JP5248068B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料（原燃料）を水蒸気改質して水素含有ガス（改質ガス）を生成する改質装置と、この改質装置で生成された改質ガス及び空気を電気化学的に発電反応させる燃料電池とを備えているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２９３９５１号公報

ところで、上述したような燃料電池システムでは、水蒸気改質に多量の水が必要になる。この水蒸気改質に用いる水には、発電反応により生成された水を回収して用いているが、十分な量を確保できずに多量の水道水も併用されている。そのため、十分な経済性を確保することが困難であった。

そこで本発明では、経済性を向上させることができる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、本発明に係る燃料電池システムは、液体燃料である原燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置と、改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、制御装置と、を備える燃料電池システムであって、改質装置は、原料水及び改質触媒を用いて原燃料を水蒸気改質する改質器と、改質触媒を加熱するバーナ燃焼器と、を有し、バーナ燃焼器は、システム起動期間においては原燃料を燃焼し、システム起動期間の後においては燃料電池から排出されたオフガスを燃焼することで、改質触媒を加熱するものであり、改質装置は、バーナ燃焼器に原燃料を供給する原燃料流路と、バーナ燃焼器にオフガスを供給するオフガス流路と、原燃料を用いた燃焼時にバーナ燃焼器から排出された排出ガスを外部に排出する第１の排出流路と、オフガスを用いた燃焼時にバーナ燃焼器から排出された排出ガスを外部に排出すると共に、水を回収するための第２の排出流路と、を更に有し、制御装置は、バーナ燃焼器から排出される排出ガスのうち、オフガスを用いた燃焼時にバーナ燃焼器から排出された排出ガスのみから水を回収して原料水に用いるために、バーナ燃焼器に供給するバーナ燃料を原燃料からオフガスに切り替えるときには、原燃料流路を閉じてバーナ燃焼器への原燃料の供給を停止してから所定時間経過後にオフガス流路を開いてバーナ燃焼器へのオフガスの供給を開始し、当該所定時間の間に第１の排出流路を閉じて第２の排出流路を開くことを特徴とする。

この燃料電池システムにおいては、水蒸気改質に用いられる原料水には、バーナ燃焼器から排出された排出ガスから回収される水も用いられる。これにより、回収される水の使用量の分だけ水道水を削減することができる。しかも、液体燃料である原燃料を燃焼した時の排出ガスに比べて、油成分が含まれ難いオフガスを燃焼した時の排出ガスのみから水を回収するので、不純物の少ない水が得られる。従って、経済性を向上させることができる。ここで、本発明において「燃料電池システムの起動時」とは、燃料電池システムを起動してからオフガスがバーナ燃焼器に導入されるまでの期間を意味する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいては、改質装置は、原燃料を用いた燃焼時にバーナ燃焼器から排出された排出ガスを外部に排出する第１の排出流路と、オフガスを用いた燃焼時にバーナ燃焼器から排出された排出ガスを外部に排出すると共に、水を回収するための第２の排出流路とを有している。これにより、油成分が含まれ難いオフガス燃焼時の排出ガスから確実に水を回収することができる。

本発明によれば、経済性を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

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概略構成図である。本発明に係る燃料電池システムは、原燃料として液体燃料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から灯油が用いられている。

図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫器２、改質装置として燃料処理システム（以下「ＦＰＳ」とする）３、燃料電池として固体高分子形燃料電池（以下「ＰＥＦＣ」とする）スタック４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。

脱硫器２は、外部から導入された液体燃料を脱硫するものである。この脱硫器２には、脱硫触媒及びヒータが設けられている。この脱硫触媒は、ヒータにより例えば２２０℃〜２３０℃まで加熱されて脱硫に用いられる。また、脱硫器２の上流側の流路には、脱硫器２に液体燃料を送入するポンプ（図示せず）が設けられている。このポンプは、液体燃料を加圧しながら脱硫器２に送入できるものであり、例えば、定量型の電磁ポンプを用いることができる。脱硫器２内の液体燃料が加圧されることで、脱硫触媒を比較的高温にしても液体燃料が気化されに難くなる。このため、液体燃料を安定して液状に保ちながら、加熱された脱硫触媒に接触させることができる。また、定量型の電磁ポンプを用いることで、脱硫器２に送入する液体燃料の圧力を安定化させることができるので、安定して脱硫することができる。

ＦＰＳ３は、液体燃料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器７及びバーナ燃焼器８を有している。改質器７は、脱硫された液体燃料と水蒸気とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する水蒸気改質ガスを生成する。バーナ燃焼器８は、改質器７の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。

更に、ＦＰＳ３は、変性器９及び選択酸化器１１を有している。変性器９は、改質器７で生成された水蒸気改質ガスを水性シフト反応させて、一酸化炭素の濃度を低下させたシフト改質ガスを生成する。選択酸化器１１は、変性器９で生成されたシフト改質ガスを空気の導入により選択酸化反応させて、一酸化炭素の濃度を更に低下させた発電反応に用いられる改質ガスを生成する。この変性器９及び選択酸化器１１を更に用いることで、一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ程度の改質ガスが生成される。

ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（図示せず）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で得られた改質ガスを用いて発電してＤＣ電流を出力する。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固体酸化物である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。なお、ＰＥＦＣスタック４は、通常５５０〜１０００℃程度の高温で作動する。

インバータ５は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。

また、燃料電池システム１は、液体燃料を筐体６の外部からＦＰＳ３に導入するための液体燃料ラインＬ１を備えている。液体燃料ラインＬ１は、その下流側において、液体燃料を改質器７に導入する液体燃料ラインＬ１１と、液体燃料をバーナ燃焼器８に供給する液体燃料ラインＬ１２とに分岐されている。また、液体燃料ラインＬ１１及び液体燃料ラインＬ１２には、液体燃料の導入量を調整する電磁バルブ１２，１３がそれぞれ設けられている。

更に、液体燃料ラインＬ１１の改質器７付近には、水蒸気改質に用いる水（原料水）を改質器７に導入するための水ラインＬ２が連結されている。この水ラインＬ２には、水の導入量を調整する電磁バルブ１４及び水タンク１５が設けられている。水タンク１５には、筐体６の外部から水タンク１５に水を導入する水ラインＬ２１及びＰＥＦＣスタック４で電気化学反応により生成したプロセス水を回収する回収水ラインＬ２２が連結されている。また、水タンク１５には、バーナ燃焼器８から排出された燃焼ガス（排出ガス）に含まれる水を回収する回収水ラインＬ２３が連結されている。ここでは、オフガスを用いた燃焼時にバーナ燃焼器８から排出された燃焼ガスのみから水を回収して原料水に用いる。液体燃料を燃焼した時の燃焼ガスに比べて、油成分が含まれ難いオフガスを燃焼した時の燃焼ガスのみから水を回収するので、不純物の少ない水が得られる。

また、液体燃料ラインＬ１２のバーナ燃焼器８付近には、筐体６の外部から空気をバーナ燃焼器８に導入するためのバーナ用空気ラインＬ３１が連結されている。このバーナ用空気ラインＬ３１には、空気の導入量を調整する電磁バルブ１６が設けられている。

また、ＰＥＦＣスタック４は、改質ガス供給ラインＬ４を介してＦＰＳ３と接続されている。また、ＰＥＦＣスタック４には、筐体６の外部から空気を導入するための空気導入ラインＬ３２が接続されている。この空気導入ラインＬ３２には、空気の導入量を調整する電磁バルブ１７が設けられている。更に、ＰＥＦＣスタック４には、発電反応に寄与しなかった水素を含むオフガスを排出させるためのオフガスラインＬ５が連結されている。このオフガスラインＬ５の下流側は、バーナ燃焼器８に連結されており、バーナ燃料としてオフガスが利用可能になっている。また、オフガスラインＬ５には、オフガスの導入量を調整する電磁バルブ１８が設けられている。

続いて、燃料電池システム１の改質器７及びバーナ燃焼器８の構成について詳細に説明する。図２は、図１の燃料電池システムの改質器７及びバーナ燃焼器８の一部断面図である。図２に示されるように、バーナ燃焼器８は円筒状をなし、改質器７はこのバーナ燃焼器８を取り囲むように配置されている。

バーナ燃焼器８は、バーナ燃料を噴射するためのバーナ部１９及びバーナ燃焼を行うための燃焼筒２１を有している。バーナ部１９には、液体燃料ラインＬ１２に連結されており液体燃料を導入するための液体燃料導入部（原燃料流路）Ｌ１２１と、オフガスラインＬ５に連結されておりオフガスを導入するためのオフガス導入部（オフガス流路）Ｌ５１とが別々に設けられている。これにより、バーナ燃焼の燃料が液体燃料からオフガスに切り替わるときに、液体燃料にオフガスが混合され難くなり、バーナ燃焼器８の燃焼が安定化する。したがって、改質触媒２２を安定して加熱することができる。更に、バーナ用空気ラインＬ３１に連結されておりバーナ燃焼に用いる空気を導入するための空気導入部Ｌ３１１が設けられている。また、液体燃料ラインＬ１２には、気化器（図示せず）が設けられており、液体燃料は気化されてバーナ燃焼器８に導入される。

また、燃焼筒２１は、バーナ燃焼空間Ｓを画定し、この燃焼筒２１内で燃焼が行われる。燃焼筒２１には、バーナ燃焼により発生する燃焼ガスを排出するため開口部２１ａが形成されている。この開口部２１ａには、燃焼ガスの流路となる燃焼ガスラインＬ６が連結されている。燃焼ガスラインＬ６は、改質器７とバーナ燃焼器８との間に設けられており、この燃焼ガスラインＬ６を流通する燃焼ガスの熱により、改質器７の改質触媒が加熱される。

更に、燃焼ガスラインＬ６の下流側は、燃焼ガスラインＬ６に流通する燃焼ガスを筐体６の外部に排出するための排出ラインが分岐して設けられている。この排出ラインは、液体燃料を用いて燃焼した場合に発生する燃焼ガスを外部に排出するための第１の排出ラインＬ６１と、オフガスを用いて燃焼した場合に発生する燃焼ガスを外部に排出するための第２の排出ラインＬ６２を有している。第１の排出ラインＬ６１には、燃焼ガスの外部への流通を開閉する電磁バルブ２４が設けられており、第２の排出ラインＬ６２には、燃焼ガスの外部への流通を開閉する電磁バルブ２５が設けられている。そして、回収水ラインＬ２３が、第２の排出ラインＬ６２に連結されることで、油成分が含まれ難いオフガス燃焼時の燃焼ガスから確実に水を回収することができる。

また、改質器７は、改質触媒２２と、脱硫された液体燃料及び原料水を気化させるための気化器２３とを有している。気化された原燃料ガス及び水蒸気が改質触媒２２に接触しながら流通することで、水蒸気改質反応が進行して改質ガスがされる。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いので、改質触媒２２が７００℃程度となるようにバーナ燃焼器８で加熱されている。

また、燃料電池システム１は、運転時にシステム全体を制御する制御装置（図示せず）を備えている。制御装置は、電磁バルブ１３，１６，１８を制御することで、バーナ燃焼器８に導入する液体燃料、空気及びオフガスの供給をそれぞれ制御する。また、制御装置は、電磁バルブ１２，１４を制御することで、改質器７に導入する液体燃料及び原料水の供給をそれぞれ制御する。更に、制御装置は、電磁バルブ２４を制御することで、第１の排出ラインＬ６１における燃焼ガスの外部への流通を開閉すると共に、電磁バルブ２５を制御することで、第２の排出ラインＬ６２における燃焼ガスの外部への流通を開閉する。

図３は、燃料電池システム１の起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない起動スイッチが操作されることで開始される。以下、図３に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム１の起動時の運転方法について説明する。

まず、電磁バルブ１３，１６を制御して、バーナ燃焼器８に液体燃料及び空気を供給する（Ｓ１０１）。すると、液体燃料が燃焼されて改質触媒が加熱される。このとき、供給される空気は液体燃料の燃焼に最適な供給量に制御される。また、電磁バルブ２４，２５を制御して、第１の排出ラインＬ６１を開く一方で第２の排出ラインＬ６２を閉じ、第１の排出ラインＬ６１のみを介して、液体燃料を用いた燃焼により発生した燃焼ガスを外部に排出する。続いて、電磁バルブ１２，１４を制御して、改質器７に向けて液体燃料及び原料水を供給する（Ｓ１０２）。すると、ＦＰＳ３により改質ガスが生成され、改質ガス供給ラインＬ４を介してＰＥＦＣスタック４に供給される。

また、電磁バルブ１７を制御して、ＰＥＦＣスタック４のカソードに空気を供給する（Ｓ１０３）。なお、この発電用空気の供給の開始は、Ｓ１０２の前又はＳ１０２と同時に実行しても良い。

その後、ＰＥＦＣスタック４が所定の温度まで昇温された後、ＰＥＦＣスタック４から電流を取り出すことにより、ＰＥＦＣスタック４による発電が開始される。このとき、ＰＥＦＣスタック４からはオフガスが排出される。

続いて、電磁バルブ１３を制御して、バーナ燃焼器８への液体燃料の供給を停止する（Ｓ１０４）。そして、液体燃料の供給を停止してから所定時間経過後に電磁バルブ１８を制御してバーナ燃焼器８にオフガスを供給しオフガスを燃焼する（Ｓ１０５）。これにより、液体燃料からオフガスへ切り替わるときに、バーナ燃焼器８の燃焼が所定時間停止するので、より確実に原料ガスにオフガスが混合され難くなる。そのため、バーナ燃焼器８の燃焼がより安定化する。このとき、電磁バルブ１６を制御してオフガス燃焼に最適な空気の供給量に制御する。また、電磁バルブ２４，２５を制御して、第１の排出ラインＬ６１を閉じる一方で第２の排出ラインＬ６２を開き、第２の排出ラインＬ６２のみを介して、オフガスを用いた燃焼により発生した燃焼ガスを外部に排出すると共に、回収水ラインＬ２３を介して水を回収する。

なお、バーナ燃焼器８と改質器７との間には、改質触媒２２を保温する保温部材が設けられていることが好ましい。これにより、バーナ燃焼器８の燃焼が所定時間停止しても保温部材が加熱されているので、改質触媒２２の温度低下を確実に防止することができる。この場合、保温部材は、バーナ燃焼器８から排出されたガスの燃焼ガスラインＬ６に設けられていることが好ましい。これにより、改質触媒の温度低下をより一層確実に防止することができる。なお、保温部材としては、アルミナ等の熱容量の比較的高い材料を好適に用いることができる。

以上のように、燃料電池システム１は、水蒸気改質に用いられる原料水には、バーナ燃焼器８から排出された燃焼ガスから回収される水も用いられる。これにより、回収される水の使用量だけ水道水を削減することができる。したがって、経済性を向上させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、液体燃料として灯油を用いたが、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器（脱硫方法）及び改質器（改質方法）は、用いる液体燃料の特性に応じたものとされる。

また、上記実施形態では、ＰＥＦＣスタック４を備えた燃料電池システム１としたが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備えた燃料電池システムとしてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。 図１の燃料電池システムの改質器及びバーナ燃焼器の一部断面図である。 燃料電池システムの起動時に、制御装置により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、３…ＦＰＳ、４…ＰＥＦＣスタック、７…改質器、８…バーナ燃焼器、２２…改質触媒、Ｌ２３…回収水ライン、Ｌ６１…第１の排出ライン、Ｌ６２…第２の排出ライン。

Claims (4)

1. 液体燃料である原燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置と、前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池と、制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記改質装置は、原料水及び改質触媒を用いて前記原燃料を水蒸気改質する改質器と、前記改質触媒を加熱するバーナ燃焼器と、を有し、
   前記バーナ燃焼器は、システム起動期間においては前記原燃料を燃焼し、前記システム起動期間の後においては前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼することで、前記改質触媒を加熱するものであり、
   前記改質装置は、
   前記バーナ燃焼器に前記原燃料を供給する原燃料流路と、
   前記バーナ燃焼器に前記オフガスを供給するオフガス流路と、
   前記原燃料を用いた燃焼時に前記バーナ燃焼器から排出された排出ガスを外部に排出する第１の排出流路と、
   前記オフガスを用いた燃焼時に前記バーナ燃焼器から排出された排出ガスを外部に排出すると共に、前記水を回収するための第２の排出流路と、を更に有し、
   前記制御装置は、前記バーナ燃焼器から排出される排出ガスのうち、前記オフガスを用いた燃焼時に前記バーナ燃焼器から排出された排出ガスのみから水を回収して前記原料水に用いるために、前記バーナ燃焼器に供給するバーナ燃料を前記原燃料から前記オフガスに切り替えるときには、前記原燃料流路を閉じて前記バーナ燃焼器への前記原燃料の供給を停止してから所定時間経過後に前記オフガス流路を開いて前記バーナ燃焼器への前記オフガスの供給を開始し、当該所定時間の間に前記第１の排出流路を閉じて前記第２の排出流路を開くことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記原燃料流路、前記オフガス流路、前記第１の排出流路及び前記第２の排出流路のそれぞれに設けられた電磁バルブを制御することにより、前記原燃料流路、前記オフガス流路、前記第１の排出流路及び前記第２の排出流路のそれぞれの開閉を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記改質器は、前記バーナ燃焼器を取り囲むように配置されており、前記改質器と前記バーナ燃焼器との間には、前記改質触媒を保温する保温部材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. 前記制御装置は、前記バーナ燃焼器に空気を導入するバーナ用空気ラインに設けられた電磁バルブを制御することにより、空気の導入量を調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。

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