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

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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