(57)【特許請求の範囲】
【請求項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バーナと、
前記液体燃料が流通すると共に、前記改質器に接続された改質器ラインと前記バーナに接続されたバーナラインとに分岐された燃料流通ラインと、を備え、
前記改質器ラインには、前記液体燃料を前記改質器に供給する第１ポンプが設けられていると共に、前記バーナラインには、前記液体燃料を前記バーナに供給する第２ポンプが設けられており、
前記燃料流通ラインにおいて前記第１及び第２ポンプの上流側には、前記液体燃料を脱硫する脱硫器が設けられ、
前記改質器ラインにおいて前記第１ポンプの下流側と前記バーナラインにおいて前記第２ポンプの下流側とには、逆止め弁又はオリフィスが前記液体燃料の流通の抵抗となるようにそれぞれ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。
【請求項３】
前記第１及び第２ポンプは、定流量ポンプであ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。
【請求項４】
前記改質器ラインにおいて前記脱硫器の下流側且つ前記第１ポンプの上流側には、前記液体燃料を冷却する冷却器が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。
【請求項５】
前記第１ポンプの下流側から前記第１ポンプの上流側に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又はオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載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、液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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バーナと、改質器及びバーナに導入される液体燃料が流通する燃料流通ラインと、を有するものが知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００６−２４０９５２号公報
【特許文献２】特開２００１−２０２９８２号公報
【特許文献３】特開２００４−３２３２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、家庭用の燃料電池システムの普及に伴い、改質器及びバーナに導入される液体燃料の流量が少ない燃料電池システムが注視されている。しかし、少量の流量を制御するのは一般的に困難であるため、上述したような燃料電池システムにおいては、改質器及びバーナ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強く望まれている。
【０００４】
そこで、本発明は、改質器に導入される液体燃料の流量とバーナに導入される液体流量とを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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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バーナと、液体燃料が流通すると共に、改質器に接続された改質器ラインとバーナに接続されたバーナラインとに分岐された燃料流通ラインと、を備え、改質器ラインには、液体燃料を改質器に供給する第１ポンプが設けられていると共に、バーナラインには、液体燃料をバーナに供給する第２ポンプが設けられており、燃料流通ラインにおいて第１ポンプの上流側には、液体燃料を脱硫する脱硫器が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
この燃料電池システムでは、液体燃料ラインが改質器ラインとバーナラインとに分岐され、改質器ラインには第１ポンプが設けられていると共にバーナラインには第２ポンプが設けられている。そのため、改質器及びバーナに必要する各流量に合わせて、第１ポンプ及び第２ポンプをそれぞれ設定することができると共に、改質器及びバーナに導入される液体燃料の各流量をそれぞれ独立して制御することが可能となる。さらに、液体燃料ラインにおいて第１ポンプの上流側に脱硫器が設けられていることから、脱硫された液体燃料であっても、その流量を制御して改質器に供給することができる。従って、本発明によれば、改質器及びバーナに導入される液体燃料の流量のそれぞれを容易に制御することができる。
【０００７】
ここで、燃料流通ラインにおいて第２ポンプの上流側には、不純物排出の観点からは、脱硫器が設けられていることが好ましい。この場合、バーナに供給される液体燃料を脱硫することができ、バーナから排出された排気ガス中の硫黄分も低減することが可能となる。
【０００８】
また、改質器ラインにおいて第１ポンプの下流側とバーナラインにおいて第２ポンプの下流側とには、逆止め弁又はオリフィスが液体燃料の流通の抵抗となるようにそれぞれ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、よって、改質器及びバーナ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且つ一層容易に制御することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、改質器及びバーナに導入される液体燃料の流量のそれぞれを容易に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
まず、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は本発明の第１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。
【００１２】
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。
【００１３】
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加熱器であり、これにより、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。この改質器８には、導入される液体燃料及び水蒸気を気化するための気化器１１が設けられている。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
また、燃料電池システム１は、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料が流通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、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。
【００１７】
改質器ラインＬ１１の改質器８付近には、水を改質器８に導入するための水ラインＬ２が連結されている。これにより、液体燃料と水とが混合され、そして、これらが気化器１１で気化されて改質器８に導入される。この水ラインＬ２には、ＰＣＦＣスタック４で発生した水を回収する回収水ラインＬ４が接続されている。
【００１８】
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、揚液貯留器１０が設けられている。
【００１９】
揚液貯留器１０は、ポンプ部１４と、ポンプ部１４に一体に設けられた定油面器１５と、を有している。ポンプ部１４は、液体燃料を下流側に圧送するものである。定油面器１５は、液体燃料を内部に一時貯留しつつ、底面の流出口１５ａから液体燃料を流出する。この定油面器１５は、貯留された液体燃料の液面高さが略一定に保たれるように構成されており、流出口１５ａは、後述の第１及び第２ポンプ１３，３１の吸込口１３ａ，３１ａよりも重力方向上方に配置されている。これにより、定油面器１５は、貯留された液体燃料の圧力ヘッドを略一定に保ちつつ、当該圧力ヘッドによって液体燃料を第１及び第２ポンプ１３，３１に供給することができる。
【００２０】
ここで、液体燃料ラインＬ１は、揚液貯留器１０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。改質器ラインＬ１１には、その上流側から下流側に向かって、脱硫器２、冷却器１２、第１ポンプ１３及び逆止め弁３２がこの順に設けられている。なお、揚液貯留器１０から改質器ラインＬ１１とバーナラインＬ１２が分岐されるように、これらのラインＬ１１，Ｌ１２を設けても良い。
【００２１】
冷却器１２は、液体燃料を冷却するものであり、例えば水冷式又は空冷式の冷却器が用いられている。ポンプ１３は、液体燃料を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。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配置されている。ちなみに、逆止め弁３２に代えて、液体燃料の流通の抵抗となるようにオリフィスを配置する場合もある。
【００２２】
この改質器ラインＬ１１においてポンプ１３の下流側（ポンプ１３と逆止め弁３２との間）からポンプ１３の上流側（ストレーナ１１と冷却器１２との間）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。このスピルバックラインＬ３には安全弁２１が設けられている。或いは、この安全弁２１に代えてオリフィスをスピルバックラインＬ３に設けてもよい。
【００２３】
一方、バーナラインＬ１２には、その上流側から下流側に向かって、第２ポンプ３１及び逆止め弁３３がこの順に設けられている。第２ポンプ３１は、液体燃料を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。逆止め弁３３は、上記の逆止め弁３２と同様な構成とされており、液体燃料の流通の抵抗となるように配置されている。ちなみに、逆止め弁３３に代えて、液体燃料の流通の抵抗となるようにオリフィスを配置する場合もある。
【００２４】
このように構成された燃料電池システム１では、例えば外部に設置された燃料タンク（不図示）の液体燃料が、ポンプ部１４により筐体６内に導入され、定油面器１５内に一時貯留されつつ流出口１５ａから流出され、分岐点Ｔを介して改質器ラインＬ１１とバーナラインＬ１２に分岐される。
【００２５】
分岐された液体燃料は、改質器ラインＬ１１においては、脱硫器２に導入されて脱硫された後に冷却器１２で冷却され、そして、第１ポンプ１３により逆止め弁３２を介して改質器８に導入される一方、バーナラインＬ１２においては、第１ポンプ１３により逆止め弁３３を介してバーナ９に導入される。
【００２６】
ここで、燃料電池システム１においては、上述したように、液体燃料ラインＬ１が改質器ラインＬ１１とバーナラインＬ１２とに分岐され、改質器ラインＬ１１には第１ポンプ１３が設けられていると共にバーナラインＬ１２には第２ポンプ３１が設けられているため、改質器８及びバーナ９が必要とする液体燃料の各流量に合わせて、第１ポンプ１３及び第２ポンプ３１をそれぞれ設定することができると共に、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料の各流量をそれぞれ独立して制御することができる。さらに、液体燃料ラインＬ１において第１ポンプ１３の上流側に脱硫器２が設けられていることから、脱硫された液体燃料であっても、その流量を制御して改質器８に供給することができる。従って、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料の流量のそれぞれを容易に制御することができる。
【００２７】
また、上述したように、改質器ラインＬ１１において第１ポンプ１３の上流側にのみ脱硫器２が設けられていることから、バーナラインＬ１２には脱硫器２を通過しない液体燃料が流通されるため、バーナラインＬ１２を流通する液体燃料に対しては脱硫器２のヒータによる加熱が行なわれない。よって、以下の作用効果を奏する。すなわち、バーナラインＬ１２を流通する液体燃料に対して、かかる加熱による圧力変動を抑止でき、その流量を一層容易に制御することが可能となる。さらに、バーナラインＬ１２を流通する液体燃料からの熱損失（熱ロス）を低減することができ、燃料電池システム１の効率を向上することができる。
【００２８】
さらに、上述したように、改質器ラインＬ１１において第１ポンプ１３の上流側にのみ脱硫器２が設けられていることにより、バーナラインＬ１２を流通する液体燃料が脱硫器２を通過しないため、脱硫器２の脱硫触媒の消耗を抑制でき、脱硫器２の長寿命化を実現することができる。
【００２９】
また、上述したように、改質器ラインＬ１１において第１ポンプ１３の下流側とバーナラインＬ１２において第２ポンプ３１の下流側とには、逆止め弁３２，３３が液体燃料の流通の抵抗となるようにそれぞれ設けられている。そのため、逆止め弁３２，３３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且つ一層容易に制御することができる。
【００３０】
なお、上述したように、改質器ラインＬ１１において第１ポンプ１３の下流側とバーナラインＬ１２において第２ポンプ３１の下流側とに、オリフィスを液体燃料の流通の抵抗となるようにそれぞれ設ける場合でも、上記効果と同様な効果、すなわち、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且つ一層容易に制御するという効果を奏する。
【００３１】
また、上述したように、ポンプ部１４で圧送された液体燃料が定油面器１５に一時貯留されるため、揚液貯留器１０の下流側に配置された機器に導入される液体燃料において、ポンプ部１４による圧力変動（脈動）を抑制することができる。
【００３２】
さらに、上述したように、定油面器１５が、液面高さが略一定に保たれるように液体燃料を貯留し、且つ定油面器１５の流出口１５ａが、第１及び第２ポンプ１３，３１の吸込口１３ａ，３１ａよりも重力方向上方に配置されている。そのため、貯留された液体燃料の圧力ヘッドを略一定に保ちつつ、当該圧力ヘッドによって液体燃料を定油面器１５から第１及び第２ポンプ１３，３１に供給することができ、第１及び第２ポンプ１３，３１に導入される液体燃料の圧力変動を低減し、第１及び第２ポンプ１３，３１で圧送された液体燃料の流量変動を抑制することができる。
【００３３】
また、上述したように、改質器ラインＬ１１において脱硫器２の下流側且つ第１ポンプ１３の上流側に冷却器１２が設けられているため、第１ポンプ１３に導入される液体燃料が、ヒータで加熱されたために膨張ひいては気化するのを抑制することができ、改質器８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。
【００３４】
また、上述したように、第１ポンプ１３の下流側から第１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が設けられていることにより、第１ポンプ１３で圧送された液体燃料の一部が、安全弁２１を介して第１ポンプ１３の上流側に戻される。そのため、第１ポンプ１３で圧送された液体燃料の圧力変動を抑制でき、改質器８に導入される液体燃料の流量を一層安定化することができる。
【００３５】
ところで、一般的に、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。また、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、これらの流量をそれぞれ制御する必要がある際、従来の燃料電池システムにおいては、ポンプ部１４に起因する液体燃料の脈動に相まって、極微量な流量の液体燃料を制御して改質器８及びバーナ９に導入させることは、非常に困難とされており、高価な高精度機器及び極めて複雑な流量制御システムが要されていた。
【００３６】
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及びバーナ９に導入される極微量な液体燃料の流量のそれぞれを容易に制御することができ、よって、燃料電池システムの低コスト化も可能となる。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。
【００３７】
次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図３に示すように、この燃料電池システム２０が上記燃料電池システム１と違う点は、バーナラインＬ１２に代えて、脱流器２の下流側の分岐点Ｔにより分岐されたバーナラインＬ１３を供えた点である。つまり、燃料電池システム２０では、燃料流通ラインＬ１において第２ポンプ３１の上流側には、脱硫器２が設けられている。
【００３８】
この燃料電池システム２０でも、上記効果と同様な効果、すなわち、改質器８及びバーナ９に導入される液体燃料の流量のそれぞれを容易に制御するという効果を奏する。
【００３９】
また、上述したように、脱硫器２が燃料流通ラインＬ１の第２ポンプ３１の上流側に設けられているため、バーナ９に供給される液体燃料を脱硫することができ、バーナ９から排出された排気ガス中の硫黄分を低減することができる。その結果、液体燃料に硫黄分が多く含まれる場合であっても、この液体燃料をバーナ９の燃料として利用することが可能となる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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バーナ（バーナライン）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。
【００４３】
また、上記実施形態では、第１及び第２ポンプに定流量ポンプを用いたが、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用いてもよい。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。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１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２】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。
【図３】本発明の第２実施形態に係る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】
【００４５】
１，２０…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、１３…第１ポンプ、３１…第２ポンプ、３２，３３…逆止め弁、Ｌ１…液体燃料ライン、Ｌ１１…改質器ライン、Ｌ１２…バーナライン。
【図１】
0005248067.tif 000002
【図２】
0005248067.tif 000003
【図３】
0005248067.tif 000004