(57)【要約】【課題】信頼性の高い燃料電池装置を提供する。【解決手段】水蒸気改質を行う改質器と、改質器に原燃料を供給する原燃料供給ラインと、原燃料供給ライン上に位置するガスポンプと、ガスポンプよりも上流側に位置する上流側電磁弁と、ガスポンプと改質器との間に位置する下流側電磁弁と、を備える燃料電池装置であって、上流側電磁弁および下流側電磁弁の少なくとも一方が、ガスの流過する部位が樹脂製の電磁弁であることを特徴とする。【選択図】図１
2018032475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気改質を行う改質器と、
前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給ラインと、
前記原燃料供給ライン上に位置するガスポンプと、
前記ガスポンプよりも上流側に位置する上流側電磁弁と、
前記ガスポンプと前記改質器との間に位置する下流側電磁弁と、を備える燃料電池装置であって、
前記上流側電磁弁および前記下流側電磁弁の少なくとも一方が、ガスの流過する部位が樹脂製の電磁弁であることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記下流側電磁弁が、前記ガスの流過する部位が前記樹脂製の電磁弁であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記改質器は、前記原燃料が流入する流入部を備え、
前記下流側電磁弁は、前記流入部よりも上方に配設されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記改質器に水を供給する水供給ラインを備え、
前記原燃料供給ラインと前記水供給ラインとが混合部にて接続され、さらに、前記改質器と混合部とは接続管によって接続されており、
前記原燃料供給ラインは、前記混合部に、その上方から接続され、
前記水供給ラインは、前記混合部に、その下方から接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記水供給ラインには、
前記混合部よりも上流側に位置する分岐ラインと、
前記水供給ラインを流れる水が前記混合部または前記分岐ラインを流れるように切り替える切り替え弁と、がさらに接続され、
前記切り替え弁および前記下流側電磁弁を制御する制御装置を備えるとともに、
前記制御装置は、前記燃料電池装置を停止する場合に、前記下流側電磁弁を閉じるとともに、前記水供給ラインを流れる水が前記分岐ラインを流れるように前記切り替え弁を制御することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常は空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セル、および水素含有ガスを生成するための改質器を収納容器内に収納した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを作動させるための補機などから構成される燃料電池装置の開発が進められている。
【０００３】
特に、都市ガス、メタンガスなどの原燃料を用いる燃料電池装置においては、原燃料の遮断または供給を制御する各種の開閉弁が適宜配設され、金属製の配管に接続されている。特には、原燃料の供給元（たとえば、ガスボンベ）の直後の遮断弁として機能させる電磁弁や、改質器の直前に配設され、改質器から発生した水蒸気の逆流を防ぐための電磁弁など、種々の電磁弁が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５３２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の電磁弁は金属で構成されているので、メンテナンスなどで燃料電池装置を停止させ、電磁弁の取り外し、取り付けを行った際、電磁弁と電磁弁に接続される配管との接続部分同士が金属であることにより接触、衝突によって火花が発生し、供給管内などに残留していた原燃料に引火してしまうおそれがあった。また、改質器に供給された水が高温となって水素リッチな水蒸気となり、この水蒸気が、燃料電池装置を停止させた際に、改質器から逆流して電磁弁の周辺に留まり結露水となって、この結露水によって電磁弁が腐食してしまう場合も生じていた。それゆえ、信頼性の高い燃料電池装置が求められていた。
【０００６】
本発明の目的は、信頼性の高い燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態に係る燃料電池装置は、水蒸気改質を行う改質器と、前記改質器に原燃料を供給する原燃料供給ラインと、前記原燃料供給ライン上に位置するガスポンプと、前記ガスポンプよりも上流側に位置する上流側電磁弁と、前記ガスポンプと前記改質器との間に位置する下流側電磁弁と、を備える燃料電池装置であって、前記上流側電磁弁および前記下流側電磁弁の少なくとも一方が、ガスの流過する部位が樹脂製の電磁弁であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態に係る燃料電池装置によれば、信頼性の高い燃料電池装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池装置の一例の概略を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池用電磁弁の一例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態に係る燃料電池装置の一例について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下で参照する各図には、本実施形態に係る燃料電池装置の一例の構成部材のうち、本実施形態の特徴を説明するための主な構成部材を示している。したがって、本実施形態に係る燃料電池装置は、各図に示されていない周知の構成部材を備えていてもよい。
【００１１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池装置の一例の概略を示す構成図である。図１に示す燃料電池装置１は、都市ガスなどの原燃料を利用し、電気化学反応に基づいて発電を行う装置であり、２連の上流側電磁弁１０、脱硫器２０、ガス流量計３０、ガスポンプ４０、下流側電磁弁５０、混合部６０、切り替え弁６５、水ポンプ７０、燃料電池モジュール８０および制御部９０を備え、制御部９０を除き、各装置は、原燃料の流路である原燃料供給ライン５、水供給ライン７５または接続管７６で接続されている。
【００１２】
制御部９０は、燃料電池装置１全体の制御を行うための構成である。制御部９０は、マイクロコンピュータを有しており、該マイクロコンピュータは、入出力インターフェース、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）を備えている。なお、ＣＰＵは燃料電池装置１の運転に係るプログラムを実行するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。
【００１３】
上流側電磁弁１０は、制御部９０の指示により、ガスボンベ（図示せず）などから供給された原燃料を下流に供給しないように遮断し、または下流の脱硫器２０に供給するように制御を行う。なお、上流側電磁弁１０は、複数個設けられ、図１に示すような２連に限らず３連以上であってもよい。
【００１４】
脱硫器２０は、原燃料中に含まれる硫黄を除去するためのものであり、たとえば、容器に脱硫触媒を充填したものなどを用いることができる。ガス流量計３０は、原燃料供給ライン５を流れる原燃料の流量を計測する。ガスポンプ４０は、制御部９０の指示により、脱硫後の原燃料を下流に圧送する。
【００１５】
ガスポンプ４０は、自身が発する振動を吸収させて他の部品に影響がないように、その前後に振動吸収手段としてキャピラリ（図示せず）を備えている。このキャピラリは、管径の細い配管をコイル状に巻きつけたものである。ガスポンプ４０の後述する改質器８１側のキャピラリは、下から上に向かうように巻き付けられている。これにより、万が一に改質器８１から発生した水蒸気がキャピラリに逆流しても改質器８１側からは配管が下から上に向かって延びているので、キャピラリ内部で水蒸気が結露した結露水がガスポンプ４０に流れ込むのを抑制することができる。
【００１６】
下流側電磁弁５０は、上記の上流側電磁弁１０と同様の構造であり、この構造については後述する。下流側電磁弁５０は、後述する改質器８１の直前に配置されており、制御部９０の指示により改質器８１への原燃料の供給（より具体的には、原燃料の供給圧など）を制御する。さらに、下流側電磁弁５０は、燃料電池装置の停止時に改質器８１から発生した水蒸気の逆流を防ぐ機能も有している。なお、下流側電磁弁５０は、１個に限らず２連以上であってもよい。
【００１７】
改質器８１に原燃料および水を流入させる流入部１００は、改質器８１と下流側電磁弁５０との間に設けられ、原燃料および水を混合する混合部６０と、該混合部６０および改質器８１を接続する接続管７６とを備える。混合部６０は、上方より原燃料供給ライン５が接続され、下方より水供給ライン７５が接続されており、下流側電磁弁５０を介して供給された原燃料と、水供給ライン７５を介して供給された水とを混合する。その後、混合部６０にて混合した原燃料と水とを、接続管７６を介して改質器８１に供給する。また、別の実施形態として、上記の混合部６０を設けることなく、原燃料供給ライン５および水供給ライン７５をそれぞれ別々に改質器８１に接続してもよい。また、水供給ライン７５上に切り替え弁６５を設け、該切り替え弁６５を介して混合部６０に水を供給してもよい。
【００１８】
切り替え弁６５は、制御部９０の指示により、水供給ライン７５を流れる水が、混合部６０側、または混合部６０の上流で水の流れを分岐する分岐ライン６６側のいずれかに流れるように切り替える。
【００１９】
水ポンプ７０は、制御部９０の指示により、水の供給元である水タンク（図示せず）などに貯水された水を、水供給ライン７５を介して混合部６０に圧送する。
【００２０】
燃料電池モジュール８０は、原燃料から水素リッチな改質ガス（水素含有ガス）を生成する改質器８１と、この改質ガスおよび空気（酸素含有ガス）を用いて発電を行うセルスタック８２と、を備える。
【００２１】
改質器８１は、制御部９０の指示により、上記の下流側電磁弁５０を経て、混合部６０（流入部１００）を介して供給された原燃料と、水ポンプ７０を介して供給された水とによって水蒸気改質反応を起こし、水素リッチな燃料ガス（水素含有ガス）の生成を行う。ここで、上記の下流側電磁弁５０は、混合部６０（流入部１００）よりも上方に配設されており、燃料電池装置の停止時に、改質器８１から逆流した水蒸気が混合部６０（流入部１００）を通過して、下流側電磁弁５０内部に到達し結露した場合であっても、水の自重で混合部６０に流れ、結露水が下流側電磁弁５０の周辺に留まることによって生ずる弁閉塞を抑制する。
【００２２】
セルスタック８２は、燃料電池セル（図示せず）の集合体であり、たとえば、複数の燃料電池セルを立設させた状態で一列に配列して構成し、各燃料電池セルは電気的に直列に接続される。ここで、各燃料電池セルは、改質器８１から供給される水素含有ガスと、外部から供給される酸素含有ガスである空気とを用いて、電気化学反応による発電を行う。
【００２３】
なお、上記のように、燃料電池モジュール８０においては改質器８１の水蒸気改質反応を行わせるために、５００℃〜９００℃の高温とする関係上、この燃料電池モジュール８０の直前に配置される下流側電磁弁５０は、この高温環境下で安定して動作し得る耐熱性が要求される。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る燃料電池用電磁弁の一例を模式的に示した断面図である。図２の上流側電磁弁１０は、本実施形態に係る燃料電池用電磁弁の一例であり、ハウジング１１、弁本体１２、電磁コイル１３、可動部材１４、弁体１５および連結部１６を有している。なお、下流側電磁弁５０の構造は、上流側電磁弁１０と同一である。
【００２５】
ハウジング１１は、少なくとも可動部材１４を囲繞する部材であり、酸化鉄、酸化クロム、コバルト、フェライト等の磁性粉末が混合された樹脂で構成されている。図２の例では、ハウジング１１は、可動部材１４と電磁コイル１３を囲繞している。
【００２６】
弁本体（バルブボディ）１２は、少なくとも、原燃料の供給を受ける供給ポート１７と、原燃料を排出する吐出ポート１８とを含み、本実施形態に係る樹脂で構成されている。また、上流側電磁弁１０の供給ポート１７および吐出ポート１８は、それぞれ原燃料供給ライン５と接続されており、下流側電磁弁５０の供給ポート１７および吐出ポート１８も、それぞれ原燃料供給ライン５と接続されている。
【００２７】
電磁コイル１３は、外部の電源（図示せず）に接続されており、予め定められた電圧の供給を受けると、通電によって発生した磁力によって、可動部材１４を一方向（たとえば、ｚ方向）、かつ、所定の位置まで移動させる。
【００２８】
可動部材１４は、上記の電磁コイル１３に通電された場合に、電磁コイル１３によって発生した磁力によって一方向（ｚ方向）、かつ、所定の位置まで移動する。これにより、連結部１６の位置、すなわち弁孔１９の位置が移動し、原燃料が供給ポート１７から吐出ポート１８に流過する。なお、上記のハウジング１１および可動部材１４は、酸化鉄、酸化クロム、コバルト、フェライト等の磁性粉末が混合された樹脂で構成されている。
【００２９】
弁体１５は、上記の可動部材１４に連結され、可動部材１４の変位によって弁孔１９の位置を制御する部材であり、本実施形態に係る樹脂で構成されている。なお、連結部１６は、上記の可動部材１４と弁体１５とを連結する部材である。また、弁孔１９は、上記連結部１６のｚ方向の長さと、可動部材１４または弁体１５における直径と連結部１６における直径との差と、によって形成される空間である。
【００３０】
ここで、上流側電磁弁１０および下流側電磁弁５０の少なくとも一方において、供給ポート１７および吐出ポート１８を含む弁本体１２、可動部材１４、弁体１５および連結部１６など、少なくともガスの流過する部位が樹脂製である。ガスとは、原燃料および改質器８１から逆流した水蒸気等の気体を意味する。具体的には、原燃料および改質器８１から逆流した水蒸気等のガスが流過する部位は、いずれも機械的強度、耐腐食性および耐熱性に優れた樹脂から構成されている。具体的な樹脂としては、例えばポリフェニレンスルファイド（PolyPhenyleneSulfide：ＰＰＳ）などが挙げられる。
【００３１】
この構成により、メンテナンスなどで燃料電池装置１を停止させて上流側電磁弁１０または下流側電磁弁５０の取り外し、取り付けを行った際、接続部となる供給ポート１７および吐出ポート１８とこれらに接続される原燃料供給ライン５とが接触、衝突しても、原燃料の流過する部位である供給ポート１７および吐出ポート１８が樹脂であるために火花が発生することなく、原燃料供給ライン５内に残留していた原燃料への引火を抑制することができる。
【００３２】
また、電磁弁内部の原燃料または水蒸気等のガスが流過する部位が樹脂で構成されていることで、燃料電池装置の停止時に改質器８１から逆流した水蒸気が電磁弁の内部に留まったとしても電磁弁の腐食を回避することができるので、燃料電池装置１の信頼性を維持することができる。
【００３３】
さらに、下流側電磁弁５０が、原燃料または水蒸気が流過する部位が樹脂で構成されている場合には、原燃料または水蒸気が最も多く滞留する改質器８１の直前において引火や腐食のリスクを回避することができ、より信頼性の高い燃料電池装置１を提供することが可能となる。
【００３４】
次に、この燃料電池装置１の構成における動作について説明する。
【００３５】
燃料電池装置１の運転を停止させた時には、制御部９０の指示により、まず下流側電磁弁５０を閉じることにより、改質器８１から逆流した水蒸気の流れを下流側電磁弁５０で止め、下流側電磁弁５０よりも上流側には流れていかないようにする。
【００３６】
また、これと同時に、制御部９０の指示により、水供給ライン７５を流れる水の流れ方向を混合部６０側から分岐ライン６６側に流れるように切り替え弁６５を切り替える。これにより、混合部６０から切り替え弁６５までの間に溜まっていた水が分岐ライン６６へと流れ、この間の水供給ライン７５内には水のない空間ができる。水供給ライン７５は、混合部６０の下方から混合部６０と接続されているので、下流側電磁弁５０で流れを止められた水蒸気が結露した結露水が、その自重により下流側電磁弁５０から混合部６０を経て水供給ライン７５および分岐ライン６６へと下方に向かって流れるので、これにより改質器８１の流入部１００に結露水が流れて溜まることを防ぐことができ、その結果、結露水が改質器に溜まることを防ぐことができる。
【００３７】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池用電磁弁は、従来の金属製の燃料電池用電磁弁に代替し得る、機械的強度、耐腐食性および耐熱性に優れた樹脂に基づいて構成されている。
【符号の説明】
【００３８】
１      燃料電池装置
５      原燃料供給ライン
１０    上流側電磁弁
１１    ハウジング
１２    弁本体（バルブボディ）
１３    電磁コイル
１４    可動部材
１５    弁体
１６    連結部
１７    供給ポート
１８    吐出ポート
１９    弁孔
２０    脱硫器
３０    ガス流量計
４０    ガスポンプ
５０    下流側電磁弁
６０    混合部
６５    切り替え弁
６６    分岐ライン
７０    水ポンプ
７５    水供給ライン
７６    接続管
８０    燃料電池モジュール
８１    改質器
８２    セルスタック
９０    制御部
１００  流入部
【図１】
2018032475.tif 000003
【図２】
2018032475.tif 000004