JP2007220446A - 送液装置、改質原料供給装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】消耗または劣化による部材の交換の頻度を低減させることの可能な送液装置を提供する。
【解決手段】給水機構１２により補給される水を蓄える水タンク１４と、水に不溶な原料ガスを水タンク１４内に導入し、水タンク１４内の圧力を上昇させる原料ガス導入手段と、水タンク１４内の水を改質器２６に供給する改質水供給流路２４と、水タンク１４内に導入された原料ガスを改質器２６に供給する原料ガス供給流路２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、水と原料ガスとを含む改質原料を改質器に供給する改質原料供給装置、および改質原料供給装置を有する燃料電池システムに関する。

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス（燃料ガス）あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する燃料電池が注目されている。燃料電池は一般に、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設けた、膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、原料供給用の通路を設けたセパレータで挟んだ構造を１単位とするいわゆる単セルを有している。通常の燃料電池システムにおいては、この単セルを積層させて所望の電力が得られるようにした燃料電池スタックを使用し、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する原料を水素ガス、空気極に供給する原料を空気とした場合、燃料極において、水素ガスから水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて空気極に到達する。空気極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて空気極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び空気極において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することになる。この燃料電池は、発電に使用される原料のガスや液体燃料が豊富に存在すること、また、その発電原理より排出される物質が水であること等から、クリーンなエネルギー源として様々な検討がされている。

このような燃料電池システムにおいて、燃料ガスとして用いられる水素ガスの供給方法としては、純水素を加圧・冷却して得られる高圧ガスまたは液化ガスを封入したボンベを使用する方法や、水素吸蔵合金を用いる方法、天然ガスや都市ガス、ＬＰガスなど、低級炭化水素を多く含む原料ガスを改質器に導入して得られる高濃度の水素を含む改質ガスを使用する方法などが知られている。

高圧水素ガスや、改質器を用いて改質処理した改質ガスを燃料ガスとして用いる燃料電池システムについては、例えば特許文献１〜３に記載されている。

特許文献１には、ボンベから供給される原料ガスと水から改質ガスを生成する改質器を備え、水タンクから改質器へ水を供給する水ポンプの下流側に絞り機構を設けることが記載されている。

しかしながら、かかる燃料電池発電機について、改質器の運転時においては、水ポンプを常に作動させる必要があるため、このために使用される電力がロスとなるおそれがある。

特許文献２には、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサから供給される作動エアにより、原燃料タンクに貯溜する原燃料を改質器に供給するエア駆動式ポンプを備える燃料電池システムについて記載されている。

しかしながら、かかる燃料電池システムにおいては、エア駆動式ポンプに十分な作動エアを供給するために、エアコンプレッサの駆動を、酸化ガスを供給する用途にのみ供する場合と比較してさらに高める必要があるため、補機動力が大きくなるおそれがある。

特許文献３には、水素タンクから供給されるガスで駆動されるガス駆動式ポンプを備える燃料電池システムについて記載されている。

かかる燃料電池システムについては、水素タンク内の高圧ガスによる安定した駆動力が供給できるという利点がある。

特開２００３−１３２９２０号公報 特開２００４−３４２４７９号公報 特開２００５−２５９４３９号公報

しかしながら、特許文献１〜３についてはいずれも、燃料電池の運転時に常時作動させておく必要のあるポンプを備えていることにより、以下に示す問題点が内在している。

まず、前述のようにポンプは常時運転している状態であるため、耐久性が確保できずに、交換が必要となるおそれがある。

また、ポンプを使用していることにより、連続運転時のポンプ特性が変化することが想定され、これを補正するために流量モニタなどによる制御が必要となるおそれがある。

さらに、適用するポンプの選択によっては、脈動を生じたり、流量の微小な制御が困難となったりといったような場合が想定される。特に、ガス改質に要求される水量がわずかな、家庭用燃料電池システムなどにおいては、医療用ポンプなどといった微小な流量制御が可能なポンプが好適であるが、このような高性能のポンプは一般に高価なため、燃料電池システム全体としてのコストの増大に繋がるおそれがあり、好ましくない。

本発明は、上記従来技術の問題を解決することができる、改質原料供給装置、および改質原料供給装置を有する燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、水ポンプのような、燃料電池システムの長期間にわたる運転により交換が必要となる部材を使用することなく、水などの液体を送液することが可能となる送液装置を提供することにある。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）液体を蓄えるタンクと、前記液体に不溶なガスをタンク内に導入し、前記タンク内の圧力を上昇させるガス導入手段と、を備え、前記タンク内の前記液体は、上昇した前記タンク内の圧力により燃料電池システム内へ送液されることを特徴とする送液装置。

（２）給水機構により補給される水を蓄える水タンクと、前記水に不溶な原料ガスを水タンク内に導入し、前記水タンク内の圧力を上昇させる原料ガス導入手段と、前記水タンク内の水を改質器に供給する改質水供給流路と、前記水タンク内に導入された原料ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給流路と、を備えることを特徴とする改質原料供給装置。

（３）上記（２）に記載の改質原料供給装置において、前記改質器は、水素を含む燃料ガスを生成することを特徴とする改質原料供給装置。

（４）上記（２）または（３）に記載の改質原料供給装置を有することを特徴とする燃料電池システム。

（５）水供給機構により供給される水を蓄える水タンクと、原料ガスを水タンク内に導入し、前記水タンク内の圧力を上昇させる原料ガス供給手段と、を有する改質原料供給装置と、水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、を有する定置型燃料電池システムであって、前記原料ガスは、原料ガス源から所定の圧力で前記水タンク内に導入された後に前記改質器に供給され、前記水は、前記原料ガスの導入に伴い上昇した前記水タンク内のガス圧により前記水タンクに設けられた改質水排出口から送液され、前記改質器に供給されることを特徴とする定置型燃料電池システム。

本発明によれば、消耗または劣化による部材の交換の頻度を低減し、好適に送液することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における改質原料供給装置の構成の概略を示したものである。本実施の形態において、改質原料供給装置は、給水機構１２と、水タンク１４と、原料ガス導入流路２０とを有して構成されている。また、水タンク１４は、原料ガス供給流路２２および改質水供給流路２４を介して改質器２６と連結されている。改質原料供給装置と、改質器２６、さらに、燃料電池セルスタック５０とを含めて、燃料電池システムが構成される。

水タンク１４内には、給水管１６を介して供給された所定量の水が蓄えられた貯水部３６と、図示しない原料ガス源から原料ガス導入流路２０を介して導入された原料ガスが拡散しているガス拡散部３４とが形成されている。ここで用いられる原料ガスは一般に水よりも密度が小さいため、ガス拡散部３４は貯水部３６の上方に位置している。また、水タンク１４には、給水管１６、原料ガス導入流路２０、原料ガス供給流路２２および改質水供給流路２４が連結されている。水タンク１４と原料ガス供給流路２２とが連結されている原料ガス排出口３８は、貯水部３６の水面４２より上方、つまりガス拡散部３４において開口している。一方、水タンク１４と改質水供給流路２４とが連結されている改質水排出口４０は、貯水部３６の水面４２より下方、つまり貯水部３６において開口している。

給水機構１２は、水タンク１４内の水量を常に所定の範囲に保つように動作するものである。給水機構１２は、給水管１６を介して、図示しない水源から水タンク１４内に水を補給し、水タンク１４内の水量を、水面４２が、少なくとも原料ガス排出口３８の鉛直方向高さよりも下であって、改質水排出口４０の鉛直方向高さよりも上となるように制御している。給水機構１２の具体例としては、水タンク１４内に図示しないレベルゲージと給水ポンプとを設け、水タンク１４内に蓄えられた水の水面４２が第１の鉛直方向高さ以下となったときに給水動作を開始し、水の水面４２が第２の鉛直方向高さ以上となったときに給水動作を停止させる；水タンク１４内から改質器２６に供給される水量に応じて、連続または断続して上水道から取水する；などを挙げることができるが、その他、いかなる方法も制限なく使用することができる。

原料ガス導入流路２０は、図示しない原料ガスボンベまたは原料ガスラインに接続され、原料ガスを水タンク１４内に導入する。例えばＬＰガスボンベ内に封入されているＬＰガスや、または都市ガスラインを流通する都市ガスなどは一般に５〜数十キロパスカル以上という高圧であるため、これらのガスを原料ガスとして使用する場合においては、必要に応じて圧力コントローラ（ガバナ）１８により所定のガス圧に調節した後に水タンク１４内に導入される。水タンク１４内に導入される原料ガスの圧力は、少なくとも水タンク１４内部を加圧し、外部環境よりも正圧となるように適宜調節すればよい。このようにして、原料ガス導入流路２０と、圧力コントローラ１８とを含む原料ガス供給手段が構成される。

水タンク１４内に蓄えられた水は、改質水排出口４０から改質水供給流路２４を通り、改質器２６に供給される。水タンク１４内の水は、ガス拡散部３４に導入されている燃料ガスの圧力により加圧されているため、ポンプなどの送液機構を設けることなく、改質器２６に所定量の水を供給することができる。必要に応じて、流量可変式のバルブ３２を設けて、改質器２６に供給される改質水の流量を調節してもよい。また、流量可変式のバルブ３２に替えて、単位時間当たりの流量の異なる複数の流路を組み合わせて、これらの流路を切り替え操作することにより適宜流量調節を行なってもよく、その他、いかなる構成により流量調節を行なってもよいが、過大な電力を必要としない構成とすることが好ましい。

一方、水タンク１４内に導入された燃料ガスは、原料ガス排出口３８から原料ガス供給流路２２を通り、改質器２６に供給される。燃料ガスについても、改質水同様、ポンプなどの送気機構を設けることなく、改質器２６に所定量の原料ガスを供給することができる。必要に応じて、流量可変式のバルブ３０を設けて、改質器２６に供給される原料ガスの流量を調節してもよい。また、流量可変式のバルブ３０に替えて、単位時間当たりの流量の異なる複数の流路を組み合わせて、これらの流路を切り替え操作することにより適宜流量調節を行なってもよく、その他、いかなる構成により流量調節を行なってもよいが、過大な電力を必要としない構成とすることが好ましい。

改質器２６は、水タンク１４から延設される原料ガス供給流路２２から供給される天然ガスや都市ガス、ＬＰガスなど、メタン、エタン、プロパンおよびブタンなどの低級炭化水素を多く含む原料ガスと、改質水供給流路２４から供給される水とを改質原料として利用して、高濃度の水素を含む燃料ガスを生成するものである。改質器２６には一般に、加熱手段や反応触媒を含み構成されるが、供給される原料ガスの種類により、適宜好適な部材を使用してよい。また必要に応じて、改質器２６と一体または別体のＣＯガス変成器やＣＯガス除去器と組み合わせた改質装置が好適に使用される。さらに、必要に応じて、原料ガスを付臭している、硫黄成分からなる付臭剤を除去する脱硫器が設けられることもあるが、この脱硫器は原料ガス供給流路２２側に設けられても良く、原料ガス導入流路２０側に設けられても良い。

改質器２６または改質装置において生成した改質ガスは、一般に高濃度の水素と、二酸化炭素とを含む。二酸化炭素については、燃料電池システムにおいて特に影響がないため、生成した改質ガスが、燃料電池システムにおいて好適に利用される燃料ガスとして燃料ガス供給流路２８から燃料電池セルスタック５０内に供給される。

このようにして、給水機構１２により供給される水を蓄える水タンク１４と、原料ガスを水タンク１４内に導入し、水タンク１４内の圧力を上昇させる原料ガス供給手段（原料ガス導入流路２０及び圧力コントローラ１８）と、を有する改質原料供給装置が構成される。さらに、水素を含む燃料ガスを生成する改質器２６を有する燃料電池システムが構成され、このとき、原料ガスは、都市ガスラインまたはＬＰガスボンベから所定の圧力で水タンク１４内に導入された後に原料ガス供給流路２２を経由して改質器２６に供給され、水タンク１４内の水は、原料ガスの導入に伴い上昇した水タンク１４内のガス圧により水タンク１４に設けられた改質水排出口４０から送液され、改質器２６に供給される。

本発明の実施の形態において、水タンク１４、給水管１６、改質水供給流路２４および改質器２６など、水または水蒸気の流通する経路および部材については少なくとも防錆性が求められる。また、原料ガス導入流路２０、水タンク１４、原料ガス供給流路２２および改質器２６など、原料ガスの流通する経路および部材については気密性が要求されるとともに所望の耐圧性が求められる。特に水タンク１４は、少なくとも改質原料供給装置の運転時にはガス拡散部３４において所望の正圧を保持しておく必要があるため、例えば電磁弁などを用いて、必要に応じて各流路の開閉動作を行うようにしてもよく、その他いかなる方法も好適に使用できる。

また、本発明の他の実施の形態として、改質器２６は、水タンク１４から延設される原料ガス供給流路２２から供給される天然ガスや都市ガス、ＬＰガスなど、メタン、エタン、プロパンおよびブタンなどの低級炭化水素を多く含む原料ガスと、改質水供給流路２４から供給される水とを改質原料として利用して、メタノールを生成するものであってもよい。この場合には、燃料ガス供給流路２８に替えて、メタノール供給流路を使用することにより、メタノールを液体燃料とする燃料電池システムを構成することが可能となる。

さらに、本発明の他の実施の形態として、液体を所望の箇所へ供給する送液装置が提案される。図１に示した改質原料供給装置において、給水機構１２により補給される水に替えて、原料ガスを溶解させない液体を、また水タンク１４に替えて、この液体を蓄えるタンクをそれぞれ使用することにより、この液体を、ポンプのような消耗部材を使用することなく所望の箇所に送液することが可能となる。このようにして、液体を蓄えるタンクと、液体に不溶なガスをタンク内に導入し、タンク内の圧力を上昇させるガス導入手段と、を備え、タンク内の液体は、上昇した前記タンク内の圧力により燃料電池システム内へ送液される送液装置が構成される。なおこのとき、使用されるガスは、原料ガスに限らず、送液しようとする液体に不溶なガスであればいかなるものを使用しても良い。ここでいう「不溶」とは、好ましくは全く溶解しない場合をいうが、タンク内の圧力を上昇させることが可能であればこれに限らず、いわゆる難溶性であってもよい。本実施の形態の具体例として、液体として水を使用し、水に不溶なガスとして純水素ガスを使用した場合における、燃料電池スタック内に純水素と加湿水とを供給する供給装置を挙げることができる。

本発明は、液体と、液体に不溶なガスとを使用するあらゆる装置において好適に使用することが可能である。特に、水と、水に不溶な原料ガスとを使用する改質器へ改質原料を供給する改質原料供給装置においては、天然ガスや都市ガス、ＬＰガスなどが好適に使用できることから、定置式燃料電池システムにおいて好適に使用することが可能である。

本発明の実施の形態における改質原料供給装置の構成の概略を示したものである。

符号の説明

１２ 給水機構、１４ 水タンク、１６ 給水管、１８ 圧力コントローラ、２０ 原料ガス導入流路、２２ 原料ガス供給流路、２４ 改質水供給流路、２６ 改質器、２８ 燃料ガス供給流路、３０，３２ バルブ、３４ ガス拡散部、３６ 貯水部、３８ 原料ガス排出口、４０ 改質水排出口、４２ 水面、５０ 燃料電池スタック。

Claims (5)

1. 液体を蓄えるタンクと、
   前記液体に不溶なガスをタンク内に導入し、前記タンク内の圧力を上昇させるガス導入手段と、
   を備え、
   前記タンク内の前記液体は、上昇した前記タンク内の圧力により燃料電池システム内へ送液されることを特徴とする送液装置。
2. 給水機構により補給される水を蓄える水タンクと、
   前記水に不溶な原料ガスを水タンク内に導入し、前記水タンク内の圧力を上昇させる原料ガス導入手段と、
   前記水タンク内の水を改質器に供給する改質水供給流路と、
   前記水タンク内に導入された原料ガスを前記改質器に供給する原料ガス供給流路と、
   を備えることを特徴とする改質原料供給装置。
3. 請求項２に記載の改質原料供給装置において、
   前記改質器は、水素を含む燃料ガスを生成することを特徴とする改質原料供給装置。
4. 請求項２または３に記載の改質原料供給装置を有することを特徴とする燃料電池システム。
5. 給水機構により補給される水を蓄える水タンクと、原料ガスを水タンク内に導入し、前記水タンク内の圧力を上昇させる原料ガス供給手段と、を有する改質原料供給装置と、
   水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、
   を有する定置型燃料電池システムであって、
   前記原料ガスは、原料ガス源から所定の圧力で前記水タンク内に導入された後に前記改質器に供給され、
   前記水は、前記原料ガスの導入に伴い上昇した前記水タンク内のガス圧により前記水タンクに設けられた改質水排出口から送液され、前記改質器に供給されることを特徴とする定置型燃料電池システム。

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