JP2011146170A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化及び効率向上が可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、改質器と、改質器に一体に設けられたＣＯ変成器１２と、改質器１１に一体に設けられると共にＣＯ変成器１２に対し同軸で且つ軸方向に沿って並置されたＣＯ除去器１３と、を備えている。また、燃料電池システム１は、軸方向におけるＣＯ変成器１２とＣＯ除去器１３との間を覆うように設けられ、ＣＯ変成器１２からＣＯ除去器１３に改質ガスを導入するための導入流路５２を画設する胴体部５１を有している。よって、ＣＯ変成器１２を改質器と一体化できるだけでなく、ＣＯ除去器１３をも改質器と一体化でき、加えて、胴体部５１による導入流路５２でもってＣＯ変成器１２からＣＯ除去器１３に改質ガスを導入でき、かかる導入のための接続配管等が不要となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとしては、灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成した改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるＣＯ変成器と、ＣＯ変成器で低下させた改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させるＣＯ除去器と、を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１８７８４８号公報

ここで、近年、一般家庭への燃料電池システムの普及が益々進んでおり、そのため、上述したような燃料電池システムにおいては、さらなる小型化及び効率向上が強く望まれている。

そこで、本発明は、小型化及び効率向上が可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、筒状を呈しその筒内に改質器が位置するように改質器に一体に設けられ、改質器で生成した改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるＣＯ変成器と、筒状を呈しその筒内に改質器が位置するように改質器に一体に設けられると共に、ＣＯ変成器に対し同軸で且つ軸方向に沿って並置され、ＣＯ変成器で低下させた改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させるＣＯ除去器と、を備え、軸方向におけるＣＯ変成器とＣＯ除去器との間を覆うように設けられ、ＣＯ変成器からＣＯ除去器に改質ガスを導入するための導入流路を画設する胴体部を有することを特徴とする。

この燃料電池システムでは、ＣＯ変成器を筒状に構成して該ＣＯ変成器を改質器と一体化させているだけでなく、ＣＯ除去器をも筒状に構成して該ＣＯ除去器を改質器と一体化させている。加えて、胴体部による導入流路でもってＣＯ変成器からＣＯ除去器に改質ガスを導入させることができるため、かかる導入のための接続配管等が不要となる。従って、燃料電池システムの小型化が可能となる。さらに、このように接続配管等が不要になると、該接続配管等からの放熱を防止することができ、効率向上が可能となる。

また、胴体部は、ＣＯ変成器からの改質ガスを導入流路内に流入させる改質ガス流入口と、空気を導入流路内に流入させる空気流入口と、を含み、改質ガス流入口と空気流入口とは、互いに対向するように設けられていることが好ましい。この場合、胴体部において空気と改質ガスとの混合長（つまり、空気が改質ガスに流入されてから、これらがＣＯ除去器に導入されるまでの距離）を増加させることができ、空気と改質ガスとの混合度を高めることが可能となる。その結果、ＣＯ除去器によって改質ガス中の一酸化炭素濃度を好適に低下させることができる。

また、胴体部には、空気が流入された改質ガスに圧力損失を付与する絞り部が設けられていることが好ましい。この場合、絞り部で付与された圧力損失によって、空気と改質ガスとの混合度を一層高めることが可能となる。

また、導入流路は、複数の区画を有することが好ましい。この場合、空気が流入された改質ガスは、複数の区画を通過することによって抵抗が付与されることとなり、その結果、空気と改質ガスとの混合度を一層高めることが可能となる。

また、ＣＯ除去器は、筒状の触媒部と、触媒部の径方向外側に設けられ改質ガスを流通させる流路と、を含み、ＣＯ除去器の径方向外側を覆うように設けられ、ＣＯ除去器を冷却する冷却ジャケットをさらに備えたことが好ましい。この場合、触媒部と冷却ジャケットとが流路を介して隣り合う（触媒部と冷却ジャケットとが直接隣り合わない）ことから、冷却ジャケットで触媒部が冷却され過ぎて該触媒部の寿命が低下するということを抑制できる。

本発明によれば、燃料電池システムの小型化及び効率向上が可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳの一部を断面化した概略正面図である。 図２のＦＰＳのプロセスフローを示す図である。 図２のＦＰＳの一部を拡大した概略正面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、「上」「下」の語は、鉛直方向の上下方向に対応するものである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、ＦＰＳ（燃料処理システム）３及び燃料電池４を備え、これらが筐体５に収容されている。この燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、原燃料として、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。

脱硫器２は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施して硫黄分を除去し、この硫黄分を除去した原燃料をＦＰＳ３へ供給する。ＦＰＳ３は、原燃料及び改質水から改質ガスを生成し、この生成した改質ガスを燃料電池４へ供給する。また、ＦＰＳ３は、燃料電池４で使用されなかったオフガス(燃料電池４では水素のみが消費されるために反応に使用されない残ガス)を利用し、改質ガスを生成する。

燃料電池４は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。燃料電池４の各電池セルでは、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。燃料電池４で発生した電力は、コンバータ６及びインバータ７を介して、家庭に供給される。コンバータ６は、直流の電力を変圧し、インバータ７は、変圧された電力を直流から交流に変換する。

図２は、図１の燃料電池システムにおけるＦＰＳの一部を断面化した概略正面図である。図２に示すように、ＦＰＳ３は、改質器１１、ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３を備え、これらが一体で構成されている。

改質器１１は、中心軸を軸Ｇとする円柱状の外形を呈しており、原燃料を水蒸気改質させる改質触媒１４と、改質触媒１４を加熱するための熱源としてのバーナ１５と、を有している。この改質器１１は、水素を含有する改質ガスを生成し、生成した改質ガスをＣＯ変成器１２へ供給する。

バーナ１５は、改質器１１の上端部に配設されている。このバーナ１５の下部には、該バーナ１５で生成される火炎を取り囲むように、軸Ｇを中心軸とする筒状の燃焼筒１６が設けられている。改質触媒１４は、軸Ｇを中心軸とする筒状を呈し、改質器１１の軸方向中央部において燃焼筒１６の径方向外側に配設されている。

バーナ１５、燃焼筒１６及び改質触媒１４の径方向外側には、これらを覆うように断熱材１７が設けられている。また、改質器１１の改質触媒１４の下方には、改質触媒１４から導入された改質ガスと改質水との間で熱交換を行うものとして、円筒状の熱交換器１８が配設されている。断熱材１７の下方には、バーナ１５による排気ガス（以下、単に「排気ガス」という）と改質水との間で熱交換を行うものとして、円筒状の熱交換器１９が配設されている。

この改質器１１は、断熱材１７及び熱交換器１９の径方向外側にて上下に延びる流路Ｌを有している。流路Ｌは、熱交換器１９から導出された排気ガスを流通させる。流路Ｌを流通した後、排気ガスは、該排気ガスと改質水との間で熱交換を行う熱交換器２１へ導入される。

ＣＯ変成器１２は、中心軸を軸Ｇとする筒状を呈し、その筒内に改質器１１が位置するように該改質器１１に一体に設けられている。ＣＯ変成器１２は、改質器１１の外周の軸方向中央部から下端部近傍に亘る部分を囲繞するように配設されている。このＣＯ変成器１２は、改質器１１から供給された改質ガスの一酸化炭素濃度（ＣＯ濃度）を低下させるため、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素シフト反応させて、水素及び二酸化炭素に転換する。そして、ＣＯ変成器１２は、一酸化炭素濃度を低下させた改質ガスを、導入流路５２を介してＣＯ除去器１３へ供給する（詳しくは、後述）。

このＣＯ変成器１２の下部には、ＣＯ変成器１２に改質ガスを導入するための空間として、配管２２を介して熱交換器１９と接続された改質ガス導入部２３が設けられている。この改質ガス導入部２３は、熱交換器１９の改質水の流路の一部と熱的に接しており、これにより、熱交換器１９では、改質ガスと改質水との間の熱交換が可能となっている。

ＣＯ除去器１３は、中心軸を軸Ｇとする筒状を呈し、その筒内に改質器１１が位置するように該改質器１１に一体に設けられている。ＣＯ除去器１３は、ＣＯ変成器１２に対し軸Ｇ方向に沿って並ぶように配置（並置）されている、すなわち、改質器１１の外周の軸方向中央部から上端部近傍に亘る部分を囲繞するように配設されている。

このＣＯ除去器１３は、改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素とパイプＰから導入される空気とを反応させ選択的に酸化して二酸化炭素に転換する。そして、ＣＯ除去器１３は、一酸化炭素濃度をさらに低下させた改質ガスを、改質ガスと改質水との間で熱交換を行う熱交換器２８へパイプＰ１（図４参照）を介して供給する。

また、ＦＰＳ３は、ＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３を冷却する冷却手段として、ＣＯ変成器１２の外周及びＣＯ除去器１３の外周を囲繞するように設けられた（装着された）円筒状の冷却ジャケット２４ａ，２４ｂを備えている。冷却ジャケット２４ｂは、熱交換器２１から導入された改質水をその内部にて流通させた後、この改質水を冷却ジャケット２４ａへと導出する。冷却ジャケット２４ａは、導入された改質水をその内部にて流通させた後、この改質水を熱交換器１９へと導出する。

図３は、図２のＦＰＳのプロセスフローを示す図である。図２，３に示すように、ＦＰＳ３においては、空気と原燃料又はオフガスとがバーナ１５に供給されて燃焼され、かかる燃焼によって改質触媒１４が加熱される。このバーナ１５の排気ガスＲ１は、熱交換器１９へ導入されて冷却される。熱交換器１９から導出された排気ガスＲ１は、流路Ｌを流通することでＣＯ変成器１２及びＣＯ除去器１３を加熱して昇温する。そして、排気ガスＲ１は、熱交換器２１へ導入されて冷却された後、ＦＰＳ３の外部へと排出される。

これと共に、熱交換器２８で改質水Ｒ２が改質ガスＲ３により加熱され、この改質水Ｒ２が熱交換器２１に導入されて排気ガスＲ１によりさらに加熱される。熱交換器２１から導出された改質水Ｒ２は、冷却ジャケット２４ｂ，２４ａをこの順に流通し、ＣＯ除去器１３及びＣＯ変成器１２により加熱される（ＣＯ除去器１３及びＣＯ変成器１２を冷却する）。そして、熱交換器１９に導入されて排気ガスＲ１により加熱される。

このとき、上述したように、熱交換器１９では、改質水Ｒ２の流路の一部が改質ガス導入部２３に接していることから、改質水Ｒ２が改質ガスＲ３によっても加熱される（改質ガスＲ３が改質水Ｒ２で冷却される）。その後、改質水Ｒ２は、熱交換器１８に導入されて改質ガスＲ３により加熱され、最終的に気化され水蒸気となった状態で原燃料に混入される。

以上に併せ、原燃料が改質器１１に導入されると共に、水蒸気となった改質水Ｒ２がこの原燃料に熱交換器１８から混入される。そして、水蒸気を含む原燃料は、バーナ１５で加熱された改質触媒１４により水蒸気改質され、改質ガスＲ３として熱交換器１８に導入される。

熱交換器１８に導入された改質ガスＲ３は、改質水Ｒ２により冷却され、その後、配管２２及び改質ガス導入部２３を介してＣＯ変成器１２に導入される。このとき、改質ガス導入部２３では、熱交換器１９にて流通する改質水Ｒ２によっても改質ガスＲ３が冷却される。そして、改質ガスＲ３は、ＣＯ変成器１２によってその一酸化炭素濃度が例えば数１０％程度まで低下され、ＣＯ除去器１３によってパイプＰから導入された空気と反応してその一酸化炭素濃度が１０ｐｐｍ以下まで低下される。そして、改質ガスＲ３は、パイプＰ１（図４参照）を介して熱交換器２８に導入されて改質水Ｒ２により冷却された後、後段の燃料電池４へ供給される。

ここで、本実施形態にあっては、軸Ｇ方向におけるＣＯ変成器１２とＣＯ除去器１３との間（繋ぎ部）を覆うように設けられた胴体部５１を有している。

図４は、図２のＦＰＳの一部を拡大した概略正面図である。なお、図中では、ＦＰＳ３の上端外周部が拡大されて示されている。図４に示すように、胴体部５１は、中心軸を軸Ｇとする筒状を呈し、その外周面が冷却ジャケット２４ａ，２４ｂの外周面と一致するように設けられている。つまり、胴体部５１は、軸Ｇ方向における冷却ジャケット２４ａ，２４ｂの間を塞ぐよう設けられた外壁５１ｘを有している。

この胴体部５１は、ＣＯ変成器１２からＣＯ除去器１３に改質ガスを導入するための空間である導入流路５２を画設する。胴体部５１は、ＣＯ変成器１２からの改質ガスを導入流路５２内に流入させる改質ガス流入口（改質ガス噴出口）５３と、パイプＰを介して空気を導入流路５２内に流入させる空気流入口（空気投入口）５４と、を含んでいる。改質ガス流入口５３と空気流入口５４とは、互いに近接する位置に設けられており、具体的には、互いに対向するように設けられている。

また、胴体部５１には、空気が流入された改質ガスに圧力損失を付与する絞り部５５ａ，５５ｂが設けられている。絞り部５５ａは、導入流路５２内の上流側に設けられ，５５ｂは、導入流路５２内の下流側に設けられている。これら絞り部５５ａ，５５ｂは、径方向外側に環状に突出するよう設けられている。これにより、導入流路５２は、その流路における上流側の一部及び下流側の一部で流路面積が狭くなっている。

このような胴体部５１の導入流路５２は、複数の区画Ａ１〜Ａ３を、上流側から下流側に向かってこの順に有している。区画Ａ１は、絞り部５５ａによって隔たれ構成され、区画Ａ２は、絞り部５５ａ，５５ｂによって隔たれ構成され、区画Ａ３は、絞り部５５ｂによって隔たれ構成されている。また、区画Ａ１には、上記改質ガス流入口５３及び上記空気流入口５４が形成されている。区画Ａ３には、空気が流入された改質ガス（以下、「空気混合改質ガス」ともいう）をＣＯ除去器１３に供給するための混合ガス供給口５８が形成されている。

また、本実施形態のＣＯ除去器１３にあっては、筒状の触媒部６１と、触媒部６１の径方向外側に設けられた流路６３と、を含んで構成されている。流路６３は、混合ガス供給口５８から供給された空気混合改質ガスを、上下方向に流通させた後に触媒部６１へ導入させる。

以上、本実施形態によれば、ＣＯ変成器１２を改質器１１と一体化することができるだけでなく、ＣＯ除去器１３をも改質器１１と一体化することができる。加えて、胴体部５１による導入流路５２でもってＣＯ変成器１２からＣＯ除去器１３に改質ガスを導入させることができ、かかる導入のための接続配管が不要となる。従って、ＦＰＳ３の小型化、ひいては、燃料電池システム１の小型化が可能となる。

さらに、このように接続配管が不要になると、該接続配管からの放熱を防止することができ、効率向上が可能となる。さらに、例えばＦＰＳ３を覆うよう断熱材を設置するに際して、接続配管が邪魔になって作業効率が低下するのも抑制できる。

また、本実施形態では、上述したように、改質ガス流入口５３と空気流入口５４とが互いに対向するように設けられているため、胴体部５１において空気混合改質ガスの混合長を増加させることができ、その混合度を高める（空気と改質ガスとを充分に混合させる）ことが可能となる。その結果、ＣＯ除去器１３によって改質ガス中の一酸化炭素濃度を好適に低下させることができる。

また、本実施形態では、上述したように、胴体部５１内に絞り部５５ａ，５５ｂが設けられているため、空気混合改質ガスに圧力損失を付与することができる。その結果、この圧力損失によって空気と改質ガスとの混合度を一層高めることが可能となる。

また、本実施形態においては、上述したように、導入流路５２が区画Ａ１〜Ａ３を有していることから、空気混合改質ガスは、区画Ａ１〜Ａ３を通過することによって抵抗が付与される。その結果、空気と改質ガスとの混合度をより一層高めることが可能となる。すなわち、本実施形態では、空気混合改質ガスの混合度を高めるための混合部屋として、区画Ａ１〜Ａ３が導入流路５２に設けられることとなる。

また、本実施形態では、冷却ジャケット２４ｂがＣＯ除去器１３の径方向外側を覆うように設けられていることから、ＣＯ除去器１３の触媒部６１と冷却ジャケット２４ｂとが流路６３を介して隣り合う（触媒部６１と冷却ジャケット２４ｂとが直接隣り合わない）ことになる。よって、冷却ジャケット２４ｂは空気混合改質ガスを介して触媒部６１を冷却することができ、触媒部６１が冷却され過ぎて寿命低下してしまうのを抑制することが可能となる。

なお、このように流路６３と触媒部６１とが隣接していると、流路６３を流通する空気混合改質ガスが触媒部６１の熱を自己熱回収しながら該触媒部６１へ導入されるため、ＣＯ除去器１３の熱を好適に利用することができ、燃料電池システム１の一層の効率向上が可能となるといえる。

ちなみに、本実施形態においては、冷却ジャケット２４ｂの流量を制御する等によって空気混合改質ガスの冷却量を調整することができ、ＣＯ除去器１３に導入される空気混合改質ガスの温度を例えば一様温度に制御することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、ＣＯ変成器１２、ＣＯ除去器１３、冷却ジャケット２４ａ，２４ｂ及び胴体部５１が同軸で配置され、冷却ジャケット２４ａ，２４ｂ及び胴体部５１が等しい外径とされている、つまり、ＦＰＳ３の外形が略円筒形状となっている。そのため、例えばＦＰＳ３を覆うよう断熱材を設置する場合、かかる設置を容易化することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、実施形態に係る上記燃料電池システム１に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、改質器１１は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであってもよく、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであってもよい。

また、燃料電池４は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であってもよい。

また、ＦＰＳの配置構成については、上記ＦＰＳ３を上下反転したような配置構成としてもよい。つまり、ＦＰＳとして、例えばバーナ１５が下部に設置されて構成されたＦＰＳを採用してもよく、かかる配置構成は限定されるものではない。

ちなみに、上記の「筒状」とは、略円筒状だけでなく、略多角筒状を含むものである。また、略円筒状及び略多角筒状とは、円筒状及び多角筒状に概略等しいものや円筒状及び多角筒状の部分を含むもの等の広義の円筒状及び多角筒状を意味している。

１…燃料電池システム、１１…改質器、１２…ＣＯ変成器、１３…ＣＯ除去器、２４ｂ…冷却ジャケット、５１…胴体部、５２…導入流路、５３…改質ガス流入口、５４…空気流入口、５５ａ，５５ｂ…絞り部、６１…触媒部、６３…流路、Ａ１〜Ａ３…区画、Ｒ３…改質ガス。

Claims (5)

1. 原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
   筒状を呈しその筒内に前記改質器が位置するように前記改質器に一体に設けられ、前記改質器で生成した前記改質ガスの一酸化炭素濃度を低下させるＣＯ変成器と、
   筒状を呈しその筒内に前記改質器が位置するように前記改質器に一体に設けられると共に、前記ＣＯ変成器に対し同軸で且つ軸方向に沿って並置され、前記ＣＯ変成器で低下させた前記改質ガスの一酸化炭素濃度をさらに低下させるＣＯ除去器と、を備え、
   前記軸方向における前記ＣＯ変成器と前記ＣＯ除去器との間を覆うように設けられ、前記ＣＯ変成器から前記ＣＯ除去器へ前記改質ガスを導入するための導入流路を画設する胴体部を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記胴体部は、前記ＣＯ変成器からの前記改質ガスを前記導入流路内に流入させる改質ガス流入口と、空気を前記導入流路内に流入させる空気流入口と、を含み、
   前記改質ガス流入口と前記空気流入口とは、互いに対向するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記胴体部には、空気が流入された前記改質ガスに圧力損失を付与する絞り部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記導入流路は、複数の区画を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
5. 前記ＣＯ除去器は、筒状の触媒部と、前記触媒部の径方向外側に設けられ前記改質ガスを流通させる流路と、を含み、
   前記ＣＯ除去器の径方向外側を覆うように設けられ、前記ＣＯ除去器を冷却する冷却ジャケットをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池システム。
   

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