JP2003203658A - 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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 水素含有ガス生成装置Ｐから水素含有ガ
スを受け入れる受入部２３と、受入部２３と燃料電池Ｇ
とを接続する供給流路２１と、受入部２３と水素含有ガ
スを燃焼させて排出するバーナ３０とを接続する排出流
路２２と、受入部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、受入部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
状態とを切換える切換手段２９とを備えた水素含有ガス
供給構造であって、供給状態において受入部２３にかか
る背圧と、排出状態において受入部２３にかかる背圧と
を同等に設定する背圧設定手段２７を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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１
２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３
０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２
３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１
０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２
９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２
９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１
００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３
１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

フロントページの続き (72)発明者 神家 規寿 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 伊部 聰 大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号 大阪瓦斯株式会社内 Ｆターム(参考） 4G140 EA03 EA06 EB01 EB03 EB14 EB32 EB35 EB42 EB43 5H027 AA02 BA01 BA09 BA16 BA17

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。