器12Aと、切替器13と、制御器15と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1、エジェクター9、第2分岐路14、常温脱硫器12A及び切替器13については第3実施形態と同様であるので説明を省略する。
制御器15は、切替器13を制御する。制御器15は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
[動作]
図7は、第5実施形態の水素生成装置の動作の一例を示す図である。以下の動作は制御器15の制御プログラムにより行われる。
図7は、第5実施形態の水素生成装置の動作の一例を示す図である。以下の動作は制御器15の制御プログラムにより行われる。
まず、ステップS1で、図示しない流量検知器を用いて、昇圧器1からの原料流量Qが検知される。なお、流量検知器は、原料流量Qを直接的または間接的に検知できれば、いかなる検知器であっても構わない。原料流量Qを直接的に検知する検知器は、原料供給路5を流れる原料の供給量を検知する検知器で、例えば、流量計等が例示される。原料流量Qを間接的に検知する検知器は、原料流量Qに相関する量を検知する検知器で、例えば、昇圧器1の出力(回転数)を検知する検知器、昇圧器1への制御指令をモニターする制御器等が例示される。
次に、ステップS2で、原料流量Qが、所定の閾値を超えたか否かが判定される。上記のとおり、原料の流速が増加するに連れて、エジェクター9とリサイクル流路8との合流部における原料の圧力が低下する。よって、原料流量Qから、本合流部を流れる原料の流速を知ることができるので、原料流量Qを用いて、エジェクター9により水添脱硫に必要な水素含有ガス量を引き込みことが可能か否かを判断できる。なお、上記の所定の閾値は、原料供給路5、リサイクル流路8及びエジェクター9の流路構成等に基づいて所望の値に設定され得る。
制御器15は、原料流量Qが所定の閾値以上である場合に、原料がエジェクター9を流通するよう切替る(ステップS3)。例えば、図5(a)及び図6(a)に示す如く、切替器13の一例である一対の弁のうちの原料供給路5上の弁を開き、他方の弁を閉じるとよい。これにより、リサイクル流路8を流れる水素含有ガスをエジェクター9に引き込むことができる場合に、エジェクター9において水素含有ガスと原料とが混合し、混合ガスを水添脱硫器2に供給できる。
また、制御器15は、原料流量Qが所定の閾値より小さい場合に、原料が常温脱硫器12、12Aを流通するよう切替る(ステップS4)。例えば、図5(b)及び図6(b)に示す如く、切替器13の一例である一対の弁のうちの原料供給路5上の弁を閉じ、他方の弁を開くとよい。これにより、リサイクル流路8を流れる水素含有ガスをエジェクター9に引き込むことができない場合に、原料を常温脱硫器12、12Aに供給できる。
(第6実施形態)
第6実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器とエジェクターとの間の原料供給路から分岐し、エジェクターと水添脱硫器との間の原料供給路に合流する第1分岐路と、原料がエジェクター又は第1分岐路を流通するように切替る切替器と、を備える。
第6実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、昇圧器とエジェクターとの間の原料供給路から分岐し、エジェクターと水添脱硫器との間の原料供給路に合流する第1分岐路と、原料がエジェクター又は第1分岐路を流通するように切替る切替器と、を備える。
かかる構成により、原料が第1分岐路を流通する場合、エジェクターへの原料流通を停止し、リサイクル流路に改質器で生成した水素含有ガスを流通させないようにできる。よって、簡便な構成で、水素含有ガスの有効利用が可能となる。また、エジェクターによる圧力損失を避けることができるため、昇圧器の消費電力を低減できる。
本実施形態の水素生成装置は、上記特徴以外は、第1実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図8は、第6実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図8は、第6実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図8に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、第1分岐路11と、切替器23と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1、エジェクター9及び第1分岐路11については第2実施形態と同様であるので説明を省略する。
切替器23は、原料がエジェクター9又は第1分岐路11を流通するように切替る。切替器23は、原料がエジェクター9又は第1分岐路11を流通するように切替ることができれば、いかなる構成であっても構わない。切替器23は、例えば、複数の開閉弁の組合せであってもいし、三方弁であってもいい。
かかる構成により、原料が第1分岐路11を流通する場合、エジェクター9への原料流通を停止し、リサイクル流路8に改質器3で生成した水素含有ガスを流通させないようにできる。よって、簡便な構成で、水素含有ガスの有効利用が可能となる。また、エジェクター9による圧力損失を避けることができるため、昇圧器1の消費電力を低減できる。
(第7実施形態)
第7実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、エジェクターを加熱する加熱器を備える。
第7実施形態の水素生成装置は、第1実施形態の水素生成装置において、エジェクターを加熱する加熱器を備える。
かかる構成により、エジェクターを加熱器で加熱するので、水素含有ガスがエジェクターに流入しても、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
[装置構成]
図9は、第7実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図9は、第7実施形態の水素生成装置の一例を示す図である。
図9に示す例では、本実施形態の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、加熱器6とを備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1及びエジェクター9については第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
加熱器6は、エジェクター9を加熱する。エジェクター9では、原料及び水素含有ガスが流れる。水素含有ガスは水蒸気を含むので、水素含有ガスが冷やされると、水蒸気から凝縮水が発生する場合がある。例えば、原料が水素含有ガスよりも低温の場合、水素含有ガスと原料とが混合すると、水素含有ガスは冷やされる。この場合、エジェクター9での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが起きる可能性がある。例えば、エジェクター9での原料供給路の細くなった部分は、凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起き易い。流路抵抗の増加が起きた場合、水添脱硫器2に水素含有ガスを所定量送れなくなり、水添脱硫器2において、原料中の硫黄化合物を除去仕切れずに、改質器3の改質触媒が、硫黄化合物により被毒する可能性がある。また、流路閉塞が起きた場合、原料を所定量流すことができずに、改質器3での水素含有ガスを生成できない可能性がある。
そこで、本実施形態では、上記のとおり、加熱器6が、エジェクター9を加熱し、これにより、エジェクター9において、水素含有ガスの水蒸気が凝縮することが抑制されている。
加熱器6は、エジェクター9を加熱できれば、いかなる熱源を用いても構わない。
例えば、改質器3から発生する熱によって、エジェクター9を加熱することができる。この場合、エジェクター9を改質器3の表面に配置してもいいし、エジェクター9を改質器3の内部に配置してもいい。
また、水素含有ガスを利用する機器(例えば、燃料電池など)から発生する熱によって、エジェクター9を加熱することもできる。例えば、固体酸化物形燃料電池の如く、高温で動作する燃料電池の場合、燃料電池のホットモジュールの内部に、エジェクター9を配置してもいい。
また、水素生成装置100が、改質器3を加熱する燃焼器を備える構成であれば、燃焼器の燃焼排ガスの熱によって、エジェクター9を加熱することもできる。
また、専用の熱源(例えば、電気ヒータなど)を用いて、エジェクター9を加熱することもできる。
[動作]
以下、水素生成装置100の動作について図9を用いて説明する。
以下、水素生成装置100の動作について図9を用いて説明する。
水素生成装置100を運転している時、原料が水添脱硫器2を通過して、原料中の硫黄化合物が除去される。
改質器3にて生成した水素含有ガスの一部を、リサイクル流路8を通じて、原料供給路に戻し、水素含有ガスを原料と混合した後、水添脱硫器2に供給する。水素含有ガスを水添脱硫器2に供給すると、水添脱硫器2は、原料中の硫黄化合物を水添反応により除去できる。
このとき、本実施形態では、改質器3からの水素含有ガスは、リサイクル流路8を経て、エジェクター9において原料と混合した後、水添脱硫器2に供給される。つまり、リサイクル流路8との合流部よりも下流の原料供給路は、原料及びリサイクルガスの混合ガスが流れる。エジェクター9では、上記のとおり、原料供給路の断面積が徐々に狭くなり、リサイクル流路8との合流部よりも下流で、原料供給路の断面積が徐々に広くなる。これにより、上記の合流部において、原料の流速が最も速くなるので、ガス圧力は最も低下する。そして、合流部のガス圧力が、リサイクル流路の上流側の圧力よりも低くなるように、エジェクター9のガス流路断面積を設計すると、リサイクルガスを原料供給路に引き込むことができる。
そして、本実施形態では、リサイクルガスが原料供給路に引き込まれるとき、加熱器6を用いてエジェクター9が加熱されている。エジェクター9の加熱温度としては、リサイクルガスの露点温度以上であれば、いかなる温度であっても構わない。これにより、エジェクター9内の水蒸気の凝縮が抑制され、エジェクター9での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
なお、水素生成装置100の起動時におけるエジェクター9の加熱は、例えば、リサイクルガスがリサイクル流路8を流れ始めるまでに開始してもよい。
(第1変形例)
第7実施形態の第1変形例の水素生成装置は、第7実施形態の水素生成装置において、上記の加熱器は、リサイクル流路を加熱する。
第7実施形態の第1変形例の水素生成装置は、第7実施形態の水素生成装置において、上記の加熱器は、リサイクル流路を加熱する。
かかる構成により、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第7実施形態の水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図10は、第7実施形態の第1変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
図10は、第7実施形態の第1変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
図10に示す例では、本変形例の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、加熱器6Aとを備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1及びエジェクター9については、第7実施形態と同様であるので説明を省略する。
加熱器6Aは、リサイクル流路8を加熱する。本変形例では、図10に示すように、加熱器6Aにより、エジェクター9及びリサイクル流路8の両方が加熱される。
なお、加熱器6Aの熱源は、第7実施形態の加熱器6の熱源と同じであってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
また、リサイクル流路8の加熱が必要となった分、第7実施形態の加熱器6から得る熱量に比べて、本変形例の加熱器6Aから得る熱量を上げても構わないし、加熱器6から得る熱量と同等の熱量を、加熱器6Aからエジェクター9及びリサイクル流路8のそれぞれに分散して与えても構わない。本変形例では、加熱器6から得る熱量と同等の熱量を、加熱器6Aからエジェクター9及びリサイクル流路8のそれぞれに分散して与えた。
後者の場合でも、加熱器6Aから得る熱量の全てが、エジェクター9及びリサイクル流路8のそれぞれを流れるガスに与えられたと仮定すると、トータルとして、第7実施形態の加熱器6から得る熱量と同等の熱量が、エジェクター9内のガスの加熱に用いられたと見なせるからである。
以上により、リサイクルガスを高温状態に維持してエジェクター9に引き込むことができ、エジェクター9での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路8を流れるリサイクルガスの温度低下を抑制でき、リサイクル流路8での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路8の加熱の作用により、リサイクル流路8に凝縮器を設けない構成、あるいは、設けるにしても凝縮器の小型化が可能となる。
これにより、水素生成装置100の構成を簡素化でき、水素生成装置100のコストを低減できる。
(第2変形例)
第7実施形態の第2変形例の水素生成装置は、第7実施形態及び第7実施形態の第1変形例のいずれかの水素生成装置において、加熱器は、改質器を加熱する。
第7実施形態の第2変形例の水素生成装置は、第7実施形態及び第7実施形態の第1変形例のいずれかの水素生成装置において、加熱器は、改質器を加熱する。
かかる構成により、エジェクターでの凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、加熱器の熱量を効率良く利用できる。
本変形例の水素生成装置は、上記特徴以外は、第7実施形態及び第7実施形態の第1変形例のいずれかの水素生成装置と同様に構成してもよい。
[装置構成]
図11は、第7実施形態の第2変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
図11は、第7実施形態の第2変形例の水素生成装置の一例を示す図である。
図11に示す例では、本変形例の水素生成装置100は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、加熱器6Bとを備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1及びエジェクター9については、第7実施形態と同様であるので説明を省略する。
加熱器6Bは、改質器3を加熱する。本変形例では、図11に示すように、加熱器6Bにより、エジェクター9、リサイクル流路8及び改質器3のそれぞれが加熱される。例えば、加熱器6Bの熱源としては、改質器3を加熱する燃焼器の燃焼排ガスの熱を用いてもいいし、固体酸化物形燃料電池の如く、高温で動作する燃料電池の場合、燃料電池の熱を用いてもいい。
かかる構成により、改質器3、リサイクル流路8及びエジェクター9を一体で加熱できる。改質器3の加熱により、水素含有ガスを生成するための触媒反応に必要な熱が得られる。また、エジェクター9の加熱により、エジェクター9での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、リサイクル流路8の加熱により、リサイクル流路での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
また、上記の構成により、加熱器6Bの熱量を効率良く利用できる。例えば、改質器3を加熱する燃焼器の熱を、リサイクル流路8及びエジェクター9の加熱に利用できるので、リサイクルガス中の水蒸気の凝縮を効率的に抑制できる。また、水素生成装置100の設計によっては、加熱器6Bから得る熱量を全て、改質器3を加熱する燃焼器の熱で賄うことも可能となる。よって、水素生成装置100の構成を簡素化できる。これにより、水素生成装置100の低コスト化、コンパクト化が可能となる。
(第8実施形態)
第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態−第7実施形態、第7実施形態の第1変形例及び第2変形例のいずれかの水素生成装置と、この水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態−第7実施形態、第7実施形態の第1変形例及び第2変形例のいずれかの水素生成装置と、この水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える。
かかる構成により、水素生成装置において、上記のとおり、昇圧器に凝縮水が供給される可能性を低減し得る。
[装置構成]
図12は、第8実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図12は、第8実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図12に示す例では、本実施形態の燃料電池システム200は、第1実施形態−第7実施形態、第7実施形態の第1変形例及び第2変形例のいずれかの水素生成装置100と、燃料電池7とを備える。
燃料電池7は、水素生成装置100より供給される水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池7は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池又はりん酸形燃料電池などを用いることができる。
本実施形態の水素生成装置100の動作は、燃料電池7を、第1実施形態−第7実施形態、第7実施形態の第1変形例及び第2変形例のいずれかの水素生成装置100から生成する水素含有ガスを使用する水素利用機器と考えれば、第1実施形態−第7実施形態、第7実施形態の第1変形例及び第2変形例のいずれかと同様である。よって、詳細な説明を省略する。
(第9実施形態)
第9実施形態の燃料電池システムは、第8実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、改質器と燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、エジェクターは、ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている。
第9実施形態の燃料電池システムは、第8実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、改質器と燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、エジェクターは、ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている。
かかる構成により、固体酸化物形燃料電池の熱を有効にエジェクターの加熱に利用し、ホットモジュールが加熱器の役割を担うことができる。よって、燃料電池システムの構成を簡素化できる。これにより、燃料電池システムの低コスト化、コンパクト化が可能となる。
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第8実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
[装置構成]
図13は、第9実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図13は、第9実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図13に示す例では、燃料電池システム200は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、固体酸化物形燃料電池7Aと、ホットモジュール30と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8及び昇圧器1については、第8実施形態と同様であるので説明を省略する。
固体酸化物形燃料電池7Aは、水素生成装置100より供給される水素含有ガスを用いて発電する。具体的には、固体酸化物形燃料電池7Aは、電解質としてイオン伝導性セラミックスを用い、空気極で精製した酸化物イオンが、電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより、電気及び熱が発生する。固体酸化物形燃料電7Aの動作温度は、700℃−1000℃程度と高い。このため、燃料電池システム200の高温部の放熱を抑えて、高温部の熱を効率的に活用するため、燃料電池システム200の高温部のみをまとめてモジュール化し、断熱構成を取るのが一般的である。
よって、ホットモジュール30は、図13に示すように、改質器3と固体酸化物形燃料電7Aとを内部に備える。本実施形態では、固体酸化物形燃料電池7A及び改質器3が、燃料電池システム200の高温部の一例であり、これらが一体でモジュール化されている。高温部を一体にモジュール化することにより、高温で動作する機器同士のガスの移動などによる放熱を抑制し、燃料電池システム200の熱効率が向上する。また、高温部を一体にモジュール化することにより、熱効率がよい断熱を施すことができる。
また、エジェクター9は、ホットモジュール30からの熱を受けるよう構成されている。具体的には、上記の加熱器6、6A、6Bに代えて、高温のホットモジュール30が、エジェクター9を加熱する。これにより、エジェクター9での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。また、上記の加熱器6A、6Bに代えて、高温のホットモジュール30が、リサイクル流路8を加熱してもよい。これにより、リサイクル流路8での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞が起きる可能性を従来よりも低減し得る。
本実施形態では、図13に示すように、リサイクル流路8及びエジェクター9を、ホットモジュール30の内部に配置している。これにより、リサイクル流路8及びエジェクター9は、ホットモジュール30からの熱を受けやすくなる。
一方、昇圧器1は、高温環境下では耐久性が低下し、耐熱性の高価な部品を使用する必要が生じる。よって、本実施形態では、昇圧器1をホットモジュール30の外部に配置し、ホットモジュール30からの熱を受け難くなるようにしている。
なお、図13では、水添脱硫器2をホットモジュール30の外部に配置する例が図示されているが、水添脱硫器2はホットモジュール30の内部に配置しても構わない。これにより、ホットモジュール30を用いて、水添脱硫器2を加熱することもできる。
本実施形態の燃料電池システム200の動作は、第8実施形態と同様の動作であってもよい。よって、詳細な説明は省略する。
(第10実施形態)
第10実施形態の燃料電池システムは、第9実施形態の燃料電池システムにおいて、昇圧器と、エジェクターとの間の原料供給路に開閉弁を備え、この弁はホットモジュール外に設けられる。
第10実施形態の燃料電池システムは、第9実施形態の燃料電池システムにおいて、昇圧器と、エジェクターとの間の原料供給路に開閉弁を備え、この弁はホットモジュール外に設けられる。
かかる構成により、開閉弁を用いて、昇圧器とエジェクターとの間のガスの流れを適切に遮断し得る。
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第9実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
[装置構成]
図14は、第10実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図14は、第10実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。
図14に示す例では、燃料電池システム200は、改質器3と、水添脱硫器2と、原料供給路5と、リサイクル流路8と、昇圧器1と、エジェクター9と、固体酸化物形燃料電池7Aと、ホットモジュール30と、開閉弁10と、を備える。
改質器3、水添脱硫器2、原料供給路5、リサイクル流路8、昇圧器1、エジェクター9、固体酸化物形燃料電池7A及びホットモジュール30については、第9実施形態と同様であるので説明を省略する。
開閉弁10は、昇圧器1とエジェクター9との間の原料供給路に設けられる。これにより、両者間のガスの流れが遮断される。開閉弁10は、昇圧器1とエジェクター9との間のガスの流れを遮断できれば、いかなる構成であっても構わない。開閉弁10は、例えば、電磁弁であってもよい。
また、開閉弁10は、ホットモジュール30外に設けられる。高温環境下での開閉弁10の安定な動作には、大型の開閉弁10を高価な部材で構成する必要がある。しかし、このような開閉弁10の使用は、燃料電池システム200の高コスト化及び大型化を招く可能性がある。よって、本実施形態では、開閉弁10をホットモジュール30の外部に配置し、開閉弁10をホットモジュール30からの熱を受け難くなるようにしている。
なお、図14では、水添脱硫器2をホットモジュール30の外部に配置する例が図示されているが、水添脱硫器2をホットモジュール30の内部に配置しても構わない。これにより、ホットモジュール30を用いて、水添脱硫器2を加熱することもできる。
[動作]
以下、燃料電池システム200の動作について図14を用いて説明する。
以下、燃料電池システム200の動作について図14を用いて説明する。
燃料電池システム200の運転時は、開閉弁10を開く。これにより、昇圧器1によって原料をエジェクター9に送ることができる。
燃料電池システム200の運転を停止するときは、開閉弁10を閉める。すると、昇圧器1とエジェクター9との間のガスの流れが、開閉弁10により遮断されるので、昇圧器1からエジェクター9への原料の供給が停止する。開閉弁10が開いたままの場合、昇圧器1の動作が停止しても、残留ガスが、暫く昇圧器1からエジェクター9に流れ込む可能性がある。そこで、開閉弁10を閉めることにより、このような可能性を低減できる。
また、昇圧器1とエジェクター9との間のガスの流れが、開閉弁10により遮断されるので、ホットモジュール30内のガスの昇圧器1への逆流を抑制できる。例えば、改質器3や固体酸化物形燃料電池7Aの挙動によっては、これらの機器の内圧上昇により、ホットモジュール30内のガスが昇圧器1に逆流する場合がある。ホットモジュール30内のガスとして、原料、リサイクルガス、固体酸化物形燃料電池7Aに流入する前の水素含有ガス及び固体酸化物形燃料電池7Aから流出した水素含有ガス(オフガス)などが例示される。そして、このようなガスが昇圧器1に逆流すると、昇圧器1が故障する可能性があり、昇圧器1での凝縮水による流路抵抗の増加、または流路閉塞などが起きる可能性もある。そこで、開閉弁10を閉めることにより、このような可能性を低減できる。
なお、開閉弁10の開閉タイミングについては、この開閉タイミングと、昇圧器1によるガス供給の動作タイミングと、を連動させてもよい。例えば、昇圧器1による動作開始タイミングとほぼ同時、又は、それよりも早いタイミングで開閉弁10が開いてもいいし、昇圧器1による動作停止タイミングとほぼ同時、又は、それよりも遅れたタイミングで開閉弁10が閉まってもいい。
なお、本実施形態の燃料電池システム200の動作は、上記以外は、第9実施形態と同様の動作であってもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の一態様によれば、従来に比べ、昇圧器に凝縮水が供給される可能性を低減し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、水素生成装置、燃料電池システムなどに利用できる。
1 昇圧器
2 水添脱硫器
3 改質器
5 原料供給路
8 リサイクル流路
9 エジェクター
11 第1分岐路
12 常温脱硫器
13 切替器
14 第2分岐路
15 制御器
20 第3分岐路
2 水添脱硫器
3 改質器
5 原料供給路
8 リサイクル流路
9 エジェクター
11 第1分岐路
12 常温脱硫器
13 切替器
14 第2分岐路
15 制御器
20 第3分岐路
Claims (12)
- 原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、前記原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器に流入する前の原料に水素含有ガスを供給するためのリサイクル流路と、前記改質器に原料を供給する昇圧器と、前記改質器に供給される原料が流れる原料供給路と、前記昇圧器よりも下流かつ前記水添脱硫器よりも上流の前記原料供給路に設けられ、前記リサイクル流路から流入した水素含有ガスが、その内部において原料と合流するエジェクターとを備える水素生成装置。
- 前記昇圧器と前記エジェクターとの間の前記原料供給路から分岐し、前記エジェクターと前記水添脱硫器との間の前記原料供給路に合流する第1分岐路と、
前記第1分岐路上に配置され、前記原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、
前記原料が前記エジェクター又は前記常温脱硫器を流通するように切替る切替器と、
を備える、請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記昇圧器と前記エジェクターとの間の前記原料供給路から分岐し、前記水添脱硫器と前記改質器との間の前記原料供給路に合流する第2分岐路と、
前記第2分岐路上に配置され、前記原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、
前記原料が前記エジェクター又は前記常温脱硫器を流通するように切替る切替器と、
を備える、請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記昇圧器よりも上流の前記原料供給路から分岐し、前記昇圧器よりも上流の前記原料供給路に合流する第3分岐路と、
前記第3分岐路上に配置され、前記原料中の硫黄化合物を除去する常温脱硫器と、
前記原料が前記常温脱硫器又は前記原料供給路を流通するように切替る切替器と、
を備える、請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記切替器を制御する制御器を備え、
前記制御器は、前記原料流量が所定の閾値以上である場合に、前記原料が前記エジェクターを流通するよう切替、前記原料流量が所定の閾値より小さい場合に、前記原料が前記常温脱硫器を流通するよう切替る、請求項2−4のいずれかに記載の水素生成装置。 - 前記昇圧器と前記エジェクターとの間の前記原料供給路から分岐し、前記エジェクターと前記水添脱硫器との間の前記原料供給路に合流する第1分岐路と、
前記原料が前記エジェクター又は前記第1分岐路を流通するように切替る切替器と、
を備える、請求項1に記載の水素生成装置。 - 前記エジェクターを加熱する加熱器を備える請求項1に記載の水素生成装置。
- 前記加熱器は、前記リサイクル流路を加熱する、請求項7に記載の水素生成装置。
- 前記加熱器は、前記改質器を加熱する、請求項7又は8記載の水素生成装置。
- 請求項1−9のいずれかに記載の水素生成装置と、前記水素生成装置より供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池とを備える燃料電池システム。
- 前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であり、前記改質器と前記燃料電池とを内部に備えるホットモジュールを備え、前記エジェクターは、前記ホットモジュールからの熱を受けるよう構成されている、請求項10に記載の燃料電池システム。
- 前記昇圧器と前記エジェクターとの間の原料供給路に配置された開閉弁を備え、前記開閉弁はホットモジュール外に設けられる、請求項11に記載の燃料電池システム。
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