JP2012113991A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システム1は、第1燃料経路L1における第1燃料ポンプ2と脱硫器3との間に電磁弁11(締切圧Pa0)を備え、脱硫器3と第2燃料ポンプ4との間に電磁弁12(締切圧Pb0)を備え、更に、第2燃料ポンプ4と改質器5との間に電磁弁16(締切圧Pc0)を備える。また、第2燃料経路L2における改質器5と燃料電池スタック7の間に電磁弁17(締切圧Pd0)を備える。また、オフガス排出経路L3における燃料電池スタック7の下流に電磁弁18(締切圧Pe0)を備える。電磁弁12,17,18の締切圧Pb0,Pd0,Pe0は、それぞれ、脱硫器3,改質器5,燃料電池スタック7の所定の許容圧力以下に設定される。また、電磁弁11,12,16〜18の締切圧は、Pa0≧Pb0≧Pc0≧Pd0≧Pe0の関係を満たすように設定される。
【選択図】図1
Description
この急激な圧力上昇によって、圧力容器内の圧力が、圧力容器の所定の許容圧力(例えば、圧力容器の耐圧、又は、法定基準圧力)を超過しないようにするためには、通常、圧力容器内の圧力を圧力容器外に逃がすための「圧抜き機構」を圧力容器に設けることで対処している。ここで、「圧抜き機構」の一例としては、圧力容器の所定の許容圧力以上で自動的に開弁するリリーフ弁(安全弁)を備える圧力容器用の圧抜きラインが考えられる。
本発明は、このような実状に鑑み、上述のような「圧抜き機構」を脱硫器等の圧力容器に設けずとも、圧力容器の圧抜きを行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
図1は、本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す。
本実施形態における燃料電池システムは、原燃料として気体の炭化水素系燃料(LPG、都市ガス等)を用いて発電を行うものである。
図1に示すように、燃料電池システム1は、第1燃料ポンプ2、脱硫器(DS)3、第2燃料ポンプ4、改質器(FPS)5、加湿タンク6、固体高分子形燃料電池(PEFC)スタック7、及び、燃料電池システム1の運転制御や各種演算を行う制御装置8を備える。
第1燃料ポンプ2は、外部からの炭化水素系燃料を高圧化して脱硫器3に供給するものであり、その作動が、制御装置8からの信号によって制御される。なお、外部の燃料供給源がLPGボンベ等の高圧ガス容器であって、脱硫器3に供給される炭化水素系燃料が十分に高圧である場合には、第1燃料ポンプ2を省略することが可能である。
電磁弁11は、例えば、弁座にその下流側から対向する弁体と、弁体を上流側圧力に抗して閉弁方向に付勢するスプリングと、弁体を電磁力により開弁方向に駆動可能なソレノイドと、を含んで構成される。また、電磁弁11は、その締切圧(閉止圧)Pa0が、後述する電磁弁12の締切圧Pb0以上に設定されている。
また、脱硫器3は、その圧力容器内の流体の圧力(すなわち、第1圧力容器内の炭化水素系燃料の圧力)を間接的又は直接的に測定する圧力センサ(図示せず)を備え、この圧力センサにて測定された圧力測定値PDSが、制御装置8に伝送される。なお、この圧力センサにより、脱硫器3内の流体の圧力を間接的に測定する場合には、この圧力センサが、例えば、第1燃料経路L1における電磁弁11と脱硫器3との間に設置される。
第1燃料経路L1における脱硫器3と第2燃料ポンプ4との間には、制御装置8からの信号に応じて開閉する電磁弁12と、燃料流量を調整する絞り(例えば、キャピラリチューブ13)と、燃料の脈動を抑制するバッファタンク(貯留装置)14と、が設置されている。
電磁弁12は、その締切圧(閉止圧)Pb0が、脱硫器3(第1圧力容器)の所定の許容圧力PDS3以下(例えば、脱硫器3の耐圧以下、又は、法定基準圧力以下)に設定されている。これにより、脱硫器3内の流体の圧力が電磁弁12の締切圧Pb0より高くなると、電磁弁12が仮に閉弁状態(締切状態)であっても、脱硫器3内の流体の圧力が電磁弁12の弁体に作用してこれを開弁方向に動作させるので、制御装置8からの信号の有無に関係なく電磁弁12が開弁される。ここで、電磁弁12は、本発明における「第1電磁弁」に対応する。
Pb0≦Pa0 ・・・(1)
キャピラリチューブ13は、極細管が螺旋状に巻回されたものである。このキャピラリチューブ13により、小流量でも脱硫器3内の高圧化を促進することができる。
電磁弁16は、例えば、弁座にその下流側から対向する弁体と、弁体を上流側圧力に抗して閉弁方向に付勢するスプリングと、弁体を電磁力により開弁方向に駆動可能なソレノイドと、を含んで構成される。
Pc0≦Pb0 ・・・(2)
改質器5は、第2燃料ポンプ4より炭化水素系燃料が供給される圧力容器(本発明における第2圧力容器)を備え、この圧力容器内(第2圧力容器内)に供給された炭化水素系燃料と水蒸気とを改質触媒で改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。
また、改質器5は、その圧力容器内の流体の圧力(すなわち、第2圧力容器内の炭化水素系燃料及び改質ガスの圧力)を間接的又は直接的に測定する圧力センサ(図示せず)を備え、この圧力センサにて測定された圧力測定値PFPSが、制御装置8に伝送される。なお、この圧力センサにより、改質器5内の流体の圧力を間接的に測定する場合には、この圧力センサが、例えば、第1燃料経路L1における電磁弁16と改質器5との間に設置される。
電磁弁17は、例えば、弁座にその下流側から対向する弁体と、弁体を上流側圧力に抗して閉弁方向に付勢するスプリングと、弁体を電磁力により開弁方向に駆動可能なソレノイドと、を含んで構成される。
Pd0≦Pc0 ・・・(3)
加湿タンク6は、燃料電池スタック7に供給される改質ガスを加湿するものである。
燃料電池スタック7は、直列に接続された複数の電池セルを備える。各電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された電解質とを有する。また、燃料電池スタック7は、加湿タンク6より改質ガスが供給される圧力容器(本発明における第3圧力容器)を備え、この圧力容器内に、各電池セルのアノードが配置されている。そして、各電池セルでは、各々のアノードに改質ガスが供給され、かつ、カソードに空気が供給されると、発電反応を起こして電力を発生させる。
電磁弁18は、例えば、弁座にその下流側から対向する弁体と、弁体を上流側圧力に抗して閉弁方向に付勢するスプリングと、弁体を電磁力により開弁方向に駆動可能なソレノイドと、を含んで構成される。
Pe0≦Pd0 ・・・(4)
従って、上記の式(1)〜(4)より、電磁弁18の締切圧Pe0、電磁弁17の締切圧Pd0、電磁弁16の締切圧Pc0、電磁弁12の締切圧Pb0、及び、電磁弁11の締切圧Pa0の関係は、次式で示される。
Pe0≦Pd0≦Pc0≦Pb0≦Pa0 ・・・(5)
燃料電池システム1の運転を停止させる場合に、制御装置8は、第1燃料ポンプ2、脱硫器3、第2燃料ポンプ4、改質器5、加湿タンク6、及び、燃料電池スタック7の作動を停止するように、各種信号を送信すると共に、電磁弁11,12,16〜18を閉弁するように、各電磁弁に対して信号を送信する。
図2は、本実施形態における脱硫器3内の圧力確認フローを示す。
制御装置8は、脱硫器3の圧抜きが正常に行われるか否かの確認を、燃料電池システム1の起動時又は運転停止時に行う。
ステップS2では、第1燃料ポンプ2を作動させて、脱硫器3内の炭化水素系燃料を昇圧させる。なお、このステップS2にて、脱硫器3内の炭化水素系燃料の昇圧を促進するために、脱硫器3のヒータ31により脱硫触媒を加熱して、脱硫器3内の炭化水素系燃料を加熱してもよい。
Pb0≦PDS2≦PDS3 ・・・(6)
なお、昇圧目標値PDS2は、制御装置8の記憶手段にて記憶されている。
PDS<PDS2の場合は、脱硫器3内の炭化水素系燃料の昇圧が不十分であると判定し、ステップS4に進み、第1燃料ポンプ2の作動を継続して、脱硫器3内の炭化水素系燃料を更に昇圧させる。
ステップS6では、所定の期間(T1秒間)待機する。この待機期間は、電磁弁12を用いる脱硫器3の圧抜きに必要とされる期間であり、予め設定されたものである。
Pb0≦PDS1≦PDS2 ・・・(7)
Pb0≦PDS1≦PDS2≦PDS3 ・・・(8)
なお、制御装置8の記憶手段は、降圧目標値PDS1も記憶している。
一方、PDS>PDS1の場合は、電磁弁12を用いた脱硫器3の圧抜きが正常に行われていないと判定し、ステップS9に進み、燃料経路における脱硫器3の下流側の電磁弁12,16〜18を開弁させて、脱硫器3の圧抜きを実施する。この後、ステップS10に進み、脱硫器3の圧抜きに異常がある旨を、燃料電池システム1に予め設けられた警報器等により外部に報知させて、脱硫器3内の圧力確認フローを終了させる。
図3は、図2に示す脱硫器3内の圧力確認フローの第1の変形例である。
ステップS2にて第1燃料ポンプ2を作動させた後、その作動を継続したまま、ステップS21にて所定の期間(T2秒間)待機する。この待機期間は、第1燃料ポンプ2の作動後、このポンプからの燃料供給量と、昇圧によって電磁弁12を通過する燃料流量と、が釣り合い、脱硫器3内の炭化水素系燃料の圧力が安定するまでの期間(例えば、ポンプ作動による燃料昇圧速度(燃料圧力上昇速度)がゼロになるまでの期間)に基づいて、予め設定されたものである。
なお、ステップS21では、上述の処理の代わりとして、待機期間を設定せずに、脱硫器3内の炭化水素系燃料の圧力を監視して、燃料昇圧速度がゼロになった段階でステップS7の判定に進むようにしてもよい。
図4は、図2に示す脱硫器3内の圧力確認フローの第2の変形例である。
まず、ステップS30では、全ての電磁弁11,12,16〜18を閉弁させる。
この後、ステップS31では、脱硫器3のヒータ31により脱硫触媒を加熱して、脱硫器3内の炭化水素系燃料を加熱・昇圧させる。
ステップS32では、脱硫器3内の炭化水素系燃料の圧力測定値PDSと、昇圧目標値PDS2との比較を行う。
一方、PDS≧PDS2の場合は、脱硫器3内の炭化水素系燃料が十分に昇圧されたと判定し、ステップS34に進み、脱硫器3のヒータ31による加熱を停止させる。
この後、ステップS7以降は、図2に示す圧力確認フローと同様である。
以上のように、図2〜図4に示したステップS1〜S10、S21、及び、S30〜35により、本発明における第1の圧抜き確認手段の機能が実現される。
図5は、本実施形態における改質器5内の圧力確認フローを示す。
制御装置8は、改質器5の圧抜きが正常に行われるか否かの確認を、燃料電池システム1の起動時又は運転停止時に行う。
ステップS42では、第2燃料ポンプ4を作動させて、改質器5内の流体を昇圧させる。なお、このステップS42にて、第2燃料ポンプ4の作動に加えて、第1燃料ポンプ2を作動させて、改質器5内の流体の昇圧を促進させてもよい。
Pd0≦PFPS2≦PFPS3 ・・・(9)
なお、昇圧目標値PFPS2は、制御装置8の記憶手段にて記憶されている。
PFPS<PFPS2の場合は、改質器5内の流体の昇圧が不十分であると判定し、ステップS44に進み、第2燃料ポンプ4の作動を継続して、改質器5内の流体を更に昇圧させる。
ステップS46では、所定の期間(T4秒間)待機する。この待機期間は、電磁弁17を用いる改質器5の圧抜きに必要とされる期間であり、予め設定されたものである。
Pd0≦PFPS1≦PFPS2 ・・・(10)
Pd0≦PFPS1≦PFPS2≦PFPS3 ・・・(11)
なお、制御装置8の記憶手段は、降圧目標値PFPS1も記憶している。
一方、PFPS>PFPS1の場合は、電磁弁17を用いた改質器5の圧抜きが正常に行われていないと判定し、ステップS49に進み、燃料経路における改質器5の下流側の電磁弁17,18を開弁させて、改質器5の圧抜きを実施する。この後、ステップS50に進み、改質器5の圧抜きに異常がある旨を、上記の警報器等により外部に報知させて、改質器5内の圧力確認フローを終了させる。
ここにおいて、図5に示したステップS41〜S50により、本発明における第2の圧抜き確認手段の機能が実現される。
図6は、本実施形態における燃料電池スタック7内の圧力確認フローを示す。
制御装置8は、燃料電池スタック7の圧抜きが正常に行われるか否かの確認を、燃料電池システム1の起動時又は運転停止時に行う。
ステップS62では、第2燃料ポンプ4を作動させて、燃料電池スタック7内の流体を昇圧させる。なお、このステップS62にて、第2燃料ポンプ4の作動に加えて、第1燃料ポンプ2を作動させて、燃料電池スタック7内の流体の昇圧を促進させてもよい。
Pe0≦PFC2≦PFC3 ・・・(12)
なお、昇圧目標値PFC2は、制御装置8の記憶手段にて記憶されている。
PFC<PFC2の場合は、燃料電池スタック7内の流体の昇圧が不十分であると判定し、ステップS64に進み、第2燃料ポンプ4の作動を継続して、燃料電池スタック7内の流体を更に昇圧させる。
ステップS66では、所定の期間(T5秒間)待機する。この待機期間は、電磁弁18を用いる燃料電池スタック7の圧抜きに必要とされる期間であり、予め設定されたものである。
Pe0≦PFC1≦PFC2 ・・・(13)
Pe0≦PFC1≦PFC2≦PFC3 ・・・(14)
なお、制御装置8の記憶手段は、降圧目標値PFC1も記憶している。
一方、PFC>PFC1の場合は、電磁弁18を用いた燃料電池スタック7の圧抜きが正常に行われていないと判定し、ステップS69に進み、オフガス排出経路L3における燃料電池スタック7の下流側の電磁弁18を開弁させて、燃料電池スタック7の圧抜きを実施する。この後、ステップS70に進み、燃料電池スタック7の圧抜きに異常がある旨を、上記の警報器等により外部に報知させて、燃料電池スタック7内の圧力確認フローを終了させる。
ここにおいて、図6に示したステップS61〜S70により、本発明における第3の圧抜き確認手段の機能が実現される。
図7は、従来型の燃料電池システムの一例の概略構成を示す。
図1にて示した本実施形態における燃料電池システムと異なる点について説明する。
従来型の燃料電池システム21では、第1燃料経路L1における脱硫器3とキャピラリチューブ13との間に電磁弁22を備えている。この電磁弁22は、本実施形態における電磁弁12に対応するものであるが、電磁弁22の締切圧は、脱硫器3の所定の許容圧力PDS3よりも高い。
また、本実施形態ではオフガス排出経路L3に逆流抑制用の電磁弁18が設置されているが、燃料電池システム21ではオフガス排出経路L3に逆流抑制用の電磁弁が設置されていない。
しかしながら、燃料電池システム21では、例えば、改質器5内の流体の圧力が上昇して改質器5の所定の許容圧力PFPS3に近づき、この結果、リリーフ弁25が作動した場合に、リリーフ弁25がゴミ等の異物を挟み込む可能性がある。このため、改質器5の圧抜き後に、改質器5内の流体の圧力が改質器5の所定の許容圧力PFPS3より低くなっても、リリーフ弁25が完全に閉弁されず、この結果、改質器5内からの改質ガス等が改質器圧抜きラインL11を介して燃料電池システム21外に洩れる可能性がある。
従って、本実施形態における燃料電池システム1は、従来型の燃料電池システム21に比べて、改質ガス等の洩れを抑制することができるので、システムのエネルギー効率を向上させることができる。
2 第1燃料ポンプ
3 脱硫器(DS)
4 第2燃料ポンプ
5 改質器(FPS)
6 加湿タンク
7 燃料電池スタック
8 制御装置
11 電磁弁
12 電磁弁(第1電磁弁)
13 キャピラリチューブ
14,15 バッファタンク
16 電磁弁
17 電磁弁(第2電磁弁)
18 電磁弁(第3電磁弁)
21 燃料電池システム
22,23 電磁弁
24,25 リリーフ弁
31 ヒータ
51 バーナ
L1 第1燃料経路
L2 第2燃料経路
L3 オフガス排出経路
L10 脱硫器圧抜きライン
L11 改質器圧抜きライン
Claims (7)
- 外部より供給される炭化水素系燃料から硫黄分を除去する脱硫器を構成する第1圧力容器と、
前記脱硫器にて脱硫処理された炭化水素系燃料を用いて水素を含有する改質燃料を生成する改質器を構成する第2圧力容器と、
前記改質器にて生成された改質燃料を用いて発電を行い未反応燃料を排出する燃料電池スタックを構成する第3圧力容器と、
前記第1圧力容器と前記第2圧力容器との間の燃料経路に備えられて、締切圧が前記第1圧力容器の所定の許容圧力以下に設定される第1電磁弁と、
前記第2圧力容器と前記第3圧力容器との間の燃料経路に備えられて、締切圧が前記第2圧力容器の所定の許容圧力以下に設定される第2電磁弁と、
を含んで構成され、
前記第2電磁弁は、その締切圧が、前記第1電磁弁の締切圧以下に設定されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第3圧力容器の出口側に備えられて、締切圧が前記第3圧力容器の所定の許容圧力以下に設定される第3電磁弁を更に含んで構成され、
前記第3電磁弁は、その締切圧が、前記第2電磁弁の締切圧以下に設定されることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記第3圧力容器内の流体の圧力が、前記第3電磁弁により、当該圧力容器の所定の許容圧力以下に抑制されることを確認する第3の圧抜き確認手段を備えることを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記第1圧力容器内の流体の圧力が、前記第1電磁弁により、当該圧力容器の所定の許容圧力以下に抑制されることを確認する第1の圧抜き確認手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 外部より供給される炭化水素系燃料から硫黄分を除去する脱硫器を構成する第1圧力容器と、
前記脱硫器にて脱硫処理された炭化水素系燃料を用いて水素を含有する改質燃料を生成する改質器を構成する第2圧力容器と、
前記改質器にて生成された改質燃料を用いて発電を行い未反応燃料を排出する燃料電池スタックを構成する第3圧力容器と、
前記第2圧力容器と前記第3圧力容器との間の燃料経路に備えられて、締切圧が前記第2圧力容器の所定の許容圧力以下に設定される第2電磁弁と、
前記第3圧力容器の出口側に備えられて、締切圧が前記第3圧力容器の所定の許容圧力以下に設定される第3電磁弁と、
を含んで構成され、
前記第3電磁弁は、その締切圧が、前記第2電磁弁の締切圧以下に設定されることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第3圧力容器内の流体の圧力が、前記第3電磁弁により、当該圧力容器の所定の許容圧力以下に抑制されることを確認する第3の圧抜き確認手段を備えることを特徴とする請求項5記載の燃料電池システム。
- 前記第2圧力容器内の流体の圧力が、前記第2電磁弁により、当該圧力容器の所定の許容圧力以下に抑制されることを確認する第2の圧抜き確認手段を備えることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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