(57)【要約】      （修正有）【課題】改質器に対して供給される燃料ガスのガス流量に対応して、水量を計測する流量計を用いることなく、水量を正確に供給して効率良く改質を行うことのできる燃料電池システムを供給する。【解決手段】燃料ガスを改質器７で水蒸気改質を行って水素リッチガスに変換し、この水素リッチガスを燃料電池本体１へ供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、前記改質器７へ水を供給するためのポンプ２７は、当該ポンプ２７を駆動するモータの回転数と水の吐出量とが比例関係にあるポンプで、プランジャーポンプである。そして、前記改質器７へ供給する燃料ガス量を検出するためのガス流量センサ１７と、このガス流量センサ１７の検出値に対応して前記モータの回転数を制御するためのコントローラ３３とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを改質器で水蒸気改質を行って水素リッチガスに変換し、この水素リッチガスを燃料電池本体へ供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、前記改質器へ水を供給するためのポンプは、当該ポンプを駆動するモータの回転数と水の吐出量とが比例関係にあるポンプであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記ポンプは所定の容積の流体を吸入、吐出する容積型ポンプであ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又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記改質器へ供給する燃料ガス量を検出するためのガス流量センサと、このガス流量センサの検出値に対応して前記モータの回転数を制御するためのコントローラとを備えている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、例えば一般住宅向けに電気の供給，給湯等を行うことのできる燃料電池システムに係り、さらに詳細には、都市ガス等のごとき燃料ガスを改質器において水蒸気改質を行うとき、前記改質器に供給される燃料ガスの流量に対応しての水の供給量を高精度に制御することのできる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、天然ガス，都市ガス，プロパンガス等の燃料ガスを水蒸気改質して水素リッチガスに変換する場合、燃料ガスと水蒸気とを混合して改質器へ供給し、加熱した触媒上で改質反応が行われている。このように水蒸気改質を行う場合、効率よく水素リッチガスをつくるには性能の良い触媒を使用することは勿論のこと、改質器に投入する水蒸気量を適正量に制御する必要がある。
【０００３】
ところで、前記改質器へ供給する水蒸気は水蒸気発生器において発生されており、この水蒸気発生器に対する水の供給は、例えば渦巻ポンプ等の一般的なポンプによって行われている。前記蒸気発生器から改質器への水蒸気の供給量、換言すれば、蒸気発生器に対する水の供給量は、燃料電池本体の出力電力に対応して制御されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第２７１０１２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に記載の構成は、蒸気発生器へ水を供給するポンプと前記蒸気発生器との間に、上流側から流量調整弁、流量検出器を順次配置した構成である。そして、出力電力計によって燃料電池本体の出力電力を検出し、この出力電力に対応した水供給量を関数発生器により算出し、水の供給量を上記算出結果に一致するように、前記流量検出器の検出値と前記算出結果とをコントローラで比較して、前記流量調整弁の開度を制御しているものである。
【０００５】
すなわち、従来の構成においては、ポンプの他に高価な流量検出器及び流量調整弁を必要とするものであって、全体的構成が複雑化すると共に、構成の簡素化，小型化を図る上において問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、燃料ガスを改質器で水蒸気改質を行って水素リッチガスに変換し、この水素リッチガスを燃料電池本体へ供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、前記改質器へ水を供給するためのポンプは、当該ポンプを駆動するモータの回転数と水の吐出量とが比例関係にあるポンプであることを特徴とするものである。
【０００７】
また、燃料電池システムにおいて、前記改質器へ供給する燃料ガス量を検出するためのガス流量センサと、このガス流量センサの検出値に対応して前記モータの回転数を制御するためのコントローラとを備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ポンプを駆動するモータの回転数と水の吐出量とが比例関係にあるポンプを使用して水の供給を行うものであるから、ポンプの回転数を制御することにより、水の吐出量は一義的に制御されるものである。したがって、流量検出器や流量調整弁が不要となり、全体的構成の簡素化を図ることができ、前述したごとき従来の問題を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照するに、本発明の実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池本体１を備えている。この燃料電池本体１は、高分子電解質膜（イオン交換膜）の一側に燃料極触媒層（燃料極）を備え、他側に空気極触媒層（空気極）を備えた単セルを複数積層して燃料電池スタックに構成してある。この燃料電池本体１においては直流の電気が発生するので、例えばインバータ等のごとき電力変換装置３を介して交流に変換される。また、前記燃料電池本体１において発生した水や冷却のために使用された水の一部は貯湯タンク５に貯留されて給湯に供されるものである。
【００１０】
また、前記燃料電池システムには、例えば天然ガス，都市ガス，プロパンガス等の燃料ガスを水素リッチガスに交換するために、改質器７が備えられている。この改質器７は、燃料ガス供給源９から供給される燃料ガスと水タンク１１から供給された水を加熱して発生した水蒸気との混合ガスを、改質触媒上で水蒸気改質反応を行わせ、いわゆる水蒸気改質を行うものである。この改質器７には、内装した改質触媒を加熱すると共に前記水タンク１１から供給された水（純水）を加熱蒸発するための加熱手段１３が備えられている。なお、前記改質触媒は通常の触媒と同様の触媒であるから、触媒についての詳細な説明は省略する。
【００１１】
前記加熱手段１３は、前記燃料電池本体１において発電に使用されることなく排出された燃料極オフガスを燃焼すること、及び／又は前記燃料ガス供給手段９から供給される燃料ガスを燃焼することによって、改質触媒の加熱、水の加熱蒸発を行うものである。
【００１２】
前記燃料ガス供給源９から前記改質器７へ燃料ガスを供給するために、燃料ガス供給源９と改質器７はガス流路１５を介して接続してあり、このガス流路１５には、燃料ガスの流量を検出するためのガス流量センサ１７が設けられている。また、上記ガス流路１５には、燃料ガスに添加されている微量の硫黄化合物を除去するための脱硫器（図示省略）が備えられている。また、前記燃料ガス供給源９と前記加熱手段１３はガス流路１９を介して接続されてあり、このガス流路１９には燃料ガスの流量を調整するための流量調整弁２１が備えられている。
【００１３】
前記加熱手段１３の加熱によって水蒸気を発生するために、前記改質器７の蒸気発生部２３と前記水タンク１１は水流路２５を介して接続してあり、この水流路２５にはポンプ２７が配置してある。このポンプ２７は、後述するように、当該ポンプ２７を駆動するためのモータの回転数と水の吐出量とが比例するように構成してある。
【００１４】
前記燃料電池本体１の空気極に対して空気の供給を行うために、ブロワー等のごとき送風器２９が設けてあり、この送風器２９と燃料電池本体１の空気極及び前記加熱手段１３は空気流路３１を介して接続してある。
【００１５】
前記改質器７に対する前記燃料ガスの供給量に対応して、前記蒸気発生部２３に対する水の供給量を制御するために、コントローラ３３が備えられている。このコントローラ３３は、前記ガス流量センサ１７の検出値に対応してポンプ２７に備えたモータの回転数を制御するもので、例えば、前記ガス流量センサ１７の検出値とモータの回転数，すなわち水の吐出量との関係を予めデータベース化して備えている。したがって、前記ガス流量センサ１７によってガス流量が検出されると、この検出値に対応してポンプ２７の吐出量が一義的に制御されるものである。
【００１６】
前記改質器７には一酸化炭素除去処理手段３５が備えられている。この一酸化炭素除去処理手段３５は、改質器７においての水蒸気改質反応により発生したＣＯを除去するためのものであって、シフト触媒によりシフト反応を行うＣＯ変成器及びＣＯ選択酸化触媒によりＣＯ選択酸化反応を行うＣＯ除去器を備えるものである。
【００１７】
以上のごとき構成において、燃料ガス供給源９から改質器７へ燃料ガスを供給すると共に水タンク１１内の水をポンプ２７により蒸気発生部２３へ供給し、加熱手段１３の加熱によって蒸発した蒸気と前記燃料ガスとを混合すると、改質器７に備えた改質触媒上で水蒸気改質反応が行われ、水素リッチガスに改質される。そして、この水素リッチガスに含まれるＣＯは、一酸化炭素除去処理手段３５によって除去される。
【００１８】
ＣＯが除去された水素ガスが燃料電池本体１の燃料極へ供給されると共に送風器２９の作用によって前記燃料電池本体１の空気極へ空気が供給され、水素と酸素との発応によって水が生成される際に発電が行われる。そして、電力変換装置３を介して電力の供給が行われると共に、燃料電池本体１において発生した水，冷却に使用された水が貯湯タンク５に貯留されて給湯に供されるものである。
【００１９】
前述のごとく、燃料ガス供給源９から改質器７へ燃料ガスの供給を行うとき、燃料ガスの供給量はガス流量センサ１７によって検出される。このガス流量センサ１７の検出値はコントローラ３３に取り込まれ、コントローラ３３においては前記ガス流量の検出値に対応してポンプ２７の回転を制御する。したがって、前記蒸気発生部２３に対して、ガス流量に対応した水が供給されることになる。
【００２０】
よって、改質器７に対する燃料ガスの供給量が変化した場合であっても、燃料ガスの供給量に対して水を過不足なく供給することができ、常に効率よく水蒸気改質を行うことができるものである。換言すれば、燃料電池本体１の出力電力に応じて水素リッチガスの改質を効率良く行い得るものである。
【００２１】
前記ポンプ２７は、所定の容積の流体を吸入、吐出する容積型ポンプであり、本例においては、図２に示すように、プランジャポンプを一例として例示する。ポンプ２７は、ポンプハウジング４１を備えており、このポンプハウジング４１には回転制御を容易に行うことのできる適宜の制御モータ４３が装着してある。前記ポンプハウジング４１の内部は、ダイアフラム４５によって駆動系室４７Ａとポンプ室４７Ｂとに区画してあり、前記駆動系室４７Ａには前記モータ４３の回転軸４９が内方向に突出配置してある。この回転軸４９には偏心カム５１が一体的に取付けてあり、この偏心カム５１の外周には例えばニードルベアリングのごとき回転体５３が回転自在に備えられている。
【００２２】
前記ポンプハウジング４１のポンプ室４７Ｂには、当該ポンプハウジング４１の段部との間に前記ダイアフラム４５の外周縁を挾持した大略円筒形状のシリンダ５５が嵌合固定してある。このシリンダ５５には、プランジャ５７を往復動自在に嵌合したプランジャ嵌合孔５９が形成してあり、このプランジャ嵌合孔５９は、当該プランジャ嵌合孔５９の軸方向に対して直交する方向に開口した吸入口６１を介して前記水タンク１１に接続してある。
【００２３】
上記プランジャ嵌合孔５９の内面とプランジャ５７の外表面は防錆対策としてＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理してあり、両者間の微少間隙はほぼ２〜２０μｍに設定してある。したがって、耐摩耗性，耐食性が向上して長寿命になると供にプランジャ５７の往復動によって水の吐出を行うとき、漏洩がなく、定流量の吐出を高精度に行うことができるものである。
【００２４】
前記プランジャ５７は一端側（図２において上端側）が開口した内孔６３を備えたパイプ状に形成してあり、このプランジャ５７の他端側は前記ダイアフラム４５と一体的に連結してある。そして前記プランジャ５７の他端部は前記回転体５３の外周面に当接してある。上記プランジャ５７の他端部を前記回転体５３の外周面に押圧付勢するために、前記プランジャ５７に設けた軸方向の長孔５７Ａを相対的に摺動自在に貫通して両端部を前記シリンダ５５に固定した固定部材６５と前記内孔６３の底部との間に、コイルスプリング等のごとき弾性部材６７が弾装してある。
【００２５】
したがって、前記プランジャ５７は弾性部材６７の作用によって前記回転体５３の方向へ常に押圧付勢されており、このプランジャ５７の他端部は前記回転体５３の外周面に常に当接した状態に保持されるものである。
【００２６】
前記シリンダ５５は、ボルト等のごとき固定具を介して前記ポンプハウジング４１に固定したキャップブロック６９によって前記ポンプハウジング４１に固定されている。このキャップブロック６９は吐出口７０を備えた構成であって、このキャップブロック６９と前記シリンダ５５との間には、一方向へのみの水の流れを許容するバルブ手段が設けられている。
【００２７】
すなわち、前記ポンプハウジング４１の前記プランジャ５７の一端側（開口端側）にはリング状の第１バルブシート７１が設けてある。そして、この第１バルブシート７１と前記プランジャ５７の開口端との間には、水の一方向（図２において上方向）への流出は許容するが逆方向への水の流れを阻止する作用をなす吸入バルブ７３が前記プランジャ５７の往復動に追従して移動自在に設けてあり、この吸入バルブ７３と前記第１バルブシート７１との間には、吸入バルブ７３をプランジャ５７側へ押圧付勢するコイルスプリング等のごとき弾性部材７５を介在してある。
【００２８】
さらに、前記シリンダ５５内には、前記キャップブロック６９によって位置を規制されたリング状の第２バルブシート７７が前記第１バルブシート７１から離隔して備えられており、この第１バルブシート７１と第２バルブシート７７との間には、前記吸入バルブ７３と同様の吐出バルブ７９が移動自在に内装されている。そして、前記吐出バルブ７９と前記第２バルブシート７７との間には、吐出バルブ７９を第１バルブシート７１へ押圧付勢するコイルスプリング等のごとき弾性部材８１が弾装されている。
【００２９】
以上のごとき構成において、モータ４３を駆動して回転軸４９を回転すると、偏心カム５１が一体的に回転するので、回転体５３は、図２において上下方向に変位することになる。前記プランジャ５７が、図２に示すように、最上昇された状態にあるとき、前記回転軸４９の回転により回転体５３が下方向へ変位すると、弾性部材６７の作用によってプランジャ５７が一体的に下方向へ移動することになる。
【００３０】
上述のように、プランジャ５７が図２において下方向へ移動すると、吸入バルブ７３も、弾性部材７５の作用によって一体的に下降する。吸入バルブ７３が下降すると、吸入バルブ７３と吐出バルブ７９との間の空間部（ポンプ室）８３が負圧になるので、水タンク１１内の水は、吸入口６１、プランジャ５７に設けた貫通孔５７Ｈ，内孔６３を介して前記ポンプ室８３内へ流入する。次に、前記回転軸４９の回転によりプランジャ５７が、図２において上方向へ移動すると、前記ポンプ室８３内の水は加圧され、弾性部材８１に抗して吐出バルブ７９を開くので、吐出口７０へ流出される。
【００３１】
すなわち、前記ポンプ２７においては、モータ４３の駆動によって回転軸４９を回転すると、この回転軸４９の回転に対応してプランジャ５７が往復動される。したがって、前記ポンプ２７からの水の吐出量は、プランジャ５７が往復動する穴の断面積×プランジャ５７のストローク×モータ４３の回転数でもって確定されるものである。よって、前記モータ４３の回転数を制御することにより、ポンプ２７からの水の吐出量を正確に制御することができるものである。
【００３２】
以上のごとき説明より理解されるように、燃料電池システムにおいて、改質器７に対して水の供給を行うためのポンプ２７として、当該ポンプ２７を駆動するモータ４３の回転数と水の吐出量とが比例関係にあるプランジャポンプを使用したので、前記改質器７に対して供給される燃料ガスの流量に対応して水を正確に供給することができる。すなわち、燃料電池本体１の出力電力に対応して水素リッチガスの改質を効率良く行い得るものであり、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。
【００３３】
なお、本発明は、プランジャポンプとして、前述したごとき構成のプランジャポンプに限るものではなく、例えばプランジャを対向する位置などの複数箇所に備えた構成として、両プランジャが交互に往復動する構成とすることも可能である。また、プランジャポンプに限らず、ダイヤフラム式ポンプ、歯車ポンプ等の容積型ポンプを使用することも可能である。すなわち種々の型式の容積型ポンプを使用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を概念的、概略的に示したブロック図である。
【図２】プランジャポンプの主要部を示す断面説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    燃料電池本体
９    燃料ガスの供給源
１１    水タンク
１３    加熱手段
１７    ガス流量センサ
２１    流量調整弁
２７    ポンプ
３３    コントローラ
４１    ポンプハウジング
４３    制御モータ
４９    回転軸
５１    偏心カム
５３    回転体
５５    シリンダ
５７    プランジャ
６１    吸入口
７０    吐出口
７３    吸入バルブ
７９    吐出バルブ
【図１】
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【図２】
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