(57)【要約】【課題】本発明は、起動時の脱硫器出口即ち改質器入口の成分を安定させるとともに、起動時間の短縮を可能とすることを目的とする。【解決手段】原燃料タンク２１と、脱硫器２６，改質器バーナ２９を有した改質器３０，ＣＯ変成器３３，ＣＯ除去器３４，蒸気発生器３１及び気化器３２を備えた燃料処理システム２２と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、燃料処理システム２２の脱硫器出口に、脱硫燃料を気層と液層に分離する脱硫燃料タンク２７を配置するとともに、この脱硫燃料タンク２７の気層部分と改質器３０の改質器バーナ２９とを接続する導入ライン２８を配置したことを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、
燃料処理システムの脱硫器出口に、脱硫燃料を気層と液層に分離する脱硫燃料タンクを配置するとともに、この脱硫燃料タンクの気層部分と改質器の改質器バーナとを接続する導入ラインを配置したことを特徴とする液体燃料の燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器に接続する，気体燃料を収容したバックアップ燃料ボンベと、このバックアップ燃料ボンベの出口に接続された吸着式脱硫器を更に備え、バックアップ燃料による発電を可能にしたことを特徴とする請求項１記載の液体燃料の燃料電池システム。
【請求項３】
バックアップ燃料ボンベの気体燃料は、改質器の初期の昇温時に用いることを特徴とする請求項２記載の液体燃料の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギー、ＣＯ２排出量削減等への関心の高まりから、燃料電池発電装置が開発され、車載用、定置分散電源への適用が進んできている。これらの燃料電池発電システムは、燃料として、純水素を直接用いる場合や、都市ガス、プロパンガス等の気体燃料あるいは、メタノール、ガソリン、灯油等の液体燃料を改質し、水素を取り出して発電を行う。これら燃料の中で、車載用の原燃料としては、ボンベに充填した純水素や、メタノール、ガソリン等の液体燃料を用いる場合が多い。一方、定置用の場合は、都市ガス等の気体燃料の他、常温で液体であり、取り扱いが容易な灯油等が用いられている。これら燃料の中で、液体燃料は硫黄の含有量が多く、燃料処理系の改質触媒等が硫黄により被毒することを防ぐため、脱硫器により硫黄を除去してから、脱硫燃料を燃料処理系に供給することが一般的である（例えば特許文献１）。
【０００３】
図４は、従来の液体燃料の燃料電池システムのブロック構成図を示す。  
燃料電池システムは、主に、原燃料タンク１と、燃料処理システム2と、燃料電池スタック３と、冷却水・水処理系４と、空気供給系５からなる。燃料処理システム２は、脱硫器6と、気化器７と、蒸発発生器８と、改質器バーナ9を備えた改質器１０と、ＣＯ変成器１１とＣＯ除去器１２を備えている。原燃料は、原燃料タンク１からポンプ１３により加圧され、脱硫器6へ供給される。改質器出口ラインは、ＣＯ変成器１１とＣＯ除去器１２を通り、燃料電池スタック3へ接続されている。
【０００４】
燃料電池スタック３は、燃料極１４と、空気極１５と、冷却部１６からなる。燃料極１３の出口ラインは、改質器バーナ９に接続されている。空気極１５へは、空気供給系５から空気供給ブロワ１７により空気が供給される。同時に、改質器バーナ9及びＣＯ除去器１２へも空気を供給している。冷却部１６は、冷却水・水処理系４との間を循環しており、空気極出口ガスが接続され、水の回収を行う。更に、蒸気発生器８への水供給ラインを持つ。なお、図中の符番１８，１９はポンプを示す。
【特許文献１】特開２００５−３４６９８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、脱硫器６へは、所定の温度条件になったところで液体原燃料を導入するが、運転初期においてはメタン等の低留点成分が気体として析出する。しかし、脱硫器６出口の脱硫燃料，即ち改質器１０入口へ導入される成分が一定の時間は安定しないため、燃料電池スタック３の燃料極１４へ供給される水素の量が不安定となる。その結果、燃料電池システムの運転が不安定となるので、成分が安定するまで発電を開始できないという問題があった。
【０００６】
本発明は、起動時の脱硫器出口即ち改質器入口の成分を安定させるとともに、起動時間の短縮を可能とする液体燃料の燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の様態による液体燃料の燃料電池システムは、原燃料タンクと、脱硫器，改質器バーナを有した改質器，ＣＯ変成器，ＣＯ除去器，蒸気発生器及び気化器を備えた燃料処理システムと、燃料電池スタックと、冷却水・水処理系と、空気供給系とを備えた液体燃料の燃料電池システムにおいて、燃料処理システムの脱硫器出口に、脱硫燃料を気層と液層に分離する脱硫燃料タンクを配置するとともに、この脱硫燃料タンクの気層部分と改質器の改質器バーナとを接続する導入ラインを配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、起動時の脱硫器出口即ち改質器入口の成分を安定させるとともに、起動時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明に係る液体燃料の燃料電池システムについて詳細に説明する。  
上述したように、脱硫器の出口側に、脱硫燃料を気層と液層に分離する脱硫燃料タンクを配置するとともに、この脱硫燃料タンクの気層部分と改質器の改質器バーナとを接続する導入ラインを配置した構成にすることにより、脱硫器出口で脱硫燃料を気層と液層に分離することが可能であり、改質器へ導入される脱硫燃料は液層部分から供給される。そのため、成分が安定しており、改質ガス即ち燃料電池スタックへ供給されるガスの成分が安定するため、安定した発電が可能である。また、停止時に、脱硫燃料タンクに脱硫燃料を一定量以上貯蔵した状態で停止することにより、再起動時に、脱硫に要する時間を短縮することが可能である。
【００１０】
本発明において、前記改質器に接続する，気体燃料を収容したバックアップ燃料ボンベと、このバックアップ燃料ボンベの出口に接続された吸着式脱硫器を更に備えることが好ましい。これにより、液体燃料が脱硫燃料タンクに貯まるまでの期間、バックアップ燃料ボンベの気体燃料を用いて発電を開始することができ、起動時間を短縮できる。なお、バックアップ燃料ボンベによる発電は、液体脱硫燃料が貯まるまでの短時間であることから、吸着式脱硫器の容量を比較的小型にすることができる。また、液体燃料が何らかの原因で停止した場合、バックアップ燃料ボンベからの燃料へ切り替えることにより、燃料電池スタックの発電を継続することができる。
【００１１】
本発明において、バックアップ燃料ボンベの気体燃料は、改質器の初期の昇温時に用いることが好ましい。これにより、液体燃料を改質器バーナで燃焼させる必要がなく、液体燃料を改質器バーナに供給するためのポンプが不要になる等、システムの簡素化が可能である。また、気体燃料を用いることにより、バーナ部のコーキング汚れや、煤煙発生防止対策が簡素化できる。
【００１２】
次に、本発明の具体的な実施例について図面を参照して説明する。  
（実施例１）（請求項１に対応）  
図１を用いて本発明の実施例１について説明する。  
燃料電池システムは、主に、原燃料タンク２１と、燃料処理システム２２と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５からなる。燃料処理システム２２は、原燃料タンク２１とポンプ３５を介して接続する脱硫器２6と、この脱硫器２６の出口側に配置された脱硫燃料タンク２７と、この脱硫燃料タンク２７と導入ライン２８を介して接続する改質器バーナ２９を有した改質器３０と、蒸気発生器３１と、気化器３２と、ＣＯ変成器３３と、ＣＯ除去器３４を備えている。原燃料は、原燃料タンク２１からポンプ３５により加圧され、脱硫器２6へ供給される。
【００１３】
脱硫燃料タンク２７によって、脱硫燃料は気層と液層に分離され、気層部分からは改質器バーナ２９への導入ライン２８が接続される。液層部分からは気化器３２を介して蒸気発生器３１からの水蒸気と混合されて、改質器３０へ導入される。改質器出口ラインは、ＣＯ変成器３３とＣＯ除去器３４を通り、燃料電池スタック２３へ接続されている。
【００１４】
燃料電池スタック２３は、燃料極３６と、空気極３７と、冷却部３８からなる。燃料極３６の出口ラインは、改質器バーナ２９に接続されている。空気極３７へは、空気供給系２５から空気供給ブロワ３９により空気が供給される。同時に、改質器バーナ２９及びＣＯ除去器３４へも空気を供給している。冷却部３８は、冷却水・水処理系２４との間を循環しており、空気極出口ガスが接続され、水の回収を行う。更に、蒸気発生器３１への水供給ラインを持つ。なお、図中の符番４０，４１，４２はポンプを示す。
【００１５】
こうした構成の燃料電池システムの作用は次のとおりである。  
燃料電池起動時は、燃料処理システム２２を、バーナ、電気ヒータ等により昇温を開始し、改質触媒等の各触媒を適正な運転温度まで昇温し、昇温が完了した時点で原燃料を導入する。脱硫器２６出口の脱硫燃料タンク２７は、脱硫開始直後に出るメタン等の低留点成分と液体成分を分離することが可能である。気層部分は、ライン２８を通して改質器バーナ２９へ供給され、改質触媒の昇温、改質反応の熱源として使用する。脱硫燃料が貯まった時点で、液層部分を気化器３２において水蒸気と混合して改質器３０へ導入する。脱硫燃料は水蒸気改質され、水素リッチなガスとなる。
【００１６】
改質ガス中の一酸化炭素は、ＣＯ変成器３３及びＣＯ除去器３４を通して一酸化炭素濃度を低下させ、燃料電池スタック２３の燃料極３６へ供給される。燃料電池スタック２３では、改質ガス中の水素と空気極３７に供給された空気中の酸素が電気化学反応により、直流電力と水が発生する。直流電流は、図示しない電力変換装置により交流電力へ変換され、電力として利用される。燃料電池スタック２３で消費されなかった水素は、燃料極出口ラインを通して改質器バーナ２９へ供給され、改質反応に必要な熱源として利用される。直流電力発生の電気化学反応時に発生する熱は、冷却部３８を循環する冷却水を通して、冷却水・水処理系２４において回収され、図示しない貯湯槽等に蓄えられ利用される。
【００１７】
実施例１による燃料電池システムによれば、脱硫器２６の出口側に、脱硫燃料を気層と液層に分離する脱硫燃料タンク２７を配置するとともに、この脱硫燃料タンク２７の気層部分と改質器３０の改質器バーナ２９とを接続する導入ライン２８を配置した構成になっている。従って、脱硫器出口で脱硫燃料を気層と液層に分離することが可能であり、改質器３０へ導入される脱硫燃料は液層部分から供給される。そのため、成分が安定しており、改質ガス即ち燃料電池スタック２３へ供給されるガスの成分が安定するため、安定した発電が可能である。また、停止時に、脱硫燃料タンク２７に脱硫燃料を一定量以上貯蔵した状態で停止することにより、再起動時に、脱硫に要する時間を短縮することが可能である。なお、脱硫燃料タンク２７の気層部はライン２８により改質器バーナ２９へ供給されるので、改質器３０の昇温に有効に利用される。
【００１８】
（実施例２）（請求項２に対応）  
図２を用いて本発明の実施例２の燃料電池システムについて説明する。但し、図1と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
燃料電池システムは、主に、原燃料タンク２１と、燃料処理システム２2と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５と、バックアップ燃料ボンベ５１からなる。バックアップ燃料ボンベ５１から改質器３０へのラインと気化器３２から改質器３０へのラインが交差する部分には、図示しない切り替え弁が配置されている。バックアップ燃料ボンベ５１には、ＬＰＧ等の気体燃料が収容されている。バックアップ燃料ボンベ５１の出口には吸着式脱硫器５２が接続され、脱硫後の燃料ガスは蒸気発生器３１からの水蒸気と混合されて、改質器３０に導入される。
【００１９】
こうした構成の燃料電池システムの作用は、次のとおりである。即ち、燃料電池起動時は、燃料処理システム２２をバーナ、電気ヒータ等により昇温を開始し、改質触媒等の各触媒を適正な運転温度まで昇温し、昇温が完了した時点で、原燃料を導入する。しかし、脱硫燃料が貯まるまでの期間、バックアップ燃料ボンベ５１から気体燃料を供給して、発電を開始することが可能である。発電開始後、脱硫燃料タンク２７に十分な脱硫燃料が貯まった時点で、液体の脱硫燃料を導入し、同時にバックアップ燃料の供給を停止する。
【００２０】
実施例２によれば、液体燃料が脱硫燃料タンク２７に貯まるまでの期間、バックアップ燃料ボンベ５１の気体燃料を用いて発電を開始することが可能であり、起動時間を短縮できる。なお、バックアップ燃料ボンベ５１による発電は、液体脱硫燃料が貯まるまでの短時間であることから、吸着式脱硫器５２の容量を比較的小型にすることができる。また、本発明においては、液体燃料が何らかの原因で停止した場合、バックアップ燃料ボンベ５１からの燃料へ切り替えることにより、燃料電池スタック２３の発電を継続することができる。
【００２１】
（実施例３）（請求項３に対応）  
図３を用いて実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。但し、図1、図２と同部材は同符番を付して説明を省略する。  
燃料電池システムは、主に、原燃料タンク２１と、燃料処理システム２2と、燃料電池スタック２３と、冷却水・水処理系２４と、空気供給系２５と、バックアップ燃料ボンベ５１からなる。本実施例では、改質器バーナ２９への液体燃料ラインの代わりに、バックアップボンベ５１の気体燃料を改質器バーナ２９へ供給している。
【００２２】
こうした構成の燃料電池システムの作用は、次のとおりである。即ち、燃料電池起動時は、燃料処理システム２２を、バーナ、電気ヒータなどにより昇温を開始するが、改質器３０は、バックアップ燃料ボンベ５１の気体燃料を用いて昇温する。
【００２３】
実施例３によれば、液体燃料を改質器バーナ２９で燃焼させる必要がなく、液体燃料を改質器バーナ２９に供給するためのポンプが不要になる等、システムを簡素化できる。また、気体燃料を用いることにより、バーナ部のコーキング汚れや、煤煙発生防止対策を簡素化できる。その他、液体燃料を全く用いずに、起動、発電開始が可能である。従って、非常時等に、液体燃料が供給できなくなった場合にバックアップ燃料ボンベ５１の気体燃料を用いて、発電を開始して電力と熱を使用することができる。
【００２４】
本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、その実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、実施例１〜３においては、水蒸気改質の例であるが、改質器の方式をオートサーマル式改質器や、部分酸化式改質器とすることができる。また、実施例２，３において、バックアップ燃料ボンベを用いた場合について述べたが、都市ガスラインを直接接続してもよい。その他、本発明の燃料処理システムは、燃料電池スタックの方式によらず、適用が可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は本発明の実施例１に係る液体燃料の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図２】図２は本発明の実施例２に係る液体燃料の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図３】図３は本発明の実施例３に係る液体燃料の燃料電池システムのブロック構成図である。
【図４】図４は従来の液体燃料の燃料電池システムのブロック構成図である。
【符号の説明】
【００２６】
２１…原燃料タンク、２２…燃料処理システム、２３…燃料電池スタック、２４…冷却水・水処理系、２５…空気供給系、２６…脱硫器、２７…脱硫燃料タンク、２８…導入ライン、２９…改質器バーナ、３０…改質器、３１…蒸気発生器、３２…気化器、３３…ＣＯ変成器、３４…ＣＯ除去器、５１…バックアップ燃料ボンベ、５２…吸着式脱硫器。
【図１】
2008218227.tif 000003
【図２】
2008218227.tif 000004
【図３】
2008218227.tif 000005
【図４】
2008218227.tif 000006