(57)【要約】【課題】  改質装置または／および燃料電池に同時に供給または給排される複数の流体の流れを、燃料電池システム特有の課題を解決する構造の弁装置によって制御する燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムにおいて、弁装置の弁体を連通位置に回動させることにより、複数種類の流体を改質装置または／および燃料電池に同時に供給することができるので、複数種類の流体用に夫々遮断弁を設ける必要がなく、弁の使用個数を削減することができる。【選択図】  図１
2006236831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒が充填された改質部に改質用燃料および水蒸気が供給されＣＯ選択酸化部にＣＯ選択酸化エアが供給されて改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置から前記改質ガスが供給され、前記燃料電池のカソード電極にカソードエアを導入するカソードエア導入口にカソードエアが供給され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、
弁ハウジングに形成された弁孔内に断面円形の弁体が回転軸線回りに回転可能に密嵌合され、前記弁ハウジングの外周面および前記弁孔に夫々開口する流入路および流出路の組が前記弁ハウジングに離間して複数組穿設され、前記弁体が遮断位置に位置されると、前記弁体の外周面が前記複数組の流入路および流出路を遮断し、前記弁体が連通位置に回動されると、前記複数組の流入路および流出路を同時に夫々連通する複数の連通路が前記弁体に設けられ、前記弁体が駆動装置により前記遮断位置と連通位置との間で回動される弁装置を設け、
前記改質装置または／および前記燃料電池に同時に供給される複数種類の流体の各流路が前記各流入路に夫々接続され、前記各流出路が前記改質装置または／および前記燃料電池に夫々接続されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記複数種類の流体を夫々流量制御して送出するポンプが前記弁装置の各流入路より上流側に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２において、前記改質装置または／および前記燃料電池に同時に供給される複数種類の流体は、前記改質用燃料および前記ＣＯ選択酸化エア、または前記改質ガスおよび前記カソードエアであり、前記各流出路が前記改質部およびＣＯ選択酸化部、または前記燃料電池の改質ガス導入口およびカソードエア導入口に夫々接続されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒が充填され改質用燃料および水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置から前記改質ガスが供給され、前記燃料電池のカソード電極にカソードエアを導入するカソードエア導入口にカソードエアが供給され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、
弁ハウジングに形成された弁孔内に断面円形の弁体が回転軸線回りに回転可能に密嵌合され、前記弁ハウジングの外周面および前記弁孔に夫々開口する第１、第２流入路および第１、第２流出路が前記弁ハウジングに穿設され、前記弁体が遮断位置に回動されると、前記弁体の外周面が前期第１、第２流入路および第１、第２流出路を閉鎖し、前記弁体が起動運転位置に回動されると、前記第１流入路と前記第２流出路、前記第２流入路と第１流出路を連通し、通常運転位置に回動されると、前記第１流入路と前記第１流出路、前記第２流入路と第２流出路を連通する一対の連通路が前記弁体に設けられ、前記弁体が駆動装置により前記遮断位置、前記起動運転位置および前記通常運転位置の間で回動される弁装置を設け、
前記第１流入路が前記改質装置の改質ガス送出口、前記第１流出路が前記燃料電池の改質ガス導入口、前記第２流入路が前記アノードオフガス導出口、前記第２流出路が前記燃焼部に夫々接続されたことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給された改質用燃料および水蒸気から改質ガスを生成し、該改質ガスおよびカソードエアを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、図１に示されるように、燃焼部１１で生成された燃焼ガスによってメタノールと水とを蒸発器１３で加熱して蒸発させ、蒸発したメタノールと水蒸気を改質触媒が充填された改質部３により所謂水素リッチな改質ガスに水蒸気改質し、この改質ガスに含まれる一酸化炭素を、シフト反応部５およびＣＯ選択酸化部７により低減し、ＣＯ選択酸化部７から改質ガス、圧縮機からカソードエアを燃料電池９に供給して発電し、燃料電池９から導出される余剰改質ガス（以下、アノードオフガスという。）を燃焼部１１に送って燃焼させる燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、ＣＯ選択酸化部７の改質ガス送出口と燃料電池９との間に第１流量制御バルブ１７が設けられ、ＣＯ選択酸化部７の改質ガス送出口と燃焼部１１の入口との間には、第２流量制御バルブ１９が接続されたバイパス回路１５が接続されている。この燃料電池システムでは、定常運転時は、第１流量制御バルブ１７を開き、第２流量制御バルブ１９を閉じて、ＣＯ選択酸化部７から送出される改質ガスはすべて燃料電池９に送られる。しかし、加速時等の負荷が増加する時は、第２流量制御バルブ１９を開いて、燃料電池９への改質ガスの供給量を減少させ、燃料電池からの電力の取出し（発電量）を一時制限し、その分の改質ガスを燃焼部１１にバイパスすることにより、燃焼部１１での発熱量を増加してメタノールと水との蒸発量を増加し、改質装置１の応答性を向上している。
【０００３】
一般的に、このような燃料電池システムでは、改質器３に蒸発器１３を介して接続されたメタノール流路および水流路、並びに選択酸化反応器７に接続されたエア流路は、燃料改質部１への異物の侵入を防止するために、停止時は夫々電磁式遮断弁によって遮断される。そして、運転開始時には、メタノールと水が蒸発器１３を介して改質器３に供給されるのとほぼ同時に、エアが選択酸化反応器７に供給される。
【０００４】
このように、メタノール、水およびエアをほぼ同時に燃料改質部１に供給するために、特許文献２示されるようなボール弁１３の回動によって複数の流路を制御する回転弁を、燃料電池システムの電磁式遮断弁、第１、第２流量制御バルブ１７，１９として用いることは、従来行なわれていなかった。
【特許文献１】特開２００１−２３６５９号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開平９−３２９２５０号公報（第３頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、上述のようにメタノール流路、水流路およびエア流路に夫々介在された電磁式遮断弁、並びに第１、第２の流量制御バルブを設けなければならず、弁の使用個数が多くなる。電磁式遮断弁は、弁体を圧縮スプリングのバネ力により弁座に押付けて通路を遮断し、ソレノイドの吸引力で弁体を圧縮スプリングのバネ力に抗して弁座から開離させて連通しているので、弁体を弁座に押付ける正方向に圧力が加わった場合は通路を確実に遮断するが、逆方向から強い圧力がかかった場合に弁体が弁座から離れることがある。また、燃料電池システムでは、運転停止時またはシステムダウン時に遮断弁が閉じ、運転時に遮断弁が開くノーマルクローズの電磁式遮断弁を用いるので、運転中ソレノイドを付勢しなければならず電磁式遮断弁が消費する電力が多くなり、発電効率が低下する。
【０００６】
そして、燃料電池システムの運転停止に伴って燃料改質部１の内部温度が高い状態でメタノール流路、水流路、エア流路に介在された各電磁式遮断弁を遮断すると、燃料改質部１の内部が温度低下により負圧状態になり、運転開始時に各電磁式遮断弁が開きにくくなる。また、電磁式遮断弁では、ソレノイドの付勢により弁体は弁座から短時間で開離するので、エア流路に介在された電磁式遮断弁を開くと、エアが急激に選択酸化反応器７に突入し、触媒の劣化、損傷、触媒粉の流出をもたらすことがある。
【０００７】
本発明は、改質装置または／および燃料電池に同時に給排される複数の流体の流れを、燃料電池システム特有の課題を解決する構造の弁装置によって制御する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、  燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒が充填された改質部に改質用燃料および水蒸気が供給されＣＯ選択酸化部にＣＯ選択酸化エアが供給されて改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置から前記改質ガスが供給され、前記燃料電池のカソード電極にカソードエアを導入するカソードエア導入口にカソードエアが供給され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、弁ハウジングに形成された弁孔内に断面円形の弁体が回転軸線回りに回転可能に密嵌合され、前記弁ハウジングの外周面および前記弁孔に夫々開口する流入路および流出路の組が前記弁ハウジングに離間して複数組穿設され、前記弁体が遮断位置に位置されると、前記弁体の外周面が前記複数組の流入路および流出路を遮断し、前記弁体が連通位置に回動されると、前記複数組の流入路および流出路を同時に夫々連通する複数の連通路が前記弁体に設けられ、前記弁体が駆動装置により前記遮断位置と連通位置との間で回動される弁装置を設け、前記改質装置または／および前記燃料電池に同時に供給される複数種類の流体の各流路が前記各流入路に夫々接続され、前記各流出路が前記改質装置または／および前記燃料電池に夫々接続されたことである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記複数種類の流体を夫々流量制御して送出するポンプが前記弁装置の各流入路より上流側に設けられていることである。
【００１０】
請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または２において、前記改質装置または／および前記燃料電池に同時に供給される複数種類の流体は、前記改質用燃料および前記ＣＯ選択酸化エア、または前記改質ガスおよび前記カソードエアであり、前記各流出路が前記改質部およびＣＯ選択酸化部、または前記燃料電池の改質ガス導入口およびカソードエア導入口に夫々接続されたことである。
【００１１】
請求項４に係る発明の構成上の特徴は、燃焼部で生成される燃焼ガスにより加熱される触媒が充填され改質用燃料および水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質装置を備え、燃料電池のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口に前記改質装置から前記改質ガスが供給され、前記燃料電池のカソード電極にカソードエアを導入するカソードエア導入口にカソードエアが供給され、前記アノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口に前記燃焼部が接続された燃料電池システムにおいて、弁ハウジングに形成された弁孔内に断面円形の弁体が回転軸線回りに回転可能に密嵌合され、前記弁ハウジングの外周面および前記弁孔に夫々開口する第１、第２流入路および第１、第２流出路が前記弁ハウジングに穿設され、前記弁体が遮断位置に回動されると、前記弁体の外周面が前期第１、第２流入路および第１、第２流出路を閉鎖し、前記弁体が起動運転位置に回動されると、前記第１流入路と前記第２流出路、前記第２流入路と第１流出路を連通し、通常運転位置に回動されると、前記第１流入路と前記第１流出路、前記第２流入路と第２流出路を連通する一対の連通路が前記弁体に設けられ、前記弁体が駆動装置により前記遮断位置、前記起動運転位置および前記通常運転位置の間で回動される弁装置を設け、前記第１流入路が前記改質装置の改質ガス送出口、前記第１流出路が前記燃料電池の改質ガス導入口、前記第２流入路が前記アノードオフガス導出口、前記第２流出路が前記燃焼部に夫々接続されたことである。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、弁装置の弁体を連通位置に回動させることにより、複数種類の流体を改質装置または／および燃料電池に同時に供給することができるので、複数種類の流体用に夫々遮断弁を設ける必要がなく、弁の使用個数を削減することができる。また、弁孔内に密嵌合する弁体の外周面で流入路および流出路を閉鎖するので、複数組の流入路と流出路との間の差圧が大きくなった場合でも弁体の回動により容易に開弁することができる。そして、弁孔内に密嵌合する弁体を連通位置に回動することにより、複数組の流入路と流出路との間を夫々連通するので、低い消費電力で弁体を連通位置に保持することができる。さらに、流入路と流出路との連通面積が弁体の回動に連れて漸増するので、改質装置の改質部およびＣＯ選択酸化部、または燃料電池のアノード電極およびカソード電極等に急激に流体が突入することを防止でき、触媒または電極の劣化、損傷、触媒粉の流出を低減することができる。
【００１３】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、複数種類の流体は、夫々ポンプにより流量制御して送出され、連通位置に回動された弁体の複数の連通路によって同時に連通される各組の流入路および流出路を通って送られるので、簡素な構成の弁装置により複数種類の流体を改質装置または／および燃料電池に同時に必要量だけ供給することができる。
【００１４】
上記のように構成した請求項３に係る発明においては、改質用燃料およびＣＯ選択酸化エア、または改質ガスおよびカソードエアを、改質装置の改質部およびＣＯ選択酸化部、または燃料電池の改質ガス導入口およびカソードエア導入口に同時に供給することができるので、改質用燃料およびＣＯ選択酸化エア、または改質ガスおよびカソードエア用の各流路に遮断弁を夫々介在する必要がなく、弁の使用個数を削減することができる。特に、流入路と流出路との連通面積が弁体の回動に連れて漸増するので、改質装置の改質部およびＣＯ選択酸化部、または燃料電池のアノード電極およびカソード電極に急激に流体が突入することを防止でき、触媒の劣化、触媒粉の流出、電極の劣化、損傷を低減することができる。
【００１５】
上記のように構成した請求項４に係る発明においては、弁装置の弁体が起動運転位置に回動されると、改質ガスが改質装置の改質ガス送出口から燃焼部に供給され、通常運転位置に回動されると、改質装置から改質ガスが燃料電池に供給されるとともに、燃料電池からアノードオフガスが燃焼部に供給されるので、燃料電池システムの起動運転時および通常運転時に夫々必要な改質装置と燃料電池との間の流体流路の連通関係を１個の簡素な構成の弁装置の切換えにより達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について説明する。燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１１、および燃料電池１１に必要な水素ガスを生成して供給する改質装置１２を備えている。燃料電池１１のアノード電極には、改質装置１２から改質ガスが供給され、燃料電池１１のカソード電極には、外部からのエアがエアポンプにより供給され、燃料電池１１において改質ガス中の水素ガスとカソードエア中の酸素ガスとが反応して発電するようになっている。
【００１７】
改質装置１２は、天然ガス、ＬＰＧなどの炭化水素系の改質用燃料ガスおよび水蒸気が供給されて改質ガスを生成する改質部１３、水ポンプ２４から供給された純水を蒸発させて改質部１３に供給する水蒸気を生成する蒸発器１５、燃焼用燃料ガスと燃焼エアを混合して燃焼させ、改質部１３および蒸発器１５を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部１４、改質部１３の下部に積層された熱交換部１６、熱交換部１６の下部に積層され改質部１３で生成され熱交換部１６で冷却された改質ガスに含まれる一酸化炭素を除去するＣＯシフト部１７、ＣＯシフト部１７に接続されＣＯシフト部１７から送出された改質ガスに含まれる一酸化炭素をさらに除去して送出口から燃料電池１１に供給するＣＯ選択酸化部１８から構成されている。ＣＯ選択酸化部１８の送出口が改質装置１２の改質ガス送出口となる。燃料電池１１の改質ガス導入口からアノード電極に導入された改質ガスは、カソード電極に導入されたカソードエア中の酸素ガスと反応して発電し水になるが、余剰の改質ガスであるアノードオフガスは燃料電池１１のアノードオフガス導出口から燃焼部１４に送られて燃焼される。
【００１８】
改質部１３の触媒が充填された反応室１９は、燃焼部１４の加熱室２０により上部および外周を包囲され、加熱室２０内に設けられたバーナ２１は、ガスポンプにより送られた燃焼用燃料ガスとエアポンプにより送られた燃焼エアを混合して燃焼させ燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは加熱室２０を流れる間に反応室１９の触媒を加熱し、その後に蒸発器１５に流入して純水を蒸発させる。ガスポンプ２２により圧送された改質用燃料ガス、および蒸発器１５で生成された水蒸気が混合されて熱交換部１６に導入され、熱交換部１６で予加熱されて反応室１９に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスを生成する。
【００１９】
改質装置２１の熱交換部１６およびＣＯ選択酸化部１８には、ガスポンプ２２およびエアポンプ２３から流量制御して送出される改質用燃料ガスおよびＣＯ選択酸化エアが改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６を通って同時に供給される。改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６には、両流路２５，２６を同時に連通、閉鎖する弁装置２７が介在されている。
【００２０】
図２，３に示すように弁装置２７は、弁ハウジング２８の内孔にシート部材２９が一体的に固定され、シート部材２９に形成された球状の弁孔３０内に断面円形のボール弁体３１が回転軸線３２回りに回転可能に密嵌合されている。シート部材２９は回転軸線３２と直角な平面によって球状弁孔３０の中央で上下に二分割され、ボール弁体３１は上下のシート部材２９ａ，２９ｂに挟まれて球状弁孔３０内に密嵌合されている。弁ハウジング２８および上下のシート部材２９ａ，２９ｂには、回転軸線３２と直交しボール弁体３１の中心を通る平面から等距離はなれて平行に延在する流路３３，３４が貫通して穿設されている。流入路３３，３４は、弁孔３０によって第１，第２流入路３３ａ，３４ａおよび第１、第２流出路３３ｂ，３４ｂに分割されている。このように、一端が弁ハウジング２８の上下位置で両外側面に夫々開口し他端が上下シート部材２９ａ，２９ｂの弁孔３０の左右内周面に夫々開口する流入路３３ａと流出路３３ｂおよび流入路３４ａと流出路３４ｂが、弁ハウジング２８および上下シート部材２９ａ，２９ｂに回転軸線３２方向に離間して二組穿設されている。流入路３３ａと流出路３３ｂ、流入路３４ａと流出路３４ｂは、ボール弁体３１が図３の遮断位置に回動されると、ボール弁体３１の外周面によって遮断される。そして、ボール弁体３１には、ボール弁体３１が図２の連通位置に回動されると、流入路３３ａと流出路３３ｂ、流入路３４ａと流出路３４ｂとを同時に夫々連通する２個の連通孔（連通路）３５，３６が設けられている。流入路３３ａ，３４ａには、ガスポンプ２２およびエアポンプ２３の吐出口が接続され、流出路３３ｂ，３４ｂには、改質装置２１の熱交換部１６を介して改質部１３が接続されるとともに、ＣＯ選択酸化部１８が接続されている。
【００２１】
ボール弁体３１に回転軸線３２上で突設された弁軸３７が上シート部材２９ａを貫通し、減速機構３８を介してモータ３９に連結されている。弁軸３７と弁ハウジング２８との間には捩りコイルバネ４０が介在され、ボール弁体３１はモータ３９の無勢状態では捩りコイルバネ４０のバネ力により遮断位置に回動されている。ボール弁体３１はモータ３９により減速機構３８を介して捩りコイルバネ４０のバネ力に抗して遮断位置から連通位置に回動される。
【００２２】
燃料電池システムの停止時には、改質装置１２の改質ガス送出口、燃料電池１１の改質ガス導入口およびアノードオフガス導出口は遮断され、起動運転時には、改質装置１２のＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスは、改質ガス送出管４１から燃料電池１１をバイパスしてオフガス流路４２を通って燃焼部１４に送られ、通常運転時には、改質ガスは改質ガス流路４１を通って燃料電池１１に供給され、燃料電池１１から送出されるアノードオフガスはオフガス流路４２を通って燃焼部１４に送られる。このような流路を形成するために、改質ガス流路４１とオフガス流路４２とに跨って弁装置４３が介在されている。
【００２３】
弁装置４３は、図４に示すように弁ハウジング４４の内孔にシート部材４５が一体的に固定され、シート部材４５に形成された球状の弁孔４６内に断面円形のボール弁体４７が回転軸線４８回りに回転可能に密嵌合されている。シート部材４５は回転軸線４８と平行な平面によって球状弁孔４６の中央で左右に二分割され、ボール弁体４７は左右のシート部材４５ａ，４５ｂに挟まれて球状弁孔４６内に密嵌合されている。弁ハウジング４４および左右のシート部材４５ａ，４５ｂには、回転軸線４８と直交しボール弁体４７の中心Ｏを含む平面内でボール弁体４７の中心Ｏから等距離はなれて互いに平行な流路４９，５０が貫通して穿設されている。流路４９，５０は、弁孔４６によって弁ハウジング４４の両外側面および弁孔４６に夫々開口する第１，第２流入路４９ａ，５０ａおよび第１、第２流出路４９ｂ，５０ｂに分割されている。ボール弁体４７には、ボール弁体４７が図５（ａ）の遮断位置に回動されると、前記弁体の外周面が第１、第２流入路４９ａ，５０ａおよび第１、第２流出路４９ｂ，５０ｂを閉鎖し、ボール弁体４７が図５（ｂ）の起動運転位置に回動されると、第１流入路４９ａと第２流出路５０ｂ、第２流入路５０ａと第１流出路４９ｂを連通し、ボール弁体４７が図５（ｃ）通常運転位置に回動されると、第１流入路４９ａと第１流出路４９ｂ、第２流入路５０ａと第２流出路５０ｂとを連通する一対の連通孔（連通路）５１，５２が設けられている。第１流入路４９ａおよび第１流出路４９ｂは、改質ガス流路４１により改質装置１２の改質ガス送出口および燃料電池１１の改質ガス導入口に夫々接続され、第２流入路５０ａおよび第２流出路５０ｂは、オフガス流路４２により燃料電池１１のアノードオフガス導出口および燃焼部１４に夫々接続されている。
【００２４】
ボール弁体４７に回転軸線４８上で突設された弁軸５３が左右シート部材４５ａ，４５ｂの当接部を貫通し、減速機構５４を介してモータ５５に連結されている。弁軸５１と弁ハウジング４４との間には捩りコイルバネ５６が介在され、ボール弁体４７はモータ５５の無勢状態では捩りコイルバネ５６のバネ力により遮断位置に回動されている。ボール弁体４７はモータ５５により減速機構５４を介して捩りコイルバネ５６のバネ力に抗して、遮断位置から起動運転位置、通常運転位置に回動される。
【００２５】
次に、上記実施の形態の作動について説明する。燃料電池システムの停止時は、弁装置２７，４３は、ボール弁体３１，４７が捩りコイルバネ４０，５６のバネ力により遮断位置に回動され、流入路３３ａと流出路３３ｂ、流入路３４ａと流出路３４ｂの各連通、および第１流入路４９ａ、第１流出路４９ｂ、第２流入路５０ａ、第２流出路５０ｂがボール弁体３１，４７の外周面で遮断されている。これにより、改質装置１２の改質部１３およびＣＯ選択酸化部１８に夫々接続された改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６が遮断され、ＣＯ選択酸化部１８の送出口、および燃料電池１１のアノード電極に改質ガスを導入する改質ガス導入口およびアノード電極からアノードオフガスを導出するアノードオフガス導出口が閉鎖され、改質装置１２および燃料電池１１が外部から遮断され、内部に封鎖されたガスの冷却により内部圧力が低下する。この場合、弁孔４６内に密嵌合するボール弁体４７の外周面で第２流出路５０ｂを遮断するので、第２流出路５０ｂ側の圧力が高くなっても第２流出路５０ｂと第１、第２流入路４９ａ，５０ａとの間を確実に遮断することができる。
【００２６】
燃料電池システムの起動運転が指令されると、弁装置２７のボール弁体３１がモータ３９により捩りコイルバネ４０のバネ力に抗して連通位置に回動され、ガスポンプ２２により流量制御して送出される改質用燃料ガスが流入路３３ａ、連通孔３５および流出路３３ｂを通って改質装置２１の改質部１３に熱交換部１６を介して供給されるとともに、エアポンプ２３により流量制御して送出されるＣＯ選択酸化エアが流入路３４ａ、連通孔３６および流出路３４ｂを通ってＣＯ選択酸化部１８に同時に供給される。このとき、流入路３３ａ，３４ａと流出路３３ｂ，３４ｂとの連通面積はボール弁体３１の回動に連れて漸増するので、改質装置１２の改質部１３およびＣＯ選択酸化部１８に急激に改質用燃料ガスおよび改質ガスが突入することがなく、触媒の劣化、損傷、触媒粉の流出を低減することができる。また、燃料電池システムの運転停止により改質装置１２の内部に封鎖されたガスが冷却して内部圧力が低下し、流入路３３ａ，３４ａと流出路３３ｂ，３４ｂとの間の差圧が大きくなった場合でも、弁装置２７はボール弁体３１の回動により容易に開弁することができる。
【００２７】
燃焼用燃料ガスおよび燃焼エアが燃焼部１４のバーナ２１に供給されて燃焼され、生成された燃焼ガスが加熱室２０を流れて改質部１３の触媒を加熱するとともに、蒸発器１５で水蒸気を生成する。ガスポンプ２２により供給された改質用燃料ガス、および蒸発器１５で生成された水蒸気が混合されて熱交換部１６に導入され、熱交換部１６で予加熱されて改質部１３に供給され、燃焼ガスによって加熱された触媒により水蒸気改質反応および一酸化炭素シフト反応して改質ガスが生成される。改質部１３から導出された改質ガスは、ＣＯシフト部１７、およびエアポンプ２３からＣＯ選択酸化エアが供給されるＣＯ選択酸化部１８により一酸化炭素ガスの濃度を低減される。
【００２８】
そして、弁装置４３のボール弁体４７がモータ５５により捩りコイルバネ５６のバネ力に抗して起動運転位置に回動され、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスが燃焼部１４にバイパスされ、燃料電池１１の改質ガス導入口とアノードオフガス導出口が連通される。これにより、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値より高い起動運転時は、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスは第１流入路４９ａ、連通孔５１および第２流出路５０ｂを通って燃焼部１１にバイパスされて燃焼される。ＣＯ選択酸化部１８の触媒温度が所定値以上となったことが検出され、システムが安定状態となりＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が所定値以下に減少すると、起動運転から通常運転に切替えるために、弁装置４３のボール弁体４７がモータ５５により捩りコイルバネ５６のバネ力に抗して通常運転位置に回動され、ＣＯ選択酸化部１８から送出された改質ガスが改質ガス流路４１を通って燃料電池１１に供給され、燃料電池１１から送出されるアノードオフガスがオフガス流路４２を通って燃焼部１４に送られる。このとき、第１、第２流入路４９ａ，５０ａと第１、第２流出路４９ｂ，５０ｂとの各連通面積はボール弁体４７の回動に連れて漸増するので、多量の改質ガスが急に燃料電池１１に吸込まれ、改質装置１２の安定状態が壊されて改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度が増大することがない。
【００２９】
上記実施の形態では、弁装置２７は改質用燃料ガス流路２５およびエア流路２６に介在されているが、弁装置２７の流入路３３ａ，３４ａに改質装置１２の改質ガス送出口およびエアポンプを接続し、流出路３３ｂ、３４ｂを燃料電池１１の改質ガス導入口およびカソードエア導入口に接続し、改質ガスおよびカソードエアを燃料電池１１のアノード電極およびカソード電極に同時に供給するようにしてもよい。
【００３０】
上記実施形態の弁装置２７では、弁ハウジング２８および上下のシート部材２９ａ，２９ｂに二組の流入路および流出路を回転軸線３２方向に離間して穿設しているが、三組の流入路と流出路を穿設し、各流入路にガスポンプ２２、エアポンプ２３および水ポンプ２４の吐出口を接続し、この三組の流入路と流出路が、ボール弁体３１が遮断位置に回動されると、ボール弁体３１の外周面で閉鎖され、連通位置に回動されると、ボール弁体３１に設けられた３個の連通孔（連通路）により同時に連通され、ガスポンプ２２から送られる改質ガス燃料を熱交換部１６を介して改質部１３に、水ポンプ２４から送られる純水を蒸発器１５に、エアポンプから送られるＣＯ選択酸化エアをＣＯ選択酸化部１８に同時に送出するようにしてもよい。
【００３１】
上記実施の形態の弁装置４３では、ボール弁体４７には、ボール弁体４７が閉鎖位置に回動されると、弁孔４６の内周面で閉鎖され、起動運転位置に回動されると、第１流入路４９ａと第２流出路５０ｂ、第２流入路５０ａと第１流出路４９ｂを連通し、通常運転位置に回動されると、第１流入路４９ａと第１流出路４９ｂ、第２流入路５０ａと第２流出路５０ｂとを連通する一対の連通孔５１，５２が穿設されているが、図６に示すように、ボール弁体４７に連通孔５１と同じ位置で外周面に開口し、連通孔５２の外周面への開口と僅かな間隔をおいて外周面に開口する連通孔５７を穿設してもよい。連通孔５７の穿設により、ボール弁体４７を起動運転位置から第１、第２流入路４９ａ，５０ａと第１、第２流出路４９ｂ，５０ｂとが連通を開始する直前の位置まで短時間で回動すると、第１流入路４９ａと第２流出路５０ｂとが連通孔５７を介して連通される状態となり、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスの燃焼部１４へのバイパスが継続される。その後、ボール弁体４７の適宜速度の回動につれて第１流入路４９ａと第１流出路４９ｂ、および第２流入路５０ａと第２流出路５０ｂの各連通面積が漸増するとともに、第１流入路４９ａと第２流出路５０ｂとの連通面積が漸減する。これにより、起動運転から通常運転への切替え時に改質装置１２と燃料電池１１の改質ガス導入口との間の連通面積およびオフガス導出口と燃焼部１４との間の連通面積を漸増し、連通孔５７を経由した改質装置１２と燃焼部１４との間の連通面積を漸減した後に遮断するので、一時的にアノードオフガスの流れが止ることによりバーナ２１の失火、または、燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制できる。
【００３２】
上記実施形態では、弁装置２７，４３の弁体を球状のボール弁体としたが、弁体は、回転軸線回りの回転体で断面円形の弁体であればよい。
【００３３】
上記実施形態では、ボール弁体３１に２個の連通孔３５，３６を穿設しているが、弁体が連通位置に回動されると、流入路３３ａと流出路３３ｂ、流入路３４ａと流出路３４ｂとを同時に夫々連通する２個の半円状の連通溝を、球形または円筒形の弁体の外周面に弁体の回転軸線方向に離間して回転軸線と直角な平面内で夫々刻設してもよい。また、上記実施形態では、ボール弁体４７に一対の連通孔５１，５２を穿設しているが、弁体が起動運転位置に回動されると、第１流入路４９ａと第２流出路５０ｂ、第２流入路５０ａと第１流出路４９ｂを連通し、通常運転位置に回動されると、第１流入路４９ａと第１流出路４９ｂ、第２流入路５０ａと第２流出路５０ｂとを連通する一対の円弧状の連通溝を、球形または円筒形の弁体の外周面に弁体の回転軸線と直角な平面内に刻設してもよい。
【００３４】
上記実施形態において改質装置は、供給された改質用燃料ガスと水蒸気とを改質して改質ガスを生成するものであるが、改質用燃料ガスであるメタノールを改質して改質ガスを生成する改質装置を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概要を示す概要図。
【図２】燃料電池システムに用いる弁装置を示す図。
【図３】ボール弁体が遮断位置に回動された弁装置の横断面図。
【図４】燃料電池システムに用いる他の弁装置を示す図。
【図５】他の弁装置のボール弁体が各位置に回動した状態を示す図。
【図６】他の弁装置の第２の実施形態の横断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１１…燃料電池、１２…改質装置、１３…改質部、１４…燃焼部、１５…蒸発器、１６…熱交換部、１７…ＣＯシフト部、１８…ＣＯ選択酸化部、１９…反応室、２０…加熱室、２１…バーナ、２２…ガスポンプ、２３…エアポンプ、２４…水ポンプ、２５…改質用燃料ガス流路、２６…エア流路、２７，４３…弁装置、２８，４４…弁ハウジング、２９，４５…シート部材、３０，４６…弁孔、３１，４７…ボール弁体、３２，４８…回転軸線、３３，３４，４９，５０…流路、３３ａ，３４ａ，４９ａ，５０ａ…流入路、３３ｂ，３４ｂ，４９ｂ，５０ｂ…流出路、３５，３６，５１，５２，５７…連通孔（連通路）、３７,５３…弁軸、３８,５４…減速機構、３９,５５…モータ、４０，５６…捩りコイルバネ、４１…改質ガス流路、４２…オフガス流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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