JP2007269521A - 燃料システム及び燃料電池システム - Google Patents

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英夫 北村
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Abstract

【課題】 装置又はシステムを大型化することなく、簡易な構成で燃料を安定して供給することが可能な燃料システム及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料容器１１から供給される燃料の一部は、弁駆動用燃料タンク５１のタンク上部５６へと供給される。このとき、燃料容器１１内が大気圧より高圧であるため、燃料は、隔壁５２を押し下げようとしてバネ５３を圧縮する。隔壁５２に取り付けられた弁棒５５は、燃料容器１１内の圧力とバネ５３の弾性力とが釣り合う位置まで移動し、弁棒５５の下端５５ａは加熱用燃焼ガス通路５４の開度を調整する。これにより、燃料容器１１を加熱する容器加熱部２１に供給する燃料ガスの流量を制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料システム及び燃料電池システムに関する。
近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の小型電源として、水素により駆動する燃料電池システムやウルトラマイクロガスタービンシステムへの期待が高まりつつある。
これらのシステムに用いられる燃料として、特にジメチルエーテルが有望視されている。これは、ジメチルエーテルが容易に液化可能であるためである。さらに、ジメチルエーテルには、液化した際、常温での飽和蒸気圧が約６気圧と大気圧より高圧であるので、燃料電池セルやウルトラマイクロガスタービンへ燃料を送り出すためのポンプが不要になるという利点がある。
また、これらのシステムでは、一般に、燃料を転換手段により改質して水素含有ガスを生成する必要があるが、ジメチルエーテルは、天然ガス等を燃料とする場合と比較して、低温での改質が可能であり、また改質触媒の性能を劣化させる硫黄分を含まないという利点も有する。
しかしながら、燃料電池セルやウルトラマイクロガスタービンにジメチルエーテルを含有する燃料を供給する場合、ポンプを使用せず燃料の圧力を利用して供給するため、燃料容器内の圧力低下により、燃料容器から供給される燃料の流量が低下してしまう。例えば、燃料を燃料容器内で気化させ気体状態で供給する場合、ジメチルエーテルの気化熱のため燃料温度が低下すると、燃料容器内の圧力が低下し、燃料流量が減少する。また、燃料を液体状態で供給する場合でも、容器内の液相体積が減少する分ジメチルエーテルが気化する。そのため、燃料容器内の圧力が低下し、燃料流量が減少する。さらに、外部環境の温度変化によっても燃料容器内の圧力は変わりうる。例えば、ジメチルエーテル単独の飽和蒸気圧は、温度２５度では６気圧であるのに対し、温度１０度では４気圧以下と低下してしまう。
ここで、燃料容器から供給される燃料の流量を制御する手段として、オリフィス、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ等が知られている。しかしながら、上述した理由により燃料容器内の圧力が低下すると、上記手段の設定流量よりも実際の流量が少なくなってしまい、燃料流量を制御できなくなるという問題が発生する。この問題に対しては、圧力低下に応じて流量制御用バルブの開度を大きくする手法、あるいはオリフィスを用いた場合、上流に圧力レギュレーターを設置して下流の圧力を予め一定の低い値に調整してから、燃料をオリフィスに導入する等の手法によって解決しうるが、燃料容器内の圧力低下が著しい場合、これらの手法を用いても燃料流量の制御に障害が生じる恐れがある。
そこで、液化ガスであるブタンガスを用いた燃料電池システムにおいて、改質装置からの排熱を利用して燃料容器であるボンベを加熱することで、ブタンガスの気化量を調節するシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に開示されるシステムでは、改質装置から排出される排熱ガスの流量を流路制御板を用いて調整した後にボンベに送ることで、ボンベの温度を一定範囲内に収まるように制御し、ブタンガスの気化量を一定に調節している。
国際公開第９８／００８７８号パンフレット
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、燃料容器であるボンベの温度を測定する手段や、測定した温度に応じて流路制御板を動作させる制御回路等が必要となり、システムが大型化してしまうという問題がある。システムが大型化してしまうことは、携帯用電子機器の小型電源として用いることが出来なくなることから避けなければならない。また、流路制御板を駆動するための電力が別途必要とする問題もある。さらに、制御回路が故障した場合は、排熱ガスの流量調整に不具合が生じ、ボンベ内部の圧力が著しく上昇又は下降してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、装置又はシステムを大型化することなく、簡易な構成で燃料を安定して供給することが可能な燃料システム及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料システムは、飽和蒸気圧が大気圧より高圧な有機物原料が収納される燃料容器から供給される前記有機物原料の流量を制御する原料流量制御部と、前記原料流量制御部から供給される前記有機物原料の少なくとも一部を水素含有ガスに改質する改質手段と、前記改質手段から供給される前記水素含有ガスの少なくとも一部を燃焼させる燃焼手段と、前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力に応じて前記燃焼手段から排出される燃焼ガスの流量を調整する燃焼ガス流量調整手段と、前記燃料容器の周囲に配置され、前記燃焼ガス流量調整手段から供給される前記燃焼ガスを用いて前記燃料容器を加熱する容器加熱手段とを備えることを特徴とする。
また本発明の燃料システムは、飽和蒸気圧が大気圧より高圧な有機物原料が収納される燃料容器から供給される前記有機物原料の流量を制御する原料流量制御部と、前記原料流量制御部から供給される前記有機物原料を気化させる気化部と、前記気化部により気化された前記有機物原料を水素含有ガスに改質する改質部と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部を除去する一酸化炭素除去部と、前記一酸化炭素除去部から供給された前記水素含有ガスから二酸化炭素、メタン及び水蒸気の少なくとも一部を除去した高濃度水素ガス及びそれ以外の低濃度水素ガスに分離する水素純化部と、前記水素純化部から供給される前記高濃度水素ガスの燃焼によりイオン化した被測定対象ガスを検出する水素炎イオン化検出部と、前記水素炎イオン化検出部を制御して前記被測定対象ガスを解析する解析制御部と、前記水素純化部から供給される低濃度水素ガスを触媒作用により燃焼させる触媒燃焼手段と、前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力に応じて前記触媒燃焼手段から排出される前記燃焼ガスの流量を調整する燃焼ガス流量調整手段と、前記燃料容器の周囲に配置され、前記燃焼ガス流量調整手段から供給される前記燃焼ガスを用いて前記燃料容器を加熱する容器加熱手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、飽和蒸気圧が大気圧より高圧な有機物原料が収納される燃料容器から供給される前記有機物原料の流量を制御する原料流量制御部と、前記原料流量制御部から供給される前記有機物原料を気化させる気化部と、前記気化部により気化された前記有機物原料を水素含有ガスに改質する改質部と、前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部を除去する一酸化炭素除去部と、前記一酸化炭素除去部により一酸化炭素の少なくとも一部が除去された前記水素含有ガス及び空気を用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池が排出するガスを触媒作用により燃焼させる触媒燃焼手段と、前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力に応じて前記触媒燃焼手段から排出される燃焼ガスの流量を調整する燃焼ガス流量調整手段と、前記燃料容器の周囲に配置され、前記燃焼ガス流量調整手段から供給される前記燃焼ガスを用いて前記燃料容器を加熱する容器加熱手段とを備えることを特徴とする。
本発明の燃料システム及び燃料電池システムによれば、装置又はシステムを大型化することなく、簡易な構成で燃料を安定して供給することができる。
以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
図１乃至図６を用いて、本発明の第１の実施例に係る燃料システムを燃料電池システムに適用して説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図１に示す燃料電池システムは、燃料電池システムの燃料となる大気圧よりも高い飽和蒸気圧を有する有機物原料（以下、燃料と称する）が収納された燃料容器１１と、燃料容器１１から供給される燃料の流量を調整する燃料流量制御部１２と、この燃料流量制御部１２と配管等によって接続され、供給される燃料を気化する気化部１３と、気化部１３と配管等によって接続され、気化した燃料を後述する改質ガスへと改質する改質部１４と、改質部１４と配管等で接続され、改質ガスをシフト反応させるＣＯシフト部１５と、ＣＯシフト部１５と配管等によって接続され、シフト反応した改質ガスに残存する一酸化炭素を除去するメタネーション部１６と、メタネーション部１６と配管等によって接続され、メタネーション部１６から送られる改質ガスに含まれる水素と大気中の酸素を反応させ発電する燃料電池セル１７と、燃料電池セル１７と配管等によって接続され、燃料電池セル１７が排出する排出ガスを燃焼させ燃焼ガスを送り出す触媒燃焼部１８と、触媒燃焼部１８と配管等によって接続され、燃焼ガスを加熱用燃焼ガス流量調整弁２０へ送るものと外部へ排出するものとに分割する分岐部１９と、分岐部１９と配管等によって接続され、容器加熱部２１へ送る燃焼ガスの流量を調整する加熱用燃焼ガス流量調整弁２０と、加熱用燃焼ガス流量調整弁２０と配管等によって接続され、燃料容器１１を過熱する容器加熱部２１と、改質部１４、気化部１３、ＣＯシフト部１５、メタネーション部１６及び触媒燃焼部１８を覆うように配置された断熱部２２を備えている。
続いて、各部の詳細を説明する。
先ず、燃料容器１１は図１に示すように、着脱可能な接続部７１を有する圧力容器であり、例えば内部に燃料である水とジメチルエーテルの混合物を納めている。ジメチルエーテルは、常温での飽和蒸気圧が絶対圧で約６気圧と大気圧より高圧である。そこで燃料容器１１は、この大気より高圧なジメチルエーテルの飽和蒸気圧を利用して、ポンプ等を利用することなく燃料を気化部１３へと供給する。
燃料は、水とジメチルエーテルの混合物を気化部１３に供給してもよく、あるいは水とジメチルエーテルを別個に供給し、気化部１３手前又は気化部１３において混合してもよい。後者の場合は、燃料容器１１の内部において隔壁等を通じてジメチルエーテルの圧力を水に作用させ、水もポンプ等を利用することなく供給することができる。ただし、いずれの場合においても、混合するジメチルエーテルと水のモル比は、１：３〜１：４の間であることが望ましい。また、水とジメチルエーテルを混合する際に、メタノールを添加してもよい。メタノールを添加することによって、水とジメチルエーテルの相溶性が向上し、燃料容器１１内において水とジメチルエーテルの液相が均一相となる。この場合、メタノールは、混合物の重量比で５〜１０パーセントとなるよう添加することが望ましい。メタノールを添加しても、混合物の圧力は大気圧より高く、常温で約３〜５気圧の飽和蒸気圧が得られる。
なお、ここでは燃料としてジメチルエーテルを用いたが、常温における飽和蒸気圧が大気圧より高圧である液化ガスであれば、プロパン、イソブタンノルマブタン等、ジメチルエーテル以外を用いてもよい。
次に、燃料流量制御部１２は、燃料容器１１と気化部１３の間に設置されており、燃料容器１１から気化部１３へと供給する燃料の流量を調整する。この燃料流量制御部１２としては、オリフィス、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ等を用いても良い。また、異なる形状のオリフィスを組み合わせたものや、温度調整によって流体の粘性を変化させて流量を調節する温度可変型オリフィスを用いても良い。
気化部１３は、燃料流量制御部１２によって流量を制御されて供給された燃料を、触媒燃焼部１８の燃焼熱を用いて気化させ、改質部１４へと供給する。
続く改質部１４は、その内部に気化部１３から供給された燃料が通過する流路（図示せず）を備えている。さらに、この流路の内壁面には、改質反応を促進する改質触媒（図示せず）が設けられており、気化部１３から供給された燃料が流路内を通過することで改質反応が起こる。ここで、改質反応とは、気化部１３から供給された燃料が流路内で改質され、水素を含有する気体（以下、改質ガスと称する。）となることをいう。
次に、ＣＯシフト部１５は、その内部に改質部１４から供給された改質ガスが通過する流路（図示せず）を備えている。さらに、この流路の内壁面には、一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒（図示せず）が設けられており、一酸化炭素を含んだ改質ガスが流路内を通過することでシフト反応が起こる。改質部１４から供給された改質ガスには、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれている。この一酸化炭素は、燃料電池セル１７のアノード触媒（図示せず）を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を劣化させる原因となる。そこで、このＣＯシフト部１５では、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素と二酸化炭素にシフトするシフト反応を起こし、一酸化炭素量を低減させるとともに水素生成量の増加を図る。
続いてメタネーション部１６は、その内部にＣＯシフト部１５から供給される改質ガスが通過する流路（図示せず）を備えている。さらに、この流路の内壁面には、一酸化炭素のメタン化反応を促進するためメタネーション触媒（図示せず）が設けられており、一酸化炭素を含んだ改質ガスが流路内を通過することでメタン化反応が起こる。ＣＯシフト部１５から供給される改質ガスには、未だ１〜２パーセント程度の一酸化炭素を含んでいる。上述したように、改質ガスに含まれる一酸化炭素は、燃料電池システムの発電性能を劣化させる原因となる。そこで、メタネーション部１６は、改質ガスに含まれる一酸化炭素をメタンと水に転化させるメタン化反応を起こし、改質ガスを燃料電池セル１７に供給する前に一酸化炭素を除去する。
燃料電池セル１７は、メタネーション部１６から供給される改質ガスに含まれる水素と大気中の酸素を反応させることで、水を生成するとともに発電を行う。発電の際に生成される水は、排出ガスとして触媒燃焼部１８へ排出される。この排出ガスには、水だけでなく、メタン及び未反応の水素が含まれている。そこで、続く触媒燃焼部１８では、エアポンプ８１により注入される大気中の酸素を用いて、このメタン及び未反応の水素を燃焼させ、このとき発生する燃焼熱を利用して、気化部１３、改質部１４を加熱する。
断熱部２２は、気化部１３、改質部１４、ＣＯシフト部１５及びメタネーション部１６の周囲を覆うように設置されている。これにより気化部１３及び改質部１４等を効率よく加熱するとともに、電子回路等、断熱部２２の周囲に配置された耐熱性の低い部品を燃焼熱から保護している。
続いて、図２を用いて、加熱用燃焼ガス流量調整弁２０を説明する。
図２は、加熱用燃焼ガス流量調整弁２０の構成を示す図である。図２に示す加熱用燃焼ガス流量調整弁２０は、燃料容器１１と配管等で接続され、燃料容器１１から燃料の一部が供給される弁駆動用燃料タンク５１と、この弁駆動用燃料タンク５１をタンク上部５６とタンク下部５７に二分する隔壁５２と、隔壁５２のタンク下部側に取り付けられ加熱用燃焼ガス通路５４の弁として動作する弁棒５５と、隔壁５２のタンク下部側の弁棒５５に取り付けらされたバネ５３と、触媒燃焼部１８から分岐部１９を通して排出される燃焼ガスを容器加熱部２１へと供給する加熱用燃焼ガス通路５４を有している。
なお、加熱用燃焼ガス流量調整弁２０を通過する燃焼ガスの温度が高すぎる場合は、弁が破損してしまう可能性がある。そこで、必要に応じて熱交換器や冷却器を加熱用燃焼ガス流量調整弁２０の上流側に配置し、燃焼ガスの温度を下げるように構成してもよい。
続いて各部の詳細を説明する。
まず、弁駆動用燃料タンク５１は、上述したように燃料容器１１と配管等によって接続されている。また、その内部は、隔壁５２によって燃料が供給されるタンク上部５６と、タンク下部５７と二分されている。
弁駆動用燃料タンク５１のタンク上部５６に供給された燃料は、燃料容器１１内の圧力によって隔壁５２をタンク下部５７側へと付勢する。一方、隔壁５２のタンク下部５７側の弁棒５５の外周に取り付けられているバネ５３は、その弾性力によって隔壁５２をタンク上部５６側へと付勢する。従って隔壁５２は、燃料容器１１内の燃料の圧力が作用する力とバネ５３の弾性力とが釣り合う位置で止まるように弁駆動用燃料タンク５１内を移動する。
弁棒５５は、その上端が隔壁５２のタンク下部５７側に取り付けられており、隔壁５２の移動に伴って移動する。また、この弁棒５５の下端５５ａは、加熱用燃焼ガス通路５４の幅を制御する位置に配置される。そして、この弁棒５５の下端５５ａの移動によって加熱用燃焼ガス通路５４の幅を制御する弁として動作する。
続いてバネ５３は、その弾性力によって燃料容器１１内の燃料の圧力が隔壁５２に作用する力と釣り合う位置まで隔壁５２をタンク上部５６側へと押し上げる。ここで、燃料容器１１内の燃料の圧力が隔壁５２に作用する力とバネ５３の弾性力とが釣り合う位置、即ち弁の開度は、バネ５３の弾性力によって変化する。このバネ５３の弾性力は、バネ定数の値によって変化するため、このバネ定数を調整することで、燃料容器１１内部を所望の圧力に保つために必要な燃焼ガスの流量を調整することができる。なお、図２では、バネ５３としてコイルバネを用いた例を示しているが、これ以外にも板バネ、空気バネ等を用いてもよい。
加熱用燃焼ガス通路５４は、触媒燃焼部１８及び容器加熱部２１との間に設けられており、触媒燃焼部１８から排出される燃焼ガスを後段の容器加熱部２１へと供給する。このとき、容器加熱部２１に供給される燃焼ガスの流量は、隔壁５２及び隔壁５２に接続される弁棒５５の位置によって変化する。即ち、隔壁５２及び弁棒５５がタンク上部５６側へと押し上げられて弁棒５５の下端５５ａによる弁の開度が大きくなると、加熱用燃焼ガス通路５４から排出される燃焼ガスの流量は増加する。逆に、隔壁５２及び弁棒５５がタンク下部５７側へと押し下げられて弁棒５５の下端５５ａによる弁の開度が小さくなると、加熱用燃焼ガス通路５４から排出される燃焼ガスの流量は減少する。
次に、図３乃至図６を用いて、容器加熱部２１を説明する。
図３は、容器加熱部２１の構成を示す図である。図３に示す容器加熱部２１は、加熱用燃焼ガス通路５４に接続された加熱用流路配管６１を、燃料容器１１にらせん状に巻きつけた構成となっている。この容器加熱部２１の加熱用流路配管６１内に加熱用燃焼ガスが流れることで燃料容器１１を加熱する。この燃料容器１１と容器加熱部２１は、必ずしも接触している必要はないが、外部環境温度の変化による伝熱量への影響を低減するために、両者の距離は小さい方が望ましい。
（容器加熱部２１の変形例１）
図４は、容器加熱部２１の変形例１を示す図である。図４に示す容器加熱部２１は、内部にらせん状の流路６３を設けた金属製円筒状のジャケット６２を燃料容器１１の外側に取り付ける構造としている。この変形例１においても、燃料容器１１と容器加熱部２１は、必ずしも接触している必要はないが、外部環境温度の変化による伝熱量への影響を低減するために、両者の距離は小さい方が望ましい。
（容器加熱部２１の変形例２）
図５は、容器加熱部２１の変形例２を示す図である。図５に示す容器加熱部２１は、図４に示す容器加熱部２１の金属性円筒状のジャケット６２と燃料容器１１の間に断熱材６４を備えた構成となっている。燃料容器１１と断熱材６４は、必ずしも接触している必要はないが、外部環境温度の変化による伝熱量への影響を低減するために、両者の距離は小さい方が望ましい。
（容器加熱部２１の変形例３）
図６は、容器加熱部２１の変形例３を示す図である。図６に示す容器加熱部２１は、図５に示す容器加熱部２１の金属製円筒状のジャケット６２の周囲に断熱材６５を設けた構成になっている。ジャケット６２の周囲に断熱材６５を設けることで、外部環境温度の低下によるジャケット６２の放熱の抑制を図っている。なお、この変形例３では、図５に示す容器加熱部２１の金属製円筒状のジャケット６２の周囲に断熱材６５を設けた構成を示したが、図４に示す容器加熱部２１のジャケット６２の周囲に断熱材６５を設けてもよい。
次に、図１又は図２を用いて、本実施例に係る燃料電池システムの動作を説明する。
まず、図１に示す燃料容器１１から供給された燃料は、その一部が加熱用燃焼ガス流量調整弁２０のタンク上部５６へ供給される。このとき、燃料容器１１内の圧力に応じて加熱用燃焼ガス流量調整弁２０を通過する燃焼ガスの流量が調整される。この加熱用燃焼ガス流量調整弁２０の動作は後述する。一方、燃料容器１１から供給された残りの燃料は、燃料流量制御部１２によって流量を調整された後、気化部１３へと供給される。
気化部１３に供給された燃料は、触媒燃焼部１８の燃焼熱を利用して加熱され気化し、改質部１４へと供給される。気化部１３から改質部１４に供給された燃料は、改質部１４内に設けられた流路を通過することで改質ガスとなる。この改質ガスは、ＣＯシフト部１５へと供給され、ＣＯシフト部１５内に設けられた流路を通過する。改質ガスに含まれる一酸化炭素は、ＣＯシフト部１５の流路内に設けられた触媒によって、二酸化炭素と水素へシフトする。
ＣＯシフト部１５においてシフト反応された改質ガスは、続いてメタネーション部１６へと供給され、メタネーション部１６内の流路を通過する。メタネーション部１６の流路内に設けられた触媒によって、改質ガス中の一酸化炭素は、メタン化反応を起こし、水とメタンとに転化される。このように、メタネーション部１６において一酸化炭素を除去した改質ガスは、燃料電池セル１７へと供給される。
燃料電池セル１７は、メタネーション部１６から供給された改質ガスに含まれる水素と大気中の酸素とを反応させる。この反応に伴い、燃料電池セル１７は、水を生成するとともに発電を行い、排出ガスを排出する。この排出ガスには、生成された水とともにメタン及び未反応の水素が含まれている。そこで、排出ガスは、触媒燃焼部１８へと排出され、エアポンプ８１により注入された大気中の酸素を用いて燃焼される。触媒燃焼部１８で燃焼された排出ガスは、燃焼ガスとなって分岐部１９へと排出される。分岐部１９に排出された燃焼ガスは、一部が外部へ排出されるとともに、残りが加熱用燃焼ガス流量調整弁２０へと供給される。
加熱用燃焼ガス流量調整弁２０に供給された燃焼ガスは、加熱用燃焼ガス通路５４を通過する際に、燃料容器１１内の圧力に応じて流量が調整され、容器加熱部２１へと供給される。容器加熱部２１に供給された燃焼ガスは、燃料容器１１を加熱してそのまま外部へ排出される。
次に、図２を用いて、加熱用燃焼ガス流量調整弁２０の動作を説明する。
上述した燃料容器１１から供給された燃料の一部は、弁駆動用燃料タンク５１のタンク上部５６へと供給される。このとき、燃料容器１１内が大気圧より高圧であるため、供給された燃料は、隔壁５２を押し下げようとしてバネ５３を圧縮する。これにより、隔壁５２及び隔壁５２に取り付けられた弁棒５５は、燃料容器１１内の燃料の圧力が隔壁５２に作用する力とバネ５３の弾性力とが釣り合う位置まで移動する。
ここで、燃料容器１１内の燃料の圧力が低下した場合、隔壁５２を押し下げる力が小さくなる。そのため、隔壁５２及び弁棒５５がバネ５３の弾性力によりタンク上部５６側へと押し上げられることで、弁棒５５の下端５５ａによる弁の開度が大きくなり、加熱用燃焼ガス通路５４から容器加熱部２１に供給される燃焼ガスの流量が増加する。これにより燃料容器１１に伝達される熱量も増加し、燃料容器１１内の燃料温度が上昇するとともに、燃料容器１１内の圧力が増加する。
一方、燃料容器１１内の燃料の圧力が増加した場合、隔壁５２を押し下げる力が大きくなる。そのため、隔壁５２及び弁棒５５がタンク下部５７側へと押し下げられることで、弁棒５５の下端５５ａによる弁の開度が小さくなり、加熱用燃焼ガス通路５４から容器加熱部２１に供給される燃焼ガスの流量が減少する。これにより、燃料容器１１に伝達される熱量が少なくなり、燃料容器１１内の燃料温度が低下するとともに、燃料容器１１内の圧力が減少する。
以上のように第１の実施例によれば、燃料容器１１から供給される燃料の一部を利用して、燃焼ガスの流量を調整することで、燃料容器１１の温度を設定する手段や、測定した温度に応じて燃焼ガスの流量を調整する制御回路等と備える必要がないため、システムを大型化するとがなく、燃料容器１１から燃料を安定して供給することが可能となる。また、燃焼ガスの流量を調整する加熱用燃焼ガス流量調整弁２０は、弁駆動用燃料タンク５１や隔壁５２など簡易な構成で実現でき、その駆動用の電力を必要としない。さらに、燃料容器１１の加熱に触媒燃焼部１８からの燃焼ガスを使用しているため、燃料容器１１の加熱のために改めて燃料を燃焼する必要がなく、効率よく燃料容器１１を加熱することができる。また、容器加熱部２１にジャケット６２を使用することで、容器加熱部２１の伝熱面が増加し燃焼容器１１の加熱を促進することができる。さらに、容器加熱部２１自身の熱伝導も促進されるため、容器加熱部２１の伝熱面の温度が均一となり、燃料容器１１を均一に加熱することができる。
次に、図７を用いて、本発明の燃料システムの第２の実施例に係る分析システムを説明する。この分析システムは、水素発生装置１と分析部２を備えており、携帯用分析機器としての機能を有する。
図７に示す水素発生装置１は、図１の燃料電池システムに対し、燃料電池セル１７を備えておらず、水素純化部２３を新たに備えた構成となっている。なお、図７において、図１の各部と同一部分は、同一符号で示し、その説明を省略する。
水素発生装置１に新たに備えた水素純化部２３は、メタネーション部１６と配管等によって接続され、その出力側は触媒燃焼部１８及び後述するＦＩＤ２７に配管等によって接続されている。この水素純化部２３では、メタネーション部１６から供給された改質ガスを、二酸化炭素、メタン及び水蒸気が除去された高濃度水素ガスと、この高濃度水素ガス以外の低濃度水素ガスとに分離する。この水素純化部２３としては、水素透過膜、例えばラジウム、バナジウムもしくはタンタルなどの金属膜を用いてもよく、また石英系の水素透過半透膜を用いてもよい。
続いて、分析部２を説明する。
図７に示す分析部２は、カラム２４に被測定対象ガスを供給する被測定対象ガス供給口２５と、ヘリウム、窒素等不活性ガス（以下、キャリアガスと称する。）を保持するキャリアガス保持部２６と、被測定対象ガス供給口２５及びキャリアガス保持部２６と配管等によって接続され、被測定対象ガスを成分ごとに分離するカラム２４と、カラム２４及び水素純化部２３と配管等によって接続され、水素純化部２３から供給される高濃度水素ガスを燃焼して、カラム２４から供給される被測定対象ガスをイオン化して検出するＦＩＤ２７（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：水素炎イオン化検出器）と、このＦＩＤ２７を制御して被測定対象ガスを分析する解析制御部２８を備えている。
なお、カラム２４は、例えばキャピラリーカラムやパックドカラムなどで構成されており、電気ヒータ２９で加温されている。
続いて、図７を用いて、本実施例に係る燃料システムの動作を説明する。なお、メタネーション部１６にて改質ガスの一酸化炭素を除去するまでの動作は、図１に示す燃料電池システムと同じであるため、その説明を省略する。
メタネーション部１６にて一酸化炭素が除去された改質ガスは、水素純化部２３へと供給され、二酸化炭素、メタン、水蒸気が除去された高濃度水素ガスと、この高濃度水素ガス以外の低濃度水素ガスとに分離される。分離された高濃度水素ガスは、分析部２のＦＩＤ２７へと供給される。一方、分離された低濃度水素ガスは、触媒燃焼部１８へと排出され、エアポンプ８１により注入された大気中の酸素を用いて燃焼されて燃焼ガスとなり分岐部１９へと排出される。
なお、燃焼ガスが分岐部１９に排出された後の動作は、図１に示す燃料電池システムと同じであるため、その説明は省略する。
一方、被測定対象ガス供給口２５から供給される被測定対象ガスは、キャリアガス保持部２６から供給されるキャリアガスとともに、カラム２４を通過する。被測定対象ガスは、カラム２４を通過することで成分ごとに分離され、ＦＩＤ２７に供給される。ＦＩＤ２７に供給された被測定対象ガスは、水素純化部２３から供給される高濃度水素ガスの燃焼によってイオン化して検出され、解析制御部２８によって解析される。解析が終了した被測定対象ガスは、イオン化によって二酸化炭素と水蒸気に分解されており、高濃度水素ガスにより生成した水蒸気とともにＦＩＤ２７から外部へ排出される。
なお、ここではカラム２４を加温する手段として電気ヒータ２９を用いたが、例えば触媒燃焼部１８にて低濃度水素ガスを燃焼した際に発生する熱の一部を、ヒートパイプを用いて供給しても良い。また、ＦＩＤ２７、解析制御部２８、電気ヒータ２９等を駆動するために必要な電力は、二次電池等から供給してもよく、燃料電池セル１７を設置し、これに水素純化部２３によって分離された低濃度水素ガスを供給して発電してもよい。
以上のように第２の実施例によれば、燃料容器１１から供給される燃料の一部を利用して、燃焼ガスの流量を調整することで、燃料容器１１の温度を測定する手段や、燃焼ガスの流量を調整するための制御回路等を備える必要がないため、システムを大型化することなく、燃料容器１１から燃料を安定して供給することが可能となる。また、燃焼ガスの流量を調整する加熱用燃焼ガス流量調整弁２０は、別途駆動用の電力を必要とせず、弁駆動用燃料タンク５１や隔壁５２など簡易な構成で実現できる。
次に、図８を用いて、本発明の燃料システムの第３の実施例に係るウルトラマイクロガスタービンシステムについて説明する。このウルトラマイクロガスタービンシステムは、水素発生装置１及び発電部３を備えている。
図８に示す水素発生装置１は、図１の燃料電池システムに対し、燃料電池セル１７、ＣＯシフト部１５、メタネーション部１６及び触媒燃焼部１８を備えていない。なお、図８において、図１の各部と同一部分は、同一符号で示し、その説明を省略する。
続いて、発電部３について説明する。
図８に示す発電部３は、水素発生装置１の改質部１４と配管等で接続されたウルトラマイクロガスタービン３１と、このウルトラマイクロガスタービン３１が備えるタービン３４に接続され、このタービン３４の駆動により発電する発電機３２を備えている。
ウルトラマイクロガスタービン３１は、外部から取り込んだ空気を圧縮して燃焼部３５へと供給するコンプレッサー３３と、改質部１４及びコンプレッサー３３に接続され、改質ガスと圧縮された空気を混合して燃焼し、タービン３４を駆動する燃焼部３５と、発電機３２に接続され、燃焼部３５の燃焼熱によって駆動するタービン３４と、コンプレッサー３３、燃焼部３５、及びタービン３４の周囲を覆う断熱部３６とを備えている。なお、このウルトラマイクロガスタービン３１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を利用して作成される。
続いて、図８を用いて、本実施例に係るウルトラマイクロガスタービンシステムの動作を説明する。なお、改質部１４にて改質ガスを生成するまでの動作は、図１に示す燃料電池システムを同じであるため、説明は省略する。
改質ガスは、改質部１４から燃焼部３５へと供給される。燃焼部３５には、この改質ガスとともに、コンプレッサー３３によって圧縮された空気も供給される。燃焼部３５は、供給された改質ガスと空気を混合して燃焼した熱によって、タービン３４を回転駆動し、そのタービン３４の駆動に基づき発電機３２が発電する。ここで、燃焼部３５では改質ガスと空気を混合して燃焼することにより、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、配管等を通じて改質部１４及び気化部１３へと排出され、これらを加熱するとともに、熱交換により自身は冷却される。冷却されることにより一部温度が低下した燃焼ガスは、分岐部１９へと排出される。
なお、燃焼ガスが分岐部１９に排出された後の動作は、図１に示す燃料電池システムと同じであるため、その説明は省略する。
以上のように第３の実施例によれば、燃料容器１１から供給される燃料の一部を利用して、燃焼ガスの流量を調整することで、燃料容器１１の温度を測定する手段や、燃焼ガスの流量を調整するための制御回路等を備える必要がないため、システムを大型化することなく、燃料容器１１から燃料を安定して供給することが可能となる。また、燃焼ガスの流量を調整する加熱用燃焼ガス流量調整弁２０は、別途駆動用の電力を必要とせず、弁駆動用燃料タンク５１や隔壁５２など簡易な構成で実現できる。さらに、気化部１３、改質部１４及び燃料容器１１の加熱に燃焼部３５の燃焼ガスを使用することで、別途燃料を燃焼する必要がなく燃料容器１１等を効率よく加熱することができる。
本発明の燃料システムの第１の実施例に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図。 本発明の燃料電池システムの加熱用燃焼ガス流量調整弁２０の構成を示す構成図。 本発明の燃料電池システムの容器加熱部２１の構成を示す構成図。 本発明の燃料電池システムの容器加熱部２１の変形例１を示す構成図。 本発明の燃料電池システムの容器加熱部２１の変形例２を示す構成図。 本発明の燃料電池システムの容器加熱部２１の変形例３を示す構成図。 本発明の燃料システムの第２の実施例に係る分析システムの構成を示す構成図。 本発明の燃料システムの第３の実施例に係るウルトラマイクロガスタービンシステムの構成を示す構成図。
符号の説明
１・・・水素発生装置
２・・・分析部
３・・・発電部
１１・・・燃料容器
１２・・・燃料流量制御部
１３・・・気化部
１４・・・改質部（改質手段）
１５・・・ＣＯシフト部
１６・・・メタネーション部
１７・・・燃料電池セル
１８・・・触媒燃焼部（燃焼手段）
１９・・・分岐部
２０・・・加熱用燃焼ガス流量調整弁
２１・・・容器加熱部（容器加熱手段）
２２，３６・・・断熱部
２３・・・水素純化部
２４・・・カラム
２５・・・被測定対象ガス供給口
２６・・・キャリアガス保持部
２７・・・ＦＩＤ
２８・・・解析制御部
２９・・・電気ヒータ
３１・・・ウルトラマイクロガスタービン
３２・・・発電機
３３・・・コンプレッサー
３４・・・タービン
３５・・・燃焼部（燃焼手段）
５１・・・弁駆動用燃料タンク
５２・・・隔壁
５３・・・バネ（弾性体）
５４・・・燃焼用燃焼ガス通路
５５・・・弁棒
５５ａ・・・弁棒の下端
５６・・・タンク上部（タンクの燃料が供給される側Ａ）
５７・・・タンク下部（タンクの他方の側Ｂ）
６１・・・加熱用流路配管
６２・・・ジャケット
６３・・・流路
６４，６５・・・断熱材
７１・・・接続部
８１・・・エアポンプ

Claims (13)

  1. 飽和蒸気圧が大気圧より高圧な有機物原料が収納される燃料容器から供給される前記有機物原料の流量を制御する原料流量制御部と、
    前記原料流量制御部から供給される前記有機物原料の少なくとも一部を水素含有ガスに改質する改質手段と、
    前記改質手段から供給される前記水素含有ガスの少なくとも一部を燃焼させる燃焼手段と、
    前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力に応じて前記燃焼手段から排出される燃焼ガスの流量を調整する燃焼ガス流量調整手段と、
    前記燃料容器の周囲に配置され、前記燃焼ガス流量調整手段から供給される前記燃焼ガスを用いて前記燃料容器を加熱する容器加熱手段と
    を備えることを特徴とする燃料システム。
  2. 前記燃焼ガス流量調整手段は、
    前記燃焼手段から排出される前記燃焼ガスを前記容器加熱手段へと供給する燃焼ガス通路と、
    隔壁によって二分され、前記燃料容器から供給される前記有機物原料の圧力を受ける第１の収納部と、前記隔壁を前記圧力と反対方向に付勢する弾性体を収納する第２の収納部とを有するタンクと、
    前記タンク内の前記隔壁に取り付けられ、前記隔壁が前記圧力と前記弾性体の弾性力とが釣り合う位置に移動することによって前記燃焼ガス通路から前記容器加熱手段に供給される前記燃焼ガスの流量を制御する弁棒と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料システム。
  3. 前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力が上昇した場合、前記隔壁及び前記弁棒が前記燃焼ガス通路を遮断する方向に移動し、前記燃焼ガス通路から前記容器加熱手段に供給される前記燃焼ガスの流量を減少させ、
    前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力が減少した場合、前記弾性体の弾性力によって前記隔壁及び前記弁棒が前記燃焼ガス通路を開放する方向に移動し、前記燃焼ガス通路から前記容器加熱手段に供給される前記燃焼ガスの流量を増加させる
    ことを特徴とする請求項２に記載の燃料システム。
  4. 前記容器加熱手段は、前記燃料容器の外側にらせん形状の流路が施されたジャケットで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料システム。
  5. 前記燃料容器と前記らせん状の流路との間に断熱材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
  6. 前記燃料容器と前記らせん状の流路との間、および／または前記らせん状の流路の外周に断熱材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料システム。
  7. 前記有機物原料は、ジメチルエーテルを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料システム。
  8. 飽和蒸気圧が大気圧より高圧な有機物原料が収納される燃料容器から供給される前記有機物原料の流量を制御する原料流量制御部と、
    前記原料流量制御部から供給される前記有機物原料を気化させる気化部と、
    前記気化部により気化された前記有機物原料を水素含有ガスに改質する改質部と、
    前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部を除去する一酸化炭素除去部と、
    前記一酸化炭素除去部から供給された前記水素含有ガスから二酸化炭素、メタン及び水蒸気の少なくとも一部を除去した高濃度水素ガス及びそれ以外の低濃度水素ガスに分離する水素純化部と、
    前記水素純化部から供給される前記高濃度水素ガスの燃焼によりイオン化した被測定対象ガスを検出する水素炎イオン化検出部と、
    前記水素炎イオン化検出部を制御して前記被測定対象ガスを解析する解析制御部と、
    前記水素純化部から供給される低濃度水素ガスを触媒作用により燃焼させる触媒燃焼手段と、
    前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力に応じて前記触媒燃焼手段から排出される前記燃焼ガスの流量を調整する燃焼ガス流量調整手段と、
    前記燃料容器の周囲に配置され、前記燃焼ガス流量調整手段から供給される前記燃焼ガスを用いて前記燃料容器を加熱する容器加熱手段と
    を備えることを特徴とする燃料システム。
  9. 請求項１に記載の前記燃焼手段が、燃焼部を有するマイクロガスタービンシステムで構成され、前記燃焼部から排出された前記燃焼ガスを前記改質手段によって冷却して前記燃焼ガス流量調整手段に供給されることを特徴とする燃料システム。
  10. 飽和蒸気圧が大気圧より高圧な有機物原料が収納される燃料容器から供給される前記有機物原料の流量を制御する原料流量制御部と、
    前記原料流量制御部から供給される前記有機物原料を気化させる気化部と、
    前記気化部により気化された前記有機物原料を水素含有ガスに改質する改質部と、
    前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の少なくとも一部を除去する一酸化炭素除去部と、
    前記一酸化炭素除去部により一酸化炭素の少なくとも一部が除去された前記水素含有ガス及び空気を用いて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池が排出するガスを触媒作用により燃焼させる触媒燃焼手段と、
    前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力に応じて前記触媒燃焼手段から排出される燃焼ガスの流量を調整する燃焼ガス流量調整手段と、
    前記燃料容器の周囲に配置され、前記燃焼ガス流量調整手段から供給される前記燃焼ガスを用いて前記燃料容器を加熱する容器加熱手段と
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  11. 前記燃焼ガス流量調整手段は、
    前記燃焼手段から排出される前記燃焼ガスを前記容器加熱手段へと供給する燃焼ガス通路と、
    隔壁によって二分され、前記燃料容器から供給される前記有機物原料の圧力を受ける第１の収納部と、前記隔壁を前記圧力と反対方向に付勢する弾性体を収納する第２の収納部とを有するタンクと、
    前記タンク内の前記隔壁に取り付けられ、前記隔壁が前記圧力と前記弾性体の弾性力とが釣り合う位置に移動することによって前記燃焼ガス通路から前記容器加熱手段に供給される前記燃焼ガスの流量を制御する弁棒と
    を備えることを特徴とする請求項１０に記載に燃料電池システム。
  12. 前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力が上昇した場合、前記隔壁及び前記弁棒が前記燃焼ガス通路を遮断する方向に移動し、前記燃焼ガス通路から前記容器加熱手段に供給される前記燃焼ガスの流量を減少させ、
    前記燃料容器内の前記有機物原料の圧力が減少した場合、前記弾性体の弾性力によって前記隔壁及び前記弁棒が前記燃焼ガス通路を開放する方向に移動し、前記燃焼ガス通路から前記容器加熱手段に供給される前記燃焼ガスの流量を増加させる
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記有機物原料は、ジメチルエーテルを含むことを特徴とする請求項１０乃至請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8361668B2 (en) * 2008-05-27 2013-01-29 Societe Bic Devices for managing heat in portable electronic devices
CN106910915B (zh) * 2015-12-21 2019-06-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种用于燃料电池进料的装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0354188U (ja) * 1989-09-27 1991-05-24
WO1998000878A1 (fr) * 1996-07-02 1998-01-08 Matsushita Electric Works, Ltd. Systeme de generation d'energie au moyen de piles a combustible
JP2001273916A (ja) * 2000-03-27 2001-10-05 Idemitsu Kosan Co Ltd 燃料電池コジェネレーションシステム
JP2003170018A (ja) * 2001-12-04 2003-06-17 Taiyo Toyo Sanso Co Ltd 水素ガスの精製方法および精製装置
JP2004319467A (ja) * 2003-03-31 2004-11-11 Toshiba Corp 燃料電池システム、燃料電池システムの燃料、及び燃料電池システムの密閉容器
JP2005011753A (ja) * 2003-06-20 2005-01-13 Yazaki Corp 燃料電池システムへの燃料ガス供給方法およびその装置
JP2006083742A (ja) * 2004-09-15 2006-03-30 Tama Tlo Kk 発電装置および燃料供給装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4534207A (en) * 1983-05-31 1985-08-13 Shell Oil Company Reformer process analyzer
US6932847B2 (en) * 2001-07-06 2005-08-23 Millennium Cell, Inc. Portable hydrogen generator
US20040247960A1 (en) * 2003-03-31 2004-12-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell system
US7410714B1 (en) * 2004-07-15 2008-08-12 The United States Of America As Represented By The Administration Of Nasa Unitized regenerative fuel cell system
JP4247172B2 (ja) * 2004-09-24 2009-04-02 株式会社東芝 燃料容器、燃料電池システムおよび水素発生装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0354188U (ja) * 1989-09-27 1991-05-24
WO1998000878A1 (fr) * 1996-07-02 1998-01-08 Matsushita Electric Works, Ltd. Systeme de generation d'energie au moyen de piles a combustible
JP2001273916A (ja) * 2000-03-27 2001-10-05 Idemitsu Kosan Co Ltd 燃料電池コジェネレーションシステム
JP2003170018A (ja) * 2001-12-04 2003-06-17 Taiyo Toyo Sanso Co Ltd 水素ガスの精製方法および精製装置
JP2004319467A (ja) * 2003-03-31 2004-11-11 Toshiba Corp 燃料電池システム、燃料電池システムの燃料、及び燃料電池システムの密閉容器
JP2005011753A (ja) * 2003-06-20 2005-01-13 Yazaki Corp 燃料電池システムへの燃料ガス供給方法およびその装置
JP2006083742A (ja) * 2004-09-15 2006-03-30 Tama Tlo Kk 発電装置および燃料供給装置

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