(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用燃料を改質触媒で改質して水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、可燃性燃料を燃焼して前記改質部を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部を備え、前記改質部で生成された改質ガスを改質ガス導出口から送出する改質装置と、該改質ガス導出口に接続され前記改質ガスをアノード電極に導入する改質ガス導入口、酸化剤ガスをカソード電極に導入する酸化剤ガス導入口及び前記アノード電極からのアノードオフガスを導出するオフガス導出口を有する燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記改質ガス導出口、前記改質ガス導入口、前記オフガス導出口及び燃焼部を選択的に接続する弁装置を設け、該弁装置は、
前記改質ガス導出口に連通する第１流入路、前記改質ガス導入口に連通する第１流出路、前記オフガス導出口に連通する第２流入路、前記燃焼部に連通する第２流出路が設けられた弁ハウジングと、
該弁ハウジングに形成され、前記第１、第２流入路及び第１、第２流出路が開口する弁孔と、
該弁孔内に回転軸線回りに回転可能に密嵌合された断面円形の弁体と、
前記弁体の外周面に溝状に刻設され、前記弁体が第１状態に回動されると、前記第１流入路と前記第２流出路、前記第１流出路と前記第２流入路を連通し、第２状態に回動されると、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流出路を連通する第１及び第２連通溝と、
前記弁体を前記第１状態と前記第２状態との間で回動させる駆動装置と、を備え、前記弁体が前記第１状態から前記第２状態に回動される切替え途中で、前記第１連通溝の中央部は前記第１流出路と連通し、前記第１連通溝の先端部と前記第１流入路との連通面積が漸増するに連れて前記第１連通溝の後端部と前記第２流入路との連通面積が漸減し、前記第２連通溝の中央部は前記第２流出路と連通し、前記第２連通溝の先端部と前記第２流入路との連通面積が漸増するに連れて前記第２連通溝の後端部と前記第１流入路との連通面積が漸減する４方弁装置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おいて、前記第１状態は、前記燃料電池システムが停止・暖機運転中に前記弁装置が回動される停止・暖機位置であり、前記第２状態は、発電運転中に回動される発電位置であ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、供給された改質用燃料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、その図１に示されているように、改質器１４に接続されたＣＯ除去器１６の改質ガス導出口と、燃料電池９の改質ガス導入口と、触媒燃焼器１８との間に電磁３方弁であるＣＯ除去器切替弁１６ａが接続され、暖機運転中はＣＯ除去器１６からの改質ガスが電磁３方弁により燃料電池９をバイパスして触媒燃焼器１８に送られ、各機器が所定温度まで昇温するとＣＯ除去器１６からの改質ガスが燃料電池９に供給される燃料電池システムが記載されている。
【０００３】
このように、暖機運転中は改質ガスを燃料電池をバイパスして燃焼部に送り、各機器が所定温度まで昇温すると改質ガスを燃料電池に送出する弁装置として、特許文献２に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２００３−２０２０３号公報（第４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】
【０００４】
特許文献１に記載された燃料電池システムにおいては、燃料電池の停止中、暖機運転中に燃料電池のオフガス導出口が燃焼部と連通しているので、燃料電池に空気、或いはＣＯ濃度が高い改質ガスが流入し、電極部を劣化させる虞がある。これを防止するために、オフガス導出口と燃焼部との間に電磁開閉弁を設けると、弁の個数が多くなり、コスト高となる。
【０００５】
また、電磁３方弁では、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、暖機運転が終了してソレノイドが付勢されると、改質ガスが急激に燃料電池に突入し、アノード電極の劣化、損傷をもたらすことがある。
【０００６】
本発明は、改質装置の改質部及び燃焼部と燃料電池とを運転状態に応じて適切に接続することができる４方弁装置を備えた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】
【０００７】
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、改質用燃料を改質触媒で改質して水素に富んだ改質ガスを生成する改質部と、可燃性燃料を燃焼して前記改質部を加熱するための燃焼ガスを生成する燃焼部を備え、前記改質部で生成された改質ガスを改質ガス導出口から送出する改質装置と、該改質ガス導出口に接続され前記改質ガスをアノード電極に導入する改質ガス導入口、酸化剤ガスをカソード電極に導入する酸化剤ガス導入口及び前記アノード電極からのアノードオフガスを導出するオフガス導出口を有する燃料電池と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記改質ガス導出口、前記改質ガス導入口、前記オフガス導出口及び燃焼部を選択的に接続する弁装置を設け、該弁装置は、前記改質ガス導出口に連通する第１流入路、前記改質ガス導入口に連通する第１流出路、前記オフガス導出口に連通する第２流入路、前記燃焼部に連通する第２流出路が設けられた弁ハウジングと、該弁ハウジングに形成され、前記第１、第２流入路及び第１、第２流出路が開口する弁孔と、該弁孔内に回転軸線回りに回転可能に密嵌合された断面円形の弁体と、前記弁体の外周面に溝状に刻設され、前記弁体が第１状態に回動されると、前記第１流入路と前記第２流出路、前記第１流出路と前記第２流入路を連通し、第２状態に回動されると、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流出路を連通する第１及び第２連通溝と、前記弁体を前記第１状態と前記第２状態との間で回動させる駆動装置と、を備え、前記弁体が前記第１状態から前記第２状態に回動される切替え途中で、前記第１連通溝の中央部は前記第１流出路と連通し、前記第１連通溝の先端部と前記第１流入路との連通面積が漸増するに連れて前記第１連通溝の後端部と前記第２流入路との連通面積が漸減し、前記第２連通溝の中央部は前記第２流出路と連通し、前記第２連通溝の先端部と前記第２流入路との連通面積が漸増するに連れて前記第２連通溝の後端部と前記第１流入路との連通面積が漸減する４方弁装置であることである。
【０００９】
請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１おいて、前記第１状態は、前記燃料電池システムが停止・暖機運転中に前記弁装置が回動される停止・暖機位置であり、前記第２状態は、発電運転中に回動される発電位置であることである。
【発明の効果】
【００１０】
上記のように構成した請求項１に係る発明においては、弁体が第１状態に回動されると、弁体の外周面に溝状に刻設された第１連通溝及び第２連通溝により、改質装置の改質ガス導出口と燃焼部、燃料電池のオフガス導出口と改質ガス導入口が夫々連通され、第２状態に回動されると、改質装置の改質ガス導出口と燃料電池の改質ガス導入口、オフガス導出口と燃焼部が夫々連通される。そして、改質装置の改質ガス導出口と燃料電池の改質ガス導入口、オフガス導出口と燃焼部との各連通面積が弁体の回動につれて漸増するとともに、改質ガス導出口と燃焼部、オフガス導出口と改質ガス導入口との各連通面積が弁体の回動につれて漸減する。これにより、燃料電池システムの例えば停止・暖機運転時及び発電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４方弁装置の切換えにより達成することができるとともに、急激な流路面積の変化が生じることがなく、システム全体の安定状態を維持しながら例えば暖機運転から発電運転に切替えることができる。特に、多量の改質ガスが急に燃料電池に吸込まれ、改質装置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。また、一時的にアノードオフガスの流れが止まることによる燃焼部の燃焼吹き消え、或いは燃焼の不安定によるエミッションの増加を防止することができる。
【００１２】
上記のように構成した請求項２に係る発明においては、弁体が停止・暖機位置に回動されると、改質装置の改質ガス導出口と燃焼部、燃料電池のオフガス導出口と改質ガス導入口が夫々連通され、発電位置に回動されると、改質装置の改質ガス導出口と燃料電池の改質ガス導入口、オフガス導出口と燃焼部が夫々連通されるので、燃料電池システムの停止・暖機運転時及び発電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４方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】
【００１３】
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に必要な水素に富んだ改質ガスを生成して改質ガス導出口１２ａから供給する改質装置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、外部からのエアが酸化剤ガスとしてエアポンプによって供給され、燃料電池１１において改質ガス中の水素とカソードエア中の酸素とが反応して発電するようになっている。このため、燃料電池１１には、改質ガス導出口１２ａに接続され改質ガスをアノード電極に導入する改質ガス導入口１１ａ、酸化剤ガスをカソード電極に導入する酸化剤ガス導入口１１ｂ及びアノード電極からのアノードオフガスを導出するオフガス導出口１１ｃが設けられている。
【００１４】
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及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導出口から燃料電池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の導出口が改質装置１２の改質ガス導出口１２ａとなる。燃料電池１１の改質ガス導入口１１ａからアノード電極に導入された改質ガスは、酸化剤ガス導入口１１ｂを通ってカソード電極に導入されたカソードエア中の酸素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のオフガス導出口１１ｃから燃焼部１４に送られて燃焼される。
【００１５】
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。
【００１６】
改質装置１２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。
【００１７】
燃料電池システムの停止・暖機運転時には、改質装置１２の改質ガス導出口１２ａと燃焼部１４とが連通され、燃料電池１１のオフガス導出口１１ｃと改質ガス導入口１１ａとが連通されている。発電運転時には、改質装置１２の改質ガス導出口１２ａと燃料電池１１の改質ガス導入口１１ａとが連通され、燃料電池１１のオフガス導出口１１ｃと燃焼部１４とが連通される。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２７が介在されている。
【００１８】
弁装置２７は、図２に示すように弁ハウジング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と平行な平面によって球状弁孔３０の中央で左右に二分割され、ボール弁体３１は左右のシート部材２９ａ，２９ｂに挟まれて球状弁孔３０内に密嵌合されている。図３に示すように、弁ハウジング２８および左右のシート部材２９ａ，２９ｂには、回転軸線３２と直交しボール弁体３１の中心Ｏを含む平面内でボール弁体３１の中心Ｏから等距離はなれて互いに平行な流路３３，３４が貫通して穿設されている。流路３３，３４は、弁孔３０によって弁ハウジング２８の両外側面および弁孔３０に夫々開口する第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。
【００１９】
ボール弁体３１の外周面には、第１、第２流入路３３ａ，３４ａ及び第１、第２流出路３３ｂ，３４ｂに対応して第１連通溝３５及び第２連通溝３６が刻設されている。ボール弁体３１が図３（ａ）に示す第１状態に回動されると、第１連通溝３５は、第２流入路３４ａと第１流出路３３ｂとに対向してこれらを連通し、第２連通溝３６は、第１流入路３３ａと第２流出路３４ｂとに対向してこれらを連通する。ボール弁体３１が図３（ｃ）に示す第２状態に回動されると、第１連通溝３５は、第１流入路３３ａと第１流出路３３ｂとに対向してこれらを連通し、第２連通溝３６は、第２流入路３４ａと第２流出路３４ｂとに対向してこれらを連通する。ボール弁体３１が第１状態から第２状態に回動される図３（ｂ）に示す切替え途中では、第１連通溝３５は、中央部で第１流出路３３ｂと、先端部で第１流入路３３ａと、後端部で第２流入路３４ａと連通し、第２連通溝３６は、中央部で第２流出路３４ｂと、先端部で第２流入路３４ａと、後端部で第１流入路３３ａと連通する。
【００２０】
第１流入路３３ａおよび第１流出路３３ｂは、改質ガス流路４１により改質装置１２の改質ガス導出口１２ａおよび燃料電池１１の改質ガス導入口１１ａに夫々接続され、第２流入路３４ａおよび第２流出路３４ｂは、オフガス流路４２により燃料電池１１のオフガス導出口１１ｃおよび燃焼部１４に夫々接続されている。
【００２１】
ボール弁体３１に回転軸線３２上で突設された弁軸３７が左右シート部材２９ａ，２９ｂの当接部を貫通し、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のバネ力により第１状態に回動されている。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、第１状態から第２状態に回動される。
【００２２】
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起動運転が指令されると、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。改質部１３が所定温度に上昇すると、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と水蒸気とが改質装置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ＣＯ選択酸化部１８に同時に供給される。改質用燃料ガス及び水蒸気は、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、及びエアポンプ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。
【００２３】
停止・暖機運転中は、弁装置２７は、ボール弁体３１が捩りコイルバネ４０のバネ力により第１状態に回動され、改質装置１２の改質ガス導出口１２ａと燃焼部１４とが第２連通溝３６を介して連通され、燃料電池１１のオフガス導出口１１ｃと改質ガス導入口１１ａとが第１連通溝３５を介して連通される。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暖機運転時は、ＣＯ選択酸化部１８から送出される改質ガスは、燃料電池１１をバイパスして燃焼部１４に送出されて燃焼され、燃料電池１１のオフガス導出口１１ｃは改質ガス導入口１１ａと連通される。
【００２４】
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、改質装置１２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、停止・暖機運転から発電運転に切替えるために、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のバネ力に抗して第２状態に回動され、改質装置１２の改質ガス導出口１２ａ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の改質ガス導入口１１ａに供給され、燃料電池１１のオフガス導出口１１ｃ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。
【００２５】
ボール弁体３１が第１状態から第２状態に回動される切替え途中において、第１連通溝３５の中央部は第１流出路３３ｂと連通し、第１連通溝３５の先端部と第１流入路３３ａとの連通面積が漸増するに連れて第１連通溝３５の後端部と第２流入路３４ａとの連通面積が漸減する。第２連通溝３６の中央部は第２流出路３４ｂと連通し、第２連通溝３６の先端部と第２流入路３４ａとの連通面積が漸増するに連れて第２連通溝３６の後端部と第１流入路３３ａとの連通面積が漸減する。従って、ボール弁体３１の適宜速度の回動につれて第１流入路３３ａと第１流出路３３ｂ、第２流入路３４ａと第２流出路３４ｂの各連通面積が漸増するとともに、第１流入路３３ａと第２流出路３４ｂ、第２流入路３４ａと第１流出路３３ｂの各連通面積が漸減する。これにより、急激な流路面積の変化が生じることがなく、システム全体の安定状態を維持しながら暖機運転から発電運転に切替えることができる。特に、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。また、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の燃焼吹き消え、或いは燃焼の不安定によるエミッションの増加を抑制することができる。
【００２６】
上記実施形態では、弁装置２７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。
【００２７】
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部で改質して改質ガスを生成するものであるが、改質用燃料としてメタノールを用い、メタノールと水を混合した状態で蒸発させ改質部で改質させ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】
【００２８】
【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】図１に示す燃料電池システムに用いる４方弁装置を示す図。
【図３】４方弁装置のボール弁体が各位置に回動した状態を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１１…燃料電池、１１ａ…改質ガス導入口、１１ｃ…オフガス導出口、１２…改質装置、１２ａ…改質ガス導出口、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（燃焼部）、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…弁装置、２８…弁ハウジング、２９…シート部材、３０…弁孔、３１…ボール弁体、３２…回転軸線、３３ａ…第１流入路、３３ｂ…第１流出路、３４ａ…第２流入路、３４ｂ…第２流出路、３５…第１連通溝、３６…第２連通溝、３７…弁軸、３８…減速機構、３９…モータ、４０…捩りコイルバネ、４１…改質ガス流路、４２…オフガス流路。
【図１】
0005121156.tif 000002
【図２】
0005121156.tif 000003
【図３】
0005121156.tif 000004