JP2006298719A - 改質器の燃料供給装置及び燃料電池システム - Google Patents

改質器の燃料供給装置及び燃料電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】空気ラインから燃料ラインへの空気逆流を防止し、そのための構成を簡素化し消費電力低減を図ること。
【解決手段】改質器2は加熱用の燃焼部2bを備える。燃料供給装置3は、改質器2の燃焼部2bに燃料ライン6を通じて燃料を供給する。燃料ポンプ10は、燃料ライン6に燃料を吐出する。燃料ポンプ6より下流側にて燃料ライン6には空気ライン7が合流するように設けられる。燃料ポンプ10の吐出側には、同ポンプ10と一体的に逆止弁11が設けられる。燃料ポンプ10は容積式ポンプであり、逆止弁11のリーク圧力は燃料ポンプ10に対する燃料の最大供給圧力よりも高く設定される。
【選択図】 図1

Description

この発明は、燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器に係り、詳しくは、改質器の燃焼部に燃料を供給する燃料供給装置及びそれを備えた燃料電池システムに関する。
従来、この種の燃料供給装置として、例えば、燃料電池システムに適用される下記の特許文献1に記載されたものがある。この装置で、改質器の燃焼部には、燃料ラインを通じて燃料が供給される。燃料ラインには、開閉弁(遮断弁)が設けられる。開閉弁の下流側にて燃料ラインには、燃焼用空気を供給する空気ラインが合流するように設けらる。
ところで、上記のような燃料供給装置の燃料ラインには、通常、燃料を圧送するために燃料ポンプが設けられる。燃料ポンプを含む燃料供給装置として、図6に示すような装置が考えられる。この装置は、燃料ライン31が、改質器32を構成する改質部32a及び燃焼部32bに対して二つの燃料ライン33,34に分岐して設けられる。分岐前の燃料ライン31には、二つの遮断弁35,36が設けられる。燃焼部用燃料ライン34には、燃焼部用燃料ポンプ37及び遮断弁38が設けられる。この遮断弁38の下流側にて燃焼部用燃料ライン34には、空気ライン39が合流するように設けられる。この空気ライン39には、空気ポンプ40が設けられる。一方、改質部用燃料ライン33には、改質部用燃料ポンプ41及び脱硫器42が設けられる。
特開2004−296102号公報(第9頁、図1) 特開平10−208765号公報(図1)
ところが、図6に示す従来の燃料供給装置において、改質器32の燃焼部32bに、燃焼部用燃料ライン34及び空気ライン39を通じて燃料と空気が供給されるとき、空気ライン39の圧力が、燃焼部用燃料ライン34の圧力よりも高くなることで、供給空気が燃焼部用燃料ライン34を逆流するおそれがあった。また、燃料電池システムの停止時には、システム内部の負圧により、各燃料ライン33,34を通じてシステム内部に外気が混入するおそれがあった。燃焼部用燃料ライン34に遮断弁38を設けるのは、上記したように供給空気の逆流や外気混入を遮断するためである。従って、遮断弁38の分だけ燃焼部用燃料ライン34に設置スペースが必要となり、遮断弁38を駆動するために電力の供給が必要になる。
更に、燃焼部用燃料ポンプ37として、図7に示すようなダイアフラム43を含む容積式ポンプを使用することが考えられる。この場合、ポンプ吸入側に燃料供給圧力(1.0−2.5kPa)が印加されると、ポンプ構造上、吸入弁44と吐出弁45が供給圧力で開いてしまうおそれがあった。このため、ポンプ停止状態でも、ポンプ吸入側からポンプ吐出側へ供給燃料が流れてしまい、燃料ポンプの低流量制御が困難になるという問題があった。
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、空気ラインから燃料ラインへの空気の逆流を防止し、そのための構成を簡素化すると共に消費電力の低減を図ることを可能とした改質器の燃料供給装置及び燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器は加熱用の燃焼部を備え、その燃焼部に燃料ラインを通じて燃料を供給する改質器の燃料供給装置であって、燃料ラインに燃料を吐出するための燃料ポンプと、燃料ポンプより下流側にて燃料ラインに合流するように設けられる気ラインと、空気ラインの合流部より上流側かつ燃料ポンプの下流側にて燃料ラインに設けられる逆止弁とを備えたことを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、空気ラインの合流部より上流側かつ燃料ポンプの下流側にて燃料ラインに逆止弁が設けられるので、燃料ラインへ空気が逆流することがない。また、逆流防止の手段が逆止弁であることから、遮断弁とは異なり、構造が簡単で小型であり、開閉のために電力供給の必要がない。
上記目的を達成するために、請求項2に記載の発明は、燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器は加熱用の燃焼部を備え、その燃焼部に燃料ラインを通じて燃料を供給する改質器の燃料供給装置であって、燃料ラインに燃料を吐出するための燃料ポンプと、燃料ポンプより下流側にて燃料ラインに合流するように設けられる空気ラインと、燃料ポンプの吐出側にて燃料ポンプと一体的に設けられる逆止弁とを備えたことを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、空気ラインの合流部より上流側にて燃料ポンプの吐出側に逆止弁が設けられるので、燃料ラインへ空気が逆流することがない。また、逆流防止の手段が逆止弁であることから、遮断弁とは異なり、構造が簡単で小型であり、開閉のために電力供給の必要がない。また、逆止弁が燃料ポンプと一体的に設けられるので、燃料ライン上に取付スペースを別途設ける必要がない。
上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、燃料ポンプは容積式ポンプであり、逆止弁のリーク圧力は燃料ポンプに対する燃料の最大供給圧力よりも高く設定されたことを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、請求項1又は2に記載の発明の作用に加え、逆止弁のリーク圧力が燃料の最大供給圧力より高く設定されるので、燃料ポンプの停止時に、その容積式ポンプの傘弁が不用意に開いても逆止弁が開くことがない。また、燃料ポンプの始動時に、燃料の最大供給圧力が衝撃的に逆止弁に加わっても、逆止弁が不用意に開くことはない。
上記目的を達成するために、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、逆止弁のリーク圧力は燃料ポンプに対する燃料の最大供給圧力より0.2〜1kPaだけ高く設定されたことを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、請求項1又は2に記載の発明の作用に加え、逆止弁のリーク圧力が燃料ポンプに対する燃料の最大供給圧力より0.2〜1kPaだけ高く設定されるので、燃料ポンプの停止時に、その容積式ポンプの傘弁が不用意に開いても逆止弁が開くことがない。また、燃料ポンプの始動時に、燃料の最大供給圧力が衝撃的に逆止弁に加わっても、逆止弁が不用意に開くことはない。
上記目的を達成するために、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4の何れかに記載の改質器の燃料供給装置を備えた燃料電池システムであって、改質器で改質された改質ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池を備えたことを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、燃料電池システムにおいて、請求項1乃至4の何れかに記載の発明と同様の作用が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、空気ラインから燃料ラインへの空気の逆流を防止することができ、そのための構成を簡素化することができると共に消費電力の低減を図ることができる。
請求項2に記載の発明によれば、空気ラインから燃料ラインへの空気の逆流を防止することができ、そのための構成を簡素化することができると共に消費電力の低減を図ることができ、加えて、燃料供給装置の小型化に寄与する。
請求項3に記載の発明によれば、請求項1又は2に記載の発明の効果に加え、燃料ポンプの吐出側から燃料ラインへの燃料の流出を防止することができ、燃料ポンプの低流量制御を可能にすることができる。
請求項4に記載の発明によれば、請求項1又は2に記載の発明の効果に加え、燃料ポンプの吐出側から燃料ラインへの燃料の流出を防止することができ、燃料ポンプの低流量制御を可能にすることができる。
請求項5に記載の発明によれば、燃料電池システムにおいて、請求項1乃至4の何れかに記載の発明と同様の効果を得ることができる。
以下、本発明の改質器の燃料供給装置を燃料電池システムに具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
図1に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。燃料電池システムは、燃料ガス(改質ガス)と酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック1と、その燃料電池スタック1に関わる構成機器としての改質器2及びその他の機器(図示略)を備える。燃料電池スタック1には、改質器2から燃料ガス(改質ガス)が供給される。また、燃料電池スタック1には、酸化剤ガスとして空気が供給される。
改質器2は、天然ガスなどの燃料を水素リッチな改質ガスに改質するものであり、改質部2aと加熱用の燃焼部2bとを含む。この改質器2のための燃料供給装置3は、燃料ライン4,5,6と空気ライン7とを備える。燃料ライン4は、改質器2の改質部2a及び燃焼部2bに対して二つの燃料ライン5,6に分岐して設けられる。分岐前の燃料ライン4には、二つの遮断弁8,9が設けられる。燃焼部用燃料ライン6には、燃焼部用燃料ポンプ10と逆止弁11が設けられる。この逆止弁11の下流側にて燃焼部用燃料ライン6には、空気ライン7が合流するように設けられる。すなわち、逆止弁11は、空気ライン7の合流部12より上流側にて、燃焼部用燃料ポンプ10の吐出側にて同ポンプ10と一体的に設けられる。空気ライン7には、空気ポンプ30が設けられる。
一方、改質部用燃料ライン5には、改質部用燃料ポンプ13及び脱硫器14が設けられる。改質部用燃料ポンプ13は、改質部2aへ向けて燃料を吐出する。脱硫器14は、燃料中の硫黄分を除去する。
この実施形態で、燃焼部用燃料ポンプ10は、容積式ポンプである。逆止弁11のリーク圧力は、その燃焼部用燃料ポンプ10に対する燃料の最大供給圧力よりも高く設定される。この実施形態では、逆止弁11のリーク圧力は、燃焼部用燃料ポンプ10に対する燃料の最大供給圧力より「0.2〜1kPa」だけ高く設定される。ここで、燃焼部用燃料ポンプ10に対する燃料の最大供給圧力とは、燃料ライン4から燃焼部用燃料ポンプ10の吸入側に供給される燃料の最大圧力のことである。この実施形態では、燃焼部用燃料ポンプ10に対する燃料の最大供給圧力が「2.5kPa」となっている。これに対し、逆止弁11のリーク圧力は「3.0kPa」に設定される。ここで、逆止弁11は、燃焼部用燃料ポンプ10が停止しているときに開かないようにする必要がある。このため、逆止弁11のリーク圧力は、燃料の最大供給圧力より高く設定されることが望ましい。一方、燃焼部用燃料ポンプ10が動作しているとき、逆止弁11のリーク圧力は、同燃料ポンプ10の吐出圧力より低く設定されていないと燃料を送ることができない。燃焼部用燃料ポンプ10の吐出圧力は、例えば、「10kPa」であり、これより逆止弁11のリーク圧力を低くする必要がある。実際には、逆止弁11のリーク圧力は、燃焼部用燃料ポンプ10の吐出圧力よりかなり低くすることが望ましい。なぜなら、逆止弁11のリーク圧力が高すぎると、燃焼部用燃料ポンプ10の仕事量が大きくなり、エネルギーロスが生じるからである。従って、逆止弁11のリーク圧力は、燃料の最大供給圧力よりも「0.2〜1kPa」だけ高く設定することが望ましく、より望ましくは「0.3〜0.7kPa」だけ高くするのがよい。
ここで、燃焼部用燃料ポンプ10の構造について詳しく説明する。図2に、この燃焼部用燃料ポンプ10を正面図により示す。図3に、図2の平面図を示す。図4に、図2のA−A線断面図を示す。図5に、図3のB−B線断面図を示す。
この燃焼部用燃料ポンプ10は、ダブルポンプタイプのものである。図2,3に示すように、この燃料ポンプ10は、左右一対をなすポンプ室15,16を含む。各ポンプ室15,16に対して、共通する吸入配管17及び吐出配管18が設けられる。各ポンプ室15,16には、それぞれダイアフラム19,20が設けられる。この燃料ポンプ10の下部中央には、モータ21が設けられる。図2に、鎖線で概念的に示すように、モータ21の出力軸21aは、モータ21の両端から突出する。この出力軸21aの両端には、クランク機構22を介してロッド23がそれぞれ設けられる。これらロッド23の上端が各ダイアフラム19,20に連結される。従って、モータ21の出力軸21aが回転することにより、各クランク機構22を介して各ロッド23が上下動し、これに伴い各ダイアフラム19,20が上下に変移して各ポンプ室15,16に負圧と正圧が生じる。
図4,5に示すように、ポンプ室16(15)の上側には、隔壁24により区画されて吸入室25と吐出室26が設けられる。吸入室25及び吐出室26とポンプ室16(15)との間の隔壁24には、一対をなす傘弁27,28が設けられる。一方の傘弁27は、吸入室25に対応して設けられ、他方の傘弁28は吐出室26に対応して設けられる。傘弁27は、吸入室25からポンプ室16(15)に燃料が流れるとき開状態となり、その逆の時には閉状態となる。一方、傘弁28は、ポンプ室16(15)から吐出室26に燃料が流れるとき開状態となり、その逆の時には閉状態となる。図5において、ダイアフラム20(19)が下方へ変移することで、吸入室25の傘弁27が開き、吐出室26の傘弁28が閉じる。これにより吸入室25に負圧が生じ、吸入室25に燃料が吸入される。これに対し、ダイアフラム20(19)が上方へ変移することで、吸入室25の傘弁27が閉じ、吐出室26の傘弁28が開く。これにより吐出室26に正圧が生じ、吐出室26から燃料が吐出される。この燃料ポンプ10は、上記したようなダブルポンプタイプであることから、吐出燃料の脈動を抑えるように構成することができる。
図4に示すように、逆止弁11は、吐出室26に対応して吐出配管18の付け根の中に組み付けられる。逆止弁11は、球状の弁体11aと、その弁体11aを閉じ方向、すなわち弁座11bに着座する方向へ付勢するバネ11cとを備える。逆止弁11のリーク圧力は、このバネ11cの付勢力により「3.0kpa」に設定される。
以上説明したこの実施形態における改質器2の燃料供給装置3によれば、空気ライン7の合流部12より上流側にて燃焼部用燃料ポンプ10の吐出側に逆止弁11が設けられるので、空気ライン7から燃焼部用燃料ライン6へ空気が逆流することがない。これにより、空気ライン7から燃焼部用燃料ライン6への空気の逆流を防止することができる。また、燃焼部用燃料ライン6における空気の逆流を防止できることから、改質部用燃料ライン5に設けられる脱硫器14を逆流空気から保護することができる。更に、空気逆流防止のための手段が逆止弁11であることから、従来の遮断弁とは異なり、構造が簡単で小型であり、開閉のために電力供給の必要がない。このため、空気逆流防止のための構成を簡素化することができる。また、逆止弁11に電力供給の必要がない分だけ燃料供給装置3として消費電力の低減を図ることができる。
この実施形態では、特に、逆止弁11が燃焼部用燃料ポンプ10と一体的に設けられる。すなわち、図4に示すように、逆止弁11は、燃焼部用燃料ポンプ10の吐出室26に接続される吐出側配管18の付け根に設けられる。このため、燃焼部用燃料ライン6上の配管途中に、逆止弁11のための取付スペースを別途に設ける必要がない。この結果、燃焼部用燃料ポンプ10が特に大型化することはなく、燃料供給装置3の小型化に寄与する。
この実施形態では、逆止弁11のリーク圧力が燃料の最大供給圧力より高く設定される。すなわち、この実施形態では、逆止弁11のリーク圧力が燃料の最大供給圧力より「0.2〜1kPa」だけ高く設定される。そのために、燃焼部用燃料ポンプ10に供給される燃料の最大供給圧力が「2.5kPa」であるのに対し、逆止弁11のリーク圧力が「3.0kPa」に設定される。従って、燃焼部用燃料ポンプ10の停止時には、その容積式ポンプの傘弁27,28が不用意に開いても逆止弁11が開くことがない。また、燃焼部用燃料ポンプ10の始動時にも、燃料の最大供給圧力(2.5kPa)が衝撃的に逆止弁11に加わっても、逆止弁11が不用意に開くことはない。このため、燃焼部用燃料ポンプ10の吐出側から燃焼部用燃料ライン6への燃料の流出を防止することができる。また、燃焼部用燃料ポンプ10の低流量制御を可能にすることができる。
上記した燃料供給装置3は、燃料電池システムの改質器2に対して設けられることから、同装置3に係る作用効果は、燃料電池システムにおいても同様に得ることができる。
尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することもできる。
(1)前記実施形態では、燃焼部用燃料ポンプ10の吐出側にて同燃料ポンプ10と一体的に逆止弁11を設けたが、逆止弁を燃焼部用燃料ポンプに一体的に設けるのではなく、空気ラインの合流部より上流側かつ燃焼部用燃料ポンプの下流側にて燃焼部用燃料ライン上に逆止弁を設けてもよい。
(2)前記実施形態では、燃焼部用燃料ポンプ10をダブルポンプタイプとしたが、この燃料ポンプを、一つのポンプ室とダイアフラムとを含むシングルポンプタイプとしてもよい。この場合も、燃料ポンプと一体的に逆止弁を設けることができる。また、逆止弁のリーク圧力を、燃料ポンプに対する燃料の最大供給圧力よりも高く設定してもよい。
燃料電池システムを示す概略構成図。 燃焼部用燃料ポンプを示す正面図。 燃焼部用燃料ポンプを示す平面図。 図2のA−A線断面図。 図3のB−B線断面図。 燃料電池システムを示す概略構成図。 容積式ポンプの一部を示す断面図。
符号の説明
1 燃料電池スタック
2 改質器
2b 燃焼部
3 燃料供給装置
6 燃焼部用燃料ライン
7 空気ライン
10 燃焼部用燃料ポンプ
11 逆止弁
12 合流部

Claims (5)

  1. 燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器は加熱用の燃焼部を備え、その燃焼部に燃料ラインを通じて燃料を供給する改質器の燃料供給装置であって、
    前記燃料ラインに燃料を吐出するための燃料ポンプと、
    前記燃料ポンプより下流側にて前記燃料ラインに合流するように設けられる空気ラインと、
    前記空気ラインの合流部より上流側かつ前記燃料ポンプの下流側にて前記燃料ラインに設けられる逆止弁と
    を備えたことを特徴とする改質器の燃料供給装置。
  2. 燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質器は加熱用の燃焼部を備え、その燃焼部に燃料ラインを通じて燃料を供給する改質器の燃料供給装置であって、
    前記燃料ラインに燃料を吐出するための燃料ポンプと、
    前記燃料ポンプより下流側にて前記燃料ラインに合流するように設けられる空気ラインと、
    前記燃料ポンプの吐出側にて前記燃料ポンプと一体的に設けられる逆止弁と
    を備えたことを特徴とする改質器の燃料供給装置。
  3. 前記燃料ポンプは容積式ポンプであり、前記逆止弁のリーク圧力は前記燃料ポンプに対する燃料の最大供給圧力よりも高く設定されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の改質器の燃料供給装置。
  4. 前記逆止弁のリーク圧力は前記燃料ポンプに対する燃料の最大供給圧力より0.2〜1kPaだけ高く設定されたことを特徴とする請求3に記載の改質器の燃料供給装置。
  5. 請求項1乃至4の何れかに記載の改質器の燃料供給装置を備えた燃料電池システムであって、前記改質器で改質された改質ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
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