JP4991275B2

JP4991275B2 - 改質装置

Info

Publication number: JP4991275B2
Application number: JP2006345188A
Authority: JP
Inventors: 秀則中林; 晋平白石
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: JP2007191386A

Description

本発明は、水又は水蒸気を供給する水供給管と、原燃料ガスを供給する原燃料供給管とを改質器に接続してなる改質装置に関する。

従来の固体酸化物形の燃料電池システムは、図１１に示すように、複数の燃料電池セルからなる燃料電池１、天然ガスなどの炭化水素系原燃料ガスを燃料電池１に供給する燃料供給装置２、および酸化剤の空気を燃料電池１に供給するための空気供給装置３、燃料電池１に供給する水素等の燃料ガスを得るため原燃料ガスを加湿し改質する改質器４、該改質器４に純水を供給する水処理装置５を具備している。水処理装置５には、純水化用の水を供給する純水化用給水管１５が接続され、前記水処理装置５には水処理後の濃縮水を排出する排水管１６が接続されている。

図１２は、このような燃料電池システムの具体的な構成図を示すもので、収納容器３１内に改質器４が収納されており、また、この改質器４の下方には、複数の燃料電池セルからなる燃料電池が配置されている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池システムでは、収納容器３１内に改質器４が収納されており、この改質器４の下方には、複数の燃料電池セルからなる燃料電池が配置されており、これらの燃料電池セルからの未反応ガスの燃焼ガスにより改質器４を加熱するように構成されている。

改質器４は、原燃料加湿部を有しており、この原燃料加湿部には、収納容器３１の外側から、原燃料ガスを供給するため原燃料供給管３５、純水を供給するための水供給管３７が接続され、さらには、収納容器３１には燃料電池セルに空気を供給するための空気供給管３９も接続されている。

原燃料供給管３５は、改質器４に接続される水平部（横方向延設部）３５ａと、この水平部３５ａに接続され、下方に延設される垂直部（縦方向延設部）３５ｂとを具備して構成されている。

以上のような燃料電池システムでは、原燃料供給管３５により、天然ガスなどの炭化水素系原燃料ガスを改質器４に供給するとともに、水供給管３７により純水を改質器４の原燃料加湿部に供給し、この原燃料加湿部にて水蒸気となった純水により原燃料ガスが加湿され、改質される。この改質された燃料ガス、及び空気供給管３９からの空気が、燃料電池セルに供給され、この燃料電池セルにて発電し、また、余剰の燃料ガス、空気は反応して燃焼し、この燃焼ガスにより改質器４が加熱される。
特開２００５−２８５３４０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池による発電を停止する際などにおいて、原燃料加湿部等の水蒸気が原燃料供給管３５から逆流し、収納容器３１外部にて冷却され、原燃料供給管３５内で結露し、この時の水が燃料供給装置２まで達する虞があり、燃料供給装置２の流量を制御する流量センサーを破損させる虞があった。

即ち、需要家の負荷の状況等で発電を停止する場合など、燃料電池１に負担をかけないように停止させるために、例えば、燃料ガスを最小限の所定流量に、また改質用の純水も最小限の所定流量にして、燃料電池温度が安全な所定温度まで下がるまで供給を維持させる。安全に停止できる温度まで下がった後、例えば、原燃料供給管３５に窒素（空気）を所定量流し、収納容器３１内を窒素（空気）でパージし、停止する。

このとき、原燃料ガスの加湿部内の残留水や水蒸気が原燃料供給管３５を逆流し、水蒸気は冷やされて原燃料供給管３５内で結露し、この水が燃料供給装置２まで達する虞があり、燃料供給装置２の流量を制御する流量センサーを破損させる虞があった。

本発明は、原燃料供給管からの水や水蒸気の逆流を防止できる改質装置を提供することを目的とする。

本発明の改質装置は、水又は水蒸気を供給する水供給管と、原燃料ガスを供給する原燃料供給管とを改質器に接続してなる改質装置であって、前記原燃料供給管は、前記改質器の下方から延設されており、前記改質器に接続される横方向延設部と、該横方向延設部に
接続され、前記水や水蒸気の前記改質器からの逆流を阻止する逆流阻止部であるＵ字状部と、該Ｕ字状部に接続される縦方向延設部とを具備するとともに、前記Ｕ字状部の最下部には、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられていることを特徴とする。

需要家の負荷の状況等で発電を停止する場合など、例えば、燃料電池に負担をかけないように停止させるために、原燃料ガスを最小限の所定流量に、また改質用の純水も最小限の所定流量にして、燃料電池温度が安全な所定温度まで下がるまで供給を維持させる。安全に停止できる温度まで下がった後、原燃料供給配管に窒素（空気）を所定量流し停止する。このとき、原燃料加湿部内の残留水や水蒸気が原燃料供給管に逆流し、水蒸気は冷やされて配管内に結露するが、本発明では、原燃料供給管は、改質器の下方から延設されており、原燃料供給管が改質器に接続される横方向延設部と、該横方向延設部に接続され、水や水蒸気の前記改質器からの逆流を阻止する逆流阻止部であるＵ字状部と、該Ｕ字状部に接続される縦方向延設部とを具備するため、結露水はＵ字状に屈曲した部分に溜まり燃料供給装置にまで達することがない。さらに、Ｕ字状部に溜まった結露水により、原燃料供給管が閉塞され、水蒸気も、それより先の燃料供給装置までは達することがない。さらに、Ｕ字状部の最下部には、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられていることで、燃料電池停止時に原燃料加湿部より流出した水や結露水をＵ字状部の屈曲した配管底部に溜め、例えば電磁弁を開くことで系外に排出し、燃料電池の運転停止時に原燃料供給管内の湿度を装置の外気状態と同じ状態のまま保つことができるので、センサー類を保護し、信頼性が向上する。

本発明の改質装置は、水又は水蒸気を供給する水供給管と、原燃料ガスを供給する原燃
料供給管とを改質器に接続してなる改質装置であって、前記原燃料供給管に、前記水や水蒸気の前記改質器からの逆流を阻止する逆流阻止部である逆止弁を備え、該逆止弁と前記改質器との間の前記原燃料供給管における最下部には、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられていることを特徴とする。このような改質装置では、逆止弁により水蒸気の逆流を容易に阻止でき、それより先の燃料供給装置までは達することがない。さらに、逆止弁と改質器との間の原燃料供給管における最下部には、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられていることで、燃料電池停止時に原燃料加湿部より流出した水や結露水を逆止弁と改質器との間の原燃料供給管における最下部に溜め、例えば電磁弁を開くことで系外に排出し、燃料電池の運転停止時に原燃料供給管内の湿度を装置の外気状態と同じ状態のまま保つことができるので、センサー類を保護し、信頼性が向上する。

さらに、本発明の改質装置は、前記原燃料供給管は、前記改質器よりも上方に延設された上方延設部を有しており、該上方延設部に前記逆止弁が設けられていることを特徴とする。このような改質装置では、原燃料供給管の上方延設部に逆止弁が設けられているため、逆止弁まで逆流してきた水蒸気は結露し、改質器へ戻すことができる。

また、本発明の改質装置は、前記改質器は収納容器に収納されており、前記原燃料供給管に設けられた前記逆流阻止部であるＵ字状部又は逆止弁が前記収納容器外に存在することを特徴とする。収納容器外では、原燃料供給管が冷却されやすいことに起因して原燃料供給管内で結露しやすくなるため、収納容器外に逆流阻止部であるＵ字状部又は逆止弁を形成することにより、より有効に結露水や水蒸気が燃料供給配管を逆流することを防止できる。

さらに、本発明の改質装置は、前記改質器は収納容器に収納されており、該収納容器に収納された複数の燃料電池セルにより加熱されることを特徴とする。

本発明の改質装置は、原燃料供給管に逆流阻止部であるＵ字状部又は逆止弁を設け、Ｕ字状部の最下部又は逆止弁と改質器との間の原燃料供給管における最下部に、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられているので、燃料電池の運転停止後に残留水や水蒸気の逆流を防止でき、信頼性の高い燃料電池システムを供給できる。

図面に基づき詳細に説明する。図１は燃料電池システムのブロック図を示し、図２は、図１の具体的構成を示す斜視図である。図１、図２において、図１１、１２で示した従来
の燃料電池システムと同じ機能を有するものについては、同一の符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図１１、１２に準ずるものとして説明を省略する。

図１および図２に示す改質装置では、原燃料供給管３５が改質器４に接続される水平部（横方向延設部）３５ａと、該水平部に接続されるＵ字状部（逆流阻止部）３５ｃと、該Ｕ字状部３５ｃに接続される垂直部（縦方向延設部）３５ｂとを具備している。即ち、一端が改質器４の原燃料加湿部に、他端が燃料供給装置２にそれぞれ連結された原燃料供給管３５の途中に、Ｕ字状に屈曲したＵ字状部３５ｃを具備している。さらに言い換えると、水平部３５ａと垂直部３５ｂとの間に、Ｕ字状部３５ｃが形成されている。Ｕ字状部３５ｃの形状を言い換えると、下側に凸の二次曲線形状ともいうことができ、Ｕ字状部３５ｃと垂直部３５ｂとの連結部分は、上側に凸の二次曲線形状の配管で連結されているということもできる。

尚、水平部３５ａとは、ほぼ水平となっている部分を言うが、横方向に延設されていれば良い。また、垂直部３５ｂとは、ほぼ垂直となっている部分を言うが、縦方向に延設されていれば良い。

このＵ字状部３５ｃは、図２に示すように、収納容器３１の外側に位置しており、また、水平部３５ａは、収納容器３１の内外に存在している。Ｕ字状部３５ｃの大きさや最下部の位置は、逆流してきた水蒸気の凝縮水を溜めるに十分な大きさを有している。

次に動作および作用について説明する。上記のような燃料電池システムの運転は、燃料供給装置２で燃料となる天然ガスなどの原燃料ガス、純水を改質器４に供給し、燃料電池を構成する燃料電池セルに改質された燃料ガスを供給する。また、空気供給装置３により酸化剤ガス（空気）を燃料電池セルに供給する。

最初に収納容器３１内部で、原燃料ガスと空気を反応させて燃焼させ、その燃焼熱で燃料電池セル自体を発電可能な温度まで加熱する。所定の温度になると、水処理装置５で精製した純水を、改質器４の原燃料加湿部に供給し、水蒸気改質で天然ガスなどを改質して燃料ガスを燃料電池セルに供給するとともに、空気供給装置３により酸化剤ガス（空気）を燃料電池セルに供給して発電が始まり、発電により発生する熱により燃料電池セルの温度を維持する。さらに、発電により発生する熱が、外部に排熱として放出されるようになる。

そして、需要家の負荷の状況等で発電を停止する場合、燃料電池に負担をかけないように停止させなければならないため、燃料ガスを最小限の所定流量に、また改質用の純水も最小限の所定流量にして、燃料電池１の温度が安全な所定温度まで下がるまで燃料ガスおよび純水供給を維持させる。安全に停止できる温度まで下がった後、原燃料供給管３５に窒素（空気）を所定量流し停止する。このとき、原燃料加湿部内の残留水や水蒸気が原燃料供給管３５に逆流し、水蒸気は冷やされて原燃料供給管３５内に結露するが、原燃料供給管３５の途中にＵ字状の屈曲部（Ｕ字状部３５ｃ）を設けることで、結露水や原燃料加湿部内の残留水はＵ字状部３５ｃの下部に溜まり、燃料供給装置２にまで達することが無くなり、装置の破損を防ぐことができる。

図３、４は、他の形態を示すもので、この形態では、原燃料供給管３５が改質器４に接続される水平部３５ａと、該水平部３５ａに接続されるＵ字状部３５ｃと、該Ｕ字状部３５ｃに接続される垂直部３５ｂとを具備しており、さらに、水平部３５ａとＵ字状部３５ｃとの間に、逆Ｕ字状部３５ｄが形成されている。この逆Ｕ字状部３５ｄは、水平部３５ａよりも高い位置に山状に形成され、この逆Ｕ字状部３５ｄに連続してＵ字状部３５ｃが形成されている。Ｕ字状部３５ｃの最下部は、改質器４（原燃料加湿部）よりも低位置に存在している。

このような燃料電池システムでは、上記形態と同様な動作及び作用を有するが、この形態の改質装置では、さらに、改質器４の原燃料加湿部内の残留水が原燃料供給管３５内を逆流することを、改質器４よりも高い位置に存在する逆Ｕ字状部３５ｄにより防止することができ、装置の信頼性が向上する。

図５、６は、本発明の形態を示すもので、この形態では、Ｕ字状部３５ｃの最下部には、下方に延設される水排出管４１が接続されており、この水排出管４１には電磁弁４３が設けられている。

水排出管４１は、Ｕ字状部３５ｃに溜まった残留水や結露水を系外に排出する機能を有するもので、燃料電池１の停止処理完了後、Ｕ字状部３５ｃの底部に溜まった水を電磁弁４３を開にして系外に排出する。このような制御をすることにより、次回の起動時に原燃料供給管３５内に余分な水溜まりを無くすことができ、起動を円滑にすることができ、信頼性の高い燃料電池システムを供給できる。

図７、８は、さらに他の形態を示すもので、この形態では、改質器４には、水平部３５
ａが接続され、この水平部３５ａには、改質器４よりも上方に延設された上方延設部３５ｅを有しており、該上方延設部３５ｅには逆止弁５５が設けられている。原燃料供給管３５は、上方延設部３５ｅから水平に延び、それから下方に延設されている。

このような改質装置では、逆止弁５５により水蒸気の逆流を容易に阻止でき、それより先の燃料供給装置までは達することがない。また、原燃料供給管３５の上方延設部３５ｅに逆止弁５５が設けられているため、逆止弁５５まで逆流してきた水蒸気は結露し、改質器４へ戻すことができる。

図９、１０は、本発明の他の形態を示すもので、この形態では、図７、８の形態に対して、逆止弁５５と改質器４との間の原燃料供給管３５における最下部となる水平部３５ａには、下方に延設される水排出管４１が接続されており、該水排出管４１には弁４３が設けられている。このような改質装置では、燃料電池停止時に原燃料加湿部より流出した水や結露水を逆止弁５５と改質器４との間の原燃料供給管３５における水平部３５ａに溜め、例えば電磁弁４３を開くことで系外に排出し、次回の起動時に原燃料供給管３５内に余分な水溜まりを無くすことができ、起動を円滑にすることができ、信頼性の高い燃料電池システムを供給できる。

図９、１０では、水平部３５ａに水排出管４１を設けたが、本発明では、水平部３５ａと上方延設部３５ｅとの間に、水平部３５ａよりも下方に延設されるＵ字状部を設け、このＵ字状部に水排出管４１を設けることにより、水をＵ字状部に溜め、水排出管４１から有効に排出することができる。

尚、上記燃料電池システムでは、収納容器３１内に複数の燃料電池セルからなる燃料電池１を収納し、燃焼ガスで改質器４を加熱する形態で説明したが、本発明は、上記形態に限定されるものではなく、収納容器３１内に燃料電池を収容することなく、改質器を収納するものであっても良い。

さらに、上記形態では、改質器４の原燃料加湿部に、純水を供給し、原燃料加湿部にて水蒸気として原燃料を加湿する場合について説明したが、改質器４の原燃料加湿部に水蒸気を直接供給するようにしても良い。

また、上記形態では、収納容器外部にＵ字状部３５ｃを形成したが、収納容器内部にＵ字状部を形成してもある程度の効果を有する。

燃料電池システムを示すブロック図である。図１の燃料電池システムの具体的構成を示す斜視図である。水平部とＵ字状部との間に逆Ｕ字状部を有する燃料電池システムを示すブロック図である。図３の燃料電池システムの具体的構成を示す斜視図である。Ｕ字状部に水排出管を設けた燃料電池システムを示すブロック図である。図５の燃料電池システムの具体的構成を示す斜視図である。逆止弁を有する燃料電池システムを示すブロック図である。図７の燃料電池システムの具体的構成を示す斜視図である。逆止弁及び水排出管を有する燃料電池システムを示すブロック図である。図９の燃料電池システムの具体的構成を示す斜視図である。従来の燃料電池システムを示すブロック図である。図１１の燃料電池システムの具体的構成を示す斜視図である。

符号の説明

４：改質器
３１：収納容器
３５：原燃料供給管
３５ａ：水平部
３５ｂ：垂直部
３５ｃ：Ｕ字状部
３５ｄ：逆Ｕ字状部
３５ｅ：上方延設部
３７：水供給管
４１：水排出管
４３：電磁弁
５５：逆止弁

Claims

水又は水蒸気を供給する水供給管と、原燃料ガスを供給する原燃料供給管とを改質器に接続してなる改質装置であって、前記原燃料供給管は、前記改質器の下方から延設されており、前記改質器に接続される横方向延設部と、該横方向延設部に接続され、前記水や水蒸気の前記改質器からの逆流を阻止する逆流阻止部であるＵ字状部と、該Ｕ字状部に接続される縦方向延設部とを具備するとともに、前記Ｕ字状部の最下部には、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられていることを特徴とする改質装置。
水又は水蒸気を供給する水供給管と、原燃料ガスを供給する原燃料供給管とを改質器に接続してなる改質装置であって、前記原燃料供給管に、前記水や水蒸気の前記改質器からの逆流を阻止する逆流阻止部である逆止弁を備え、該逆止弁と前記改質器との間の前記原燃料供給管における最下部には、下方に延設される水排出管が接続されており、該水排出管には弁が設けられていることを特徴とする改質装置。
前記原燃料供給管は、前記改質器よりも上方に延設された上方延設部を有しており、該上方延設部に前記逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項２記載の改質装置。
前記改質器は収納容器に収納されており、前記原燃料供給管に設けられた前記逆流阻止部であるＵ字状部又は逆止弁が前記収納容器外に存在することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の改質装置。
前記改質器は収納容器に収納されており、該収納容器に収納された複数の燃料電池セルにより加熱されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の改質装置。