JP5264129B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、液体燃料を用いて発電を行なう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、改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で改質ガスを用いて発電するものであって、改質器の改質触媒を加熱する加熱器と、改質器及び加熱器に導入される液体燃料が流通する燃料流通ラインと、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２００６−２４０９５２号公報

ところで、近年の燃料電池システムにおいては、低コスト化及び燃料電池システムの簡易化のため、液体燃料を１つのポンプで改質器及び加熱器に供給できるものが望まれている。しかし、この場合、上述したような燃料電池システムでは、例えば家庭用の燃料電池システムのように改質器及び加熱器に導入される液体燃料の流量が少ないと、改質器及び加熱器に導入される液体燃料の各流量を容易に制御することが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、改質器に導入される液体燃料の流量と加熱器に導入される液体流量とを１つのポンプで容易に制御することができる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に、本発明に係る燃料電池システムは、改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で改質ガスを用いて発電する燃料電池システムであって、改質器の改質触媒を加熱する加熱器と、液体燃料が流通すると共に、液体燃料を改質器に導入する改質器ラインと液体燃料を加熱器に導入する加熱器ラインとに分岐されてなる液体燃料ラインと、液体燃料ラインにおいて改質器ラインと加熱器ラインとの分岐点の上流側に設けられ、液体燃料を下流側に圧送するポンプと、を備え、加熱器ラインには、絞り手段が設けられていることを特徴とする。

この燃料電池システムでは、加熱器ラインに設けられた絞り手段により加熱器に導入される液体燃料の流量を制限される。よって、加熱器の要する液体燃料の流量が改質器の要する液体燃料の流量よりも少ないことから、液体燃料の流量が好適に制御されることとなる。従って、例えば改質器に導入される液体燃料の流量と加熱器に導入される液体燃料の流量との比が所定値となるように、ポンプで圧送される液体燃料の流量を容易に制御することが可能となる。すなわち、改質器に導入される液体燃料の流量と加熱器に導入される液体流量とを１つのポンプで容易に制御することが可能となる。なお、絞り手段としては、例えば、オリフィス、バルブ及び管径を小さくしたものが挙げられる。

また、液体燃料ラインにおいて分岐点の上流側且つポンプの下流側には、逆止め弁が液体燃料の流通の抵抗となるように設けられていることが好ましい。この場合、逆止め弁を液体燃料の流通に対し抵抗を得る抵抗部材とすることができ、改質器及び加熱器に導入される液体燃料を調圧し、これらの各流量を低コストで容易に制御することが可能となる。

本発明によれば、改質器に導入される液体燃料の流量と加熱器に導入される液体流量とを１つのポンプで容易に制御することが可能となる。

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要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。燃料電池システムは、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、液体燃料としては、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を用いている。

図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、燃料処理システム（ＦＰＳ）３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック（燃料電池）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、ヒータ（不図示）が設けられており、これにより、脱硫器２は、液体燃料を例えば１３０℃〜１８０℃まで加熱する。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８及びバーナ（加熱器）９を有している。改質器８は、脱硫された液体燃料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。バーナ９は、改質器８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。

ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（不図示）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高分子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。

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、液体燃料を流通させ、液体燃料を改質器８及びバーナ９に導入する液体燃料ラインＬ１を備えている。この液体燃料ラインＬ１は、金属性の配管からなり、脱硫器２を通過すると共に、改質器８に接続され液体燃料を改質器８に導入する改質器ラインＬ１１と、バーナ９に接続され液体燃料をバーナ９に導入するバーナラインＬ１２とに分岐点Ｔを介して分岐されている。改質器ラインＬ１１の改質器８付近には、水蒸気を改質器８に導入するための水ラインＬ２が連結されている。

次に、液体燃料ラインＬ１について図２に基づいて詳細に説明する。図２は、図１の燃料電池システムの液体燃料ラインを示す概略構成図である。図２に示すように、液体燃料ラインＬ１における分岐点Ｔの上流側には、上流側から下流側に向かって、ポンプ１３、流量計４１及び逆止め弁３２がこの順に設けられている。

ポンプ１３は、液体燃料を液体燃料ラインの下流側に圧送するものであり、ここでは、定流量ポンプが用いられている。このように定流量ポンプを採用することで、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料の流量を安定化することができる。このポンプ１３には、制御装置４２が接続されている。

制御装置４２は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成されている。この制御装置４２は、流量計４１から出力された流量信号に基づいてポンプ１３の駆動を制御することにより、ポンプ１３で圧送する液体燃料の流量を制御する。

流量計４１は、通過する液体燃料の流量を検出し、流量信号を制御装置４２に出力する。逆止め弁３２は、スプリング式のものであり、その弁体がスプリングで液体燃料の流通方向と反対の方向に付勢されている。つまり、逆止め弁３２は、液体燃料の流通の抵抗となるように設けられている。

液体燃料ラインＬ１においてポンプ１３の下流側（ここでは、流量計４１と逆止め弁３２との間）からポンプ１３の上流側には、液体燃料の一部を戻すためのスピルバックラインＬ３が設けられている。スピルバックラインＬ３は、第１スピルバックラインＬ３１と、この第１スピルバックラインＬ３１に並列に設けられた第２スピルバックラインＬ３２とを有し、第１スピルバックラインＬ３１には安全弁２１が設けられ、第２スピルバックラインＬ３２には、オリフィス２２が設けられている。つまり、スピルバックラインＬ３には、安全弁２１及びオリフィス２２が当該ラインＬ３に対して互いに並列に設けられている。

ここで、液体燃料ラインＬ１にあっては、逆止め弁３２の下流側の分岐点Ｔにより、上述したように、改質器ラインＬ１１とバーナラインＬ１２とに分岐されている。バーナラインＬ１２には、複数（ここでは２つ）のオリフィス（絞り手段）４３，４３が設けられている。このオリフィス４３は、その管径が例えば１ｍｍ以下とされており、ここでは、０．２ｍｍとされている。

このように構成された燃料電池システム１では、まず、例えば外部の燃料タンク内の液体燃料がポンプ（不図示）により筐体６内に導入される。続いて、導入された液体燃料がポンプ１３で圧送されつつ、その流量が流量計４１から出力された流量信号に基づいて制御装置４２で制御される。そして、圧送された液体燃料が、逆止め弁３２により調圧され、分岐点Ｔで改質器ラインＬ１１とバーナラインＬ１２とに分岐され、改質器８とバーナ９とのそれぞれに導入される。

ここで、燃料電池システム１においては、上述したように、バーナラインＬ１２に設けられたオリフィス４３，４３によりバーナ９に導入される液体燃料の流量が制限される。よって、バーナ９の要する液体燃料の流量が改質器８の要する液体燃料の流量よりも少ないことから、液体燃料の流量が好適に制御されることとなる。これにより、制御装置４２によるポンプ１３の駆動制御の容易化が可能となり、例えば改質器８に導入される液体燃料の流量とバーナ９に導入される液体燃料の流量との比が所定値となるように、ポンプ１３で圧送される液体燃料の流量を容易に制御することができる。すなわち、改質器８に導入される液体燃料の流量とバーナ９に導入される液体流量とを１つのポンプ１３で容易に制御することができる。

また、上述したように、バーナラインＬ１２に複数のオリフィス４３，４３が設けられているため、バーナ９に導入される液体燃料の圧力変動を抑制することができる。

また、液体燃料ラインＬ１において分岐点Ｔの上流側且つポンプ１３の下流側には、逆止め弁３２が液体燃料の流通の抵抗となるように設けられている。そのため、逆止め弁３２を液体燃料の流通に対し抵抗を得る抵抗部材とすることができ、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料を調圧し、これらの各流量を低コストで容易に制御することが可能となる。よって、改質器８に導入される液体燃料の流量とバーナ９に導入される液体流量とを１つのポンプ１３で一層容易に制御することができる。

また、上述したように、ポンプ１３の下流側からポンプ１３の上流側に液体燃料の一部を戻すスピルバックラインＬ３を備えており、スピルバックラインＬ３には、安全弁２１及びオリフィス２２が当該ラインＬ３に対して互いに並列に設けられている。よって、ポンプ１３で圧送された液体燃料の一部が、安全弁２１を介してポンプ１３の上流側に戻されると共にオリフィス２２を介してポンプ１３の上流側に戻されるため、ポンプ１３で圧送された液体燃料の圧力変動及び流量変動を抑制することができる。

ところで、燃料電池システムが本実施形態のような家庭用のものである場合、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料の流量が極微量（例えば２ｃｃ／分）とされ、さらに、その許容される流量変動幅は極めて狭いもの（例えば±５％）となっている。そのため、家庭用の燃料電池システム１の液体燃料ラインＬ１には、極小な径の配管が特に望まれる。

極小な径の配管を容易に成形できる観点から、配管は樹脂性のものが好ましいが、液体燃料への樹脂成分の溶出が懸念される。これに対して、金属性の配管を液体燃料ラインＬ１に用いると、樹脂性の配管の場合に比して、配管成分が液体燃料に溶出するのを防ぐことができる。しかし、極微量な流量を金属性の配管径の調整で制御することは、現実的には製造上困難である。そのため、従来の燃料電池システムにおいては、高価な高精度機器及び複雑な流量制御システムが要されていた。

これに対し、燃料電池システム１では、上述したように、改質器８に導入される液体燃料の流量とバーナ９に導入される液体流量とを１つのポンプ１３で容易に制御することができる。よって、配管の径が極小なものであっても、燃料電池システムの低コスト化及び流量制御システムの簡易化が可能となる。すなわち、燃料電池システム１は、家庭用の燃料電池システムの分野において、特に画期的なものであるといえる。

なお、本実施形態では、絞り手段として、オリフィス４３を設けたが、これに代えて、例えばバルブ（例えば、ニードルバルブ）を設けてもよく、また、一部の管径を小さくしたもの（径を小さくした配管）を設ける場合もある。

本実施形態のように、絞り手段にオリフィス４３を用いる場合には、配管の構成を簡易にすることができると共に低コスト化が可能となる。さらに、この場合、生産性や商品性を向上することができる。また、径の異なるオリフィスを複数重ね合わせることにより流量を所望に制御でき、圧力変動も容易に軽減することが可能となる。

一方、絞り手段にバルブを用いた場合には、例えば配管にゴミ等の異物が詰まったときに、その異物を容易に除去することができ、メンテナンス性を向上することができる。また、この場合、バルブの開度を調整することで流量を所望に制御することが可能となる。一部の管径を小さくしたものを用いた場合には、流量制御が可能になるのに加え、その管長により圧力変動を軽減することができる。

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、改質器８において液体燃料を水蒸気改質したが、オートサーマル改質（ＡＴＲ）してもよく、要は、改質器の改質触媒を加熱するために加熱器（加熱器ライン）が設けられていればよい。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。

また、上記実施形態では、ポンプ１３に定流量ポンプを採用したが、例えば電磁ポンプ等の定流量ポンプ以外の種々のポンプを採用してもよい。なお、上記実施形態のようにポンプ１３に定流量ポンプを採用すると、場合によっては、スピルバックラインＬ３を不要とすることもできる。また、上記実施形態では、バーナラインＬ１２に２つのオリフィス４３，４３を設けたが、１つ若しくは３つ以上のオリフィスを設けてもよい。複数のオリフィスを設ける場合、バーナ９に導入される液体燃料の圧力変動を好適に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムの液体燃料ラインを示す概略構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…脱硫器、４…ＰＥＦＣスタック（燃料電池）、８…改質器、９…バーナ（加熱器）、１３…ポンプ、４３…オリフィス（絞り手段）、３２…逆止め弁、Ｌ１…液体燃料ライン、Ｌ１１…改質器ライン、Ｌ…１２バーナライン（加熱器ライン）、Ｔ…分岐点。

Claims (4)

1. 改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で前記改質ガスを用いて発電する燃料電池システムであって、
   前記改質器の改質触媒を加熱する加熱器と、
   前記液体燃料が流通すると共に、前記液体燃料を前記改質器に導入する改質器ラインと前記液体燃料を前記加熱器に導入する加熱器ラインとに分岐されてなる液体燃料ラインと、
   前記液体燃料ラインにおいて前記改質器ラインと前記加熱器ラインとの分岐点の上流側に設けられ、前記液体燃料を下流側に圧送するポンプと、を備え、
   前記加熱器ラインには、絞り手段が設けられており、
   前記液体燃料ラインにおいて前記分岐点の上流側且つ前記ポンプの下流側には、逆止め弁が前記液体燃料の流通の抵抗となるように設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質器は、前記液体燃料を水蒸気改質又はオートサーマル改質す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. 前記絞り手段は、前記加熱器ラインに複数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. 前記液体燃料ラインにおいて前記ポンプの下流側から前記ポンプの上流側に前記液体燃料の一部を戻すスピルバックラインを備え、
   前記スピルバックラインには、安全弁及びオリフィスが当該スピルバックラインに対して互いに並列に設けられてい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。

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