(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
気体燃料を収容する気体燃料タンクと；
水含有の液体燃料を収容する液体燃料タンクと；
前記液体燃料タンクから供給される前記水含有の液体燃料を改質することにより、水素富化ガスを生成するリフォーマと；
前記気体燃料タンクから供給される前記気体燃料を燃焼することにより、前記リフォーマを加熱するリフォーマバーナと；
酸素および前記リフォーマから供給される前記水素富化ガスを用いて、電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと；
を具備し、
前記液体燃料タンクは、前記気体燃料タンクと連通され、前記気体燃料タンクから供給される前記気体燃料の圧力によって、前記リフォーマに前記水含有の液体燃料を供給し、
前記気体燃料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、液化石油ガス、液化天然ガスおよびこれらの混合物から構成される群より選択される少なくとも一つを含む
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックと前記リフォーマバーナとの間に設置される回収ラインをさらに具備し、
前記回収ラインは、前記燃料電池スタックから排出される未反応の前記水素富化ガスを前記リフォーマバーナに供給することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記回収ラインと前記リフォーマバーナとの間に設置される圧力レギュレータをさらに具備し、
前記圧力レギュレータは、前記燃料電池スタックと前記液体燃料タンクとの間の圧力を所定の値に維持し、
前記液体燃料タンクと前記燃料電池スタックとの間の圧力が前記所定の値より高い場合、前記圧力レギュレータによって、前記液体燃料タンクから前記リフォーマに供給される前記水含有の液体燃料量は、増加され、
前記液体燃料タンクと前記燃料電池スタックとの間の圧力が前記所定の値より低い場合、前記圧力レギュレータによって、前記液体燃料タンクから前記リフォーマに供給される前記水含有の液体燃料量は、減少されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記液体燃料および前記気体燃料は、炭化水素系燃料であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記液体燃料は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールから構成される群より選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記液体燃料タンクから前記リフォーマまでの間の液体燃料供給ラインには、前記水含有の液体燃料を予熱する熱交換器がさらに配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系物質内に含まれる水素と大気中の酸素との電気化学反応を介して、化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料電池スタックおよび燃料処理装置（ＦＰ、Ｆｕｅｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を主要部として具備し、燃料タンク、燃料ポンプなどを追加的に具備する。燃料電池スタックは、膜−電極接合体（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）およびセパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）から形成される単位セルを数個〜数十個積層する構造を具備する。
【０００４】
燃料ポンプは、燃料タンク内の燃料（炭化水素系物質など）を燃料処理装置に供給する。燃料処理装置は、燃料を改質して水素（水素富化ガス）を発生させ、当該水素を燃料電池スタックに供給する。燃料電池スタックは、供給された水素と酸素とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
【０００５】
燃料処理装置は、触媒を利用して炭化水素系物質の燃料を改質して、水素（水素富化ガス）を生成する。炭化水素系物質が硫黄化合物を含有する場合、触媒は、硫黄化合物により被毒されやすいために、炭化水素系物質の燃料を燃料処理装置に供給する前に、硫黄化合物を除去する必要がある。従って、炭化水素系物質は、改質工程、すなわち、燃料処理装置に供給される前に脱硫工程を実施される必要がある。
【０００６】
炭化水素系物質は、燃料処理装置によって改質されて水素を生成するとともに、二酸化炭素および少量の一酸化炭素を生成する。つまり、炭化水素系物質を改質することにより生成される水素（水素富化ガス）は、二酸化炭素および少量の一酸化炭素を含む。一酸化炭素は、燃料電池スタックに具備される電極の触媒層を被毒するので、改質された水素含有の燃料（水素富化ガス）を燃料電池スタックに供給する前に、一酸化炭素を除去するシフト工程を実施する必要がある。このとき、一酸化炭素の含有量は、５０００ｐｐｍ以内に減少させることが望ましい。
【０００７】
図１は、一般的な燃料電池システムの構成図である。図１を参照すると、気体燃料を使用する燃料電池システムは、気体燃料タンク１０の気体燃料をリフォーマ（改質器）４０およびリフォーマバーナ３０両方に供給する。リフォーマ４０に供給される気体燃料、例えば、ＬＰＧガスには硫黄が含まれるので、硫黄を除去するための脱硫装置１４が必要である。脱硫装置１４を通過したガス（気体燃料）の硫黄含有濃度は、１ｐｐｍ以下でなければならない。
【０００８】
リフォーマバーナ３０は、リフォーマ４０を加熱し、リフォーマ４０内部の温度を約７５０℃に維持する。リフォーマバーナ３０の燃焼より生成したガスは、第１熱交換器７１を経て外部に排出される。
【０００９】
液体ポンプ２２は、水タンク２０からリフォーマ４０に水を供給する。液体ポンプ２２から供給される水は、第１熱交換器７１、第２熱交換器７２を通過するとともに予熱されて、リフォーマ４０に供給される。
【００１０】
リフォーマ４０では、水素と共に一酸化炭素が生成される。つまり、リフォーマ４０（燃料処理装置）は、水タンク２０から水を供給され、気体燃料タンク１０から気体燃料を供給される。そして、リフォーマ４０は、水存在下で炭化水素系物質の燃料（気体燃料）を触媒によって改質することにより、水素および一酸化炭素を含む水素富化ガスを生成する。シフト反応器６０では、リフォーマ４０で生成された水素含有燃料の一酸化炭素濃度を所定の濃度、例えば、５０００ｐｐｍ以下に減少させて燃料電池スタック５０に供給する。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−３１７７５５号公報
【特許文献２】特開平１１−１８５７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、従来技術の燃料電池システム（図１）では、硫黄を含有する気体燃料を使用してリフォーマ４０に供給するので、リフォーマ４０に供給される気体燃料を脱硫するための設備が必要であり、かつリフォーマ４０に水を供給するための液体ポンプが必要である。一方、気体燃料の代わりに硫黄を含有しない液体燃料を使用することは可能であるが、そのためには、リフォーマバーナ３０に液体燃料を供給するための手段が必要になる。このように、従来技術の燃料電池システムでは、脱硫工程を実施するための設備、および燃料、水などを供給するための設備などの別途の装備が必要となるため、燃料電池システム自体の構造が複雑となり、燃料電池システムの小型化を実現し難い。
【００１３】
そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、リフォーマへの液体燃料の供給を容易にして、小型化および構造の簡素化を実現できる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、燃料電池システムにおいて、気体燃料を収容する気体燃料タンクと、水含有の液体燃料を収容する液体燃料タンクと、液体燃料タンクから供給される水含有の液体燃料を改質することにより、水素富化ガスを生成するリフォーマと、気体燃料タンクから供給される気体燃料を燃焼することにより、リフォーマを加熱するリフォーマバーナと、酸素およびリフォーマから供給される水素富化ガスを用いて、電気エネルギーを生成する燃料電池スタックとを具備し、液体燃料タンクは、気体燃料タンクと連通され、気体燃料タンクから供給される気体燃料の圧力によって、リフォーマに水含有の液体燃料を供給する燃料電池システムが提供される。本発明の燃料電池システムは、高温ＰＥＭ燃料電池システムに適用されてよい。
【００１５】
本発明によれば、気体燃料の代わりに、水を含有する液体燃料を用いて、リフォーマで水素富化ガスを生成することができる。これにより、リフォーマで水含有の液体燃料を改質する際に生成される一酸化炭素濃度を、気体燃料を改質する場合より、低くすることができる。よって、従来のように、シフト反応器を用いて、水素富化ガス中の一酸化炭素を除去する必要がなくなる。また、気体燃料の代わりに硫黄を含有しない液体燃料を用いるため、気体燃料のように硫黄を除去する必要がない。さらに、気体燃料タンクと液体燃料タンクとを連通して、気体燃料タンクから液体燃料タンクに供給される気体燃料の圧力を用いて、液体燃料タンクの水含有の液体燃料をリフォーマに供給できる。よって、従来のように、液体ポンプなど燃料を供給する設備を設ける必要がない。以上より、本発明によれば、シフト反応器、脱硫装置、液体ポンプなどの別途の装置を設ける必要がないため、燃料電池システムの構造を簡素にでき、かつ小型化も実現できる。
【００１６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックとリフォーマバーナとの間に設置される回収ラインをさらに具備できる。回収ラインは、燃料電池スタックから排出される未反応ガスの水素富化ガスをリフォーマバーナに供給できる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムは、回収ラインとリフォーマバーナとの間に設置される圧力レギュレータをさらに具備できる。圧力レギュレータは、燃料電池スタックと液体燃料タンクとの間の圧力を所定の値に維持できる。液体燃料タンクと燃料電池スタックとの間の圧力が所定の値より高い場合、圧力レギュレータによって、液体燃料タンクからリフォーマに供給される水含有の液体燃料量は、増加されてよく、液体燃料タンクと燃料電池スタックとの間の圧力が所定の値より低い場合、圧力レギュレータによって、液体燃料タンクからリフォーマに供給される水含有の液体燃料量は、減少されてよい。これは、圧力レギュレータが液体燃料タンクと燃料電池スタックとの間の圧力差を所定の値に維持するためである。液体燃料タンクと燃料電池スタックとの間の圧力が所定の値より大きくなると、圧力レギュレータが維持する所定の圧力値となるように、液体燃料タンクと燃料電池スタックとの間で圧力の均衡がなされる。液体燃料タンクと燃料電池スタックとの間の圧力が所定の値より小さい場合も同様である。従って、本発明によれば、圧力レギュレータによって、燃料電池スタックでの水素富化ガスの消費量に応じて、液体燃料タンクからリフォーマに供給される水含有の液体燃料量を自動的に制御することができる。これにより、燃料電池スタックの出力性能を向上でき、燃料電池システム自体の信頼性を向上できる。
【００１８】
液体燃料および気体燃料は、炭化水素系燃料であってよい。
【００１９】
液体燃料は、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールから構成される群より選択される少なくとも一つを含むことができる。
【００２０】
気体燃料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ジメチルエーテル、液化石油ガス（ＬＰＧ、Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｇａｓ）、液化天然ガス（ＬＮＧ、Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）およびこれらの混合物から構成される群より選択される少なくとも一つを含むことができる。
【００２１】
液体燃料タンクからリフォーマまでの間の液体燃料供給ラインには、水含有の液体燃料を予熱する熱交換器がさらに配置されてよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように本発明によれば、気体燃料タンク内の気体燃料の圧力によって、液体燃料タンクから水含有の液体燃料を排出するので、別途の液体ポンプを装備する必要がない。また、液体燃料の使用により、リフォーマで生成される水素富化ガス中の一酸化炭素濃度を、気体燃料使用の従来技術に比べて低減することができ、かつ当該水素富化ガスを燃料電池スタックに直接供給できるため、従来のシフト反応器を具備する必要がない。さらに、圧力レギュレータによって、燃料電池スタックでの水素富化ガスの消費量に応じて、液体燃料タンクからリフォーマに供給される水含有の液体燃料量を自動的に制御することができる。そして、硫黄を含有しない液体燃料の使用により、硫黄を除去する脱硫装置を設ける必要がない。これにより、本発明の燃料電池システムは、従来技術に比べて、別途の設備を設ける必要がないため、燃料電池システム自体を小型化でき、かつ燃料電池システムの構造を簡素にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００は、気体燃料をリフォーマバーナ１３０に供給し、硫黄を含有しない液体燃料をリフォーマ１４０に供給して、水素富化ガスを生成する。本発明の実施形態の燃料電池システム１００は、気体燃料タンク１１０、液体燃料タンク１２０、リフォーマバーナ１３０、リフォーマ１４０、燃料電池スタック１５０、第１熱交換器１７１、第２熱交換器１７２を具備する。
【００２５】
気体燃料タンク１１０は、リフォーマバーナ１３０に供給する気体燃料を収容する。気体燃料タンク１１０は、気体燃料を液体燃料タンク１２０にも供給する。液体燃料タンク１２０は、水を含有する液体燃料を収容して、水含有の液体燃料をリフォーマ１４０に供給する。リフォーマバーナ１３０は、気体燃料タンク１１０から供給される気体燃料を燃焼する際に生成する熱によって、リフォーマ１４０を加熱する。リフォーマ１４０は、リフォーマバーナ１３０から供給される熱（燃焼熱）および触媒を利用して、液体燃料タンク１２０から供給される水含有の液体燃料を改質して水素富化ガスを生成する。第１熱交換器１７１は、液体燃料タンク１２０から供給される水含有の液体燃料をリフォーマバーナ１３０から排出される燃焼ガスと熱交換する。第２熱交換器１７２は、第１熱交換器１７１を通過した水含有の液体燃料をリフォーマ１４０から排出される生成ガス（水素富化ガス）と熱交換する。これにより、第１熱交換器１７１、第２熱交換器１７２を通過する水含有の液体燃料は、リフォーマ１４０に供給されるまでに、第１熱交換器１７１および第２熱交換器１７２で予熱される。
【００２６】
リフォーマ１４０で生成される水素富化ガスは、第２熱交換器１７２で水含有の液体燃料と熱交換された後、第２熱交換器１７２を介して燃料電池スタック１５０に供給される。燃料電池スタック１５０は、第２熱交換器１７２を介してリフォーマ１４０から供給された水素富化ガスと酸素を用いて、電気エネルギーを生成する。ここで、本発明の実施形態の燃料電池システム１００は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）システムに適用されてよく、この場合、燃料電池スタックも、高分子電解質膜型（ＰＥＭ、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）燃料電池スタックを適用する。
【００２７】
リフォーマバーナ１３０は、リフォーマ１４０を加熱して、リフォーマ１４０内部の温度を約２５０℃に維持することができる。そして、リフォーマ１４０は、加熱された状態で触媒を用いて、水含有の液体燃料を改質して、水素富化ガスを生成することができる。このように水含有の液体燃料をリフォーマ１４０で改質する場合、気体燃料を改質するより低温で改質することができる。併せて、リフォーマ１４０で生成される水素富化ガス中の一酸化炭素濃度を約５０００ｐｐｍ以下とすることができる。これは、気体燃料を改質するより、液体燃料を改質する場合、一酸化炭素生成量が少ないためである。このような低濃度の一酸化炭素を含む水素富化ガスは、高温ＰＥＭ燃料電池スタック１５０に直接供給されてもよいため、燃料電池システム１００にシフト反応器を具備する必要がない。また、気体燃料は、硫黄を含むので、リフォーマに供給される前に脱硫装置で脱硫工程を実施する必要があるが、本発明の実施形態では、液体燃料を使用するので、硫黄を含まない。よって、脱硫装置を別途に設ける必要はない。
【００２８】
リフォーマバーナ１３０から生成される燃焼ガスは、第１熱交換器１７１を経て外部に排出される。この時、上述したように、第１熱交換器１７１において、液体燃料タンク１２０から供給された水含有の液体燃料は、リフォーマバーナ１３０から排出される燃焼ガスによって熱交換されて、予熱される。そして、当該燃焼ガスは、第１熱交換器１７１より外部に排出される。第１熱交換器１７１、第２熱交換器１７２は、液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０までの間の液体燃料供給ラインに設置される熱交換器となる。
【００２９】
本発明の実施形態では、液体燃料および気体燃料は、炭化水素系燃料であってよい。より詳しく説明すると、気体燃料は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ジメチルエーテル、液化石油ガス（ＬＰＧ、Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｇａｓ）、液化天然ガス（ＬＮＧ、Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）およびこれらの混合物などから構成される群より選択される少なくとも一つを含むことができる。気体燃料タンク１１０には、気体燃料が約２気圧〜約５気圧で充填される。気体燃料タンク１１０の気体燃料は、リフォーマバーナ１３０および液体燃料タンク１２０に供給される。
【００３０】
液体燃料タンク１２０には、流入口および排出口が形成される。液体燃料タンク１２０の流入口は、気体燃料タンク１１０から供給される所定の圧力の気体燃料が流入される口である。液体燃料タンク１２０の排出口は、流入される気体燃料の圧力によって液体燃料タンク１２０から水含有の液体燃料を排出する口となる。つまり、液体燃料タンク１２０は、気体燃料タンク１１０と連通され、気体燃料タンク１１０から供給される気体燃料の圧力によって、リフォーマ１４０に水含有の液体燃料を供給することができる。液体燃料タンク１２０には、硫黄を含有しない液体燃料、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコールなどから構成される群より選択される少なくとも一つの液体燃料が含まれる。
【００３１】
リフォーマ１４０で生成された水素富化ガスは、燃料電池スタック１５０に供給される。燃料電池スタック１５０とリフォーマバーナ１３０との間には、回収ライン１５２が設置されており、燃料電池スタック１５０で未反応の状態で残存した水素富化ガスは、回収ライン１５２を通じ、リフォーマバーナ１３０に供給されてリサイクルされる。つまり、燃料電池スタック１５０から回収ライン１５２を介して供給された未反応の水素富化ガスは、リフォーマバーナ１３０で燃焼されて熱を生成することができる。
【００３２】
一方、回収ライン１５２には、圧力レギュレータ１６０が設置される。より詳しくは、圧力レギュレータ１６０は、回収ライン１５２とリフォーマバーナ１３０との間に設置される。圧力レギュレータ１６０は、所定の圧力、例えば、常圧と気体燃料タンク１１０内の気体燃料の圧力との間の値に調節される。そして、液体燃料タンク１２０には、気体燃料タンク１１０から気体燃料が供給されるので、液体燃料タンク１２０の圧力は、加圧されている気体燃料の圧力と等しい。燃料電池スタック１５０は、ほぼ常圧となる。圧力レギュレータ１６０は、燃料電池スタック１５０から液体燃料タンク１２０までの間の圧力を所定の値に維持することができる。
【００３３】
つまり、圧力レギュレータ１６０は、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間の圧力を所定の値に維持できる。より詳細には、圧力レギュレータ１６０自体は、排気、給気を実施して、所定の値の圧力を維持する。本発明の実施形態では、圧力レギュレータ１６０の圧力に基づいて、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間で、圧力の均衡がなされて、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間の圧力を圧力レギュレータ１６０が維持する所定の圧力値に調整することができる。燃料電池スタック１５０での水素消耗量が増加する場合、燃料電池スタック１５０の圧力が低下する。従って、燃料電池スタック１５０と液体燃料タンク１２０との間の圧力差が大きくなるので、液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量が増加する。一方、燃料電池スタック１５０での水素消耗量が減少する場合、燃料電池スタック１５０の圧力が上昇する。従って、燃料電池スタック１５０と液体燃料タンク１２０との間の圧力差が小さくなるので、液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量が減少する。
【００３４】
つまり、言い換えると、燃料電池スタック１５０の圧力が低下する場合、燃料電池スタック１５０と液体燃料タンク１２０との間の圧力は、所定の値より大きくなる。この時、圧力レギュレータ１６０が維持する所定の圧力値となるように、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間で圧力の均衡がなされて、燃料電池スタック１５０で低下した圧力値に応じて、液体燃料タンク１２０から水含有の液体燃料がリフォーマ１４０に多く供給される。その結果、燃料電池スタック１５０には、低下した圧力値に見合う量、つまり増加された水含有の液体燃料量に応じた水素富化ガスがリフォーマ１４０より供給される。同様に、燃料電池スタック１５０の圧力が上昇する場合、燃料電池スタック１５０と液体燃料タンク１２０との間の圧力は、所定の値より小さくなる。この時、圧力レギュレータ１６０が維持する所定の圧力値となるように、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間で圧力の均衡がなされて、燃料電池スタック１５０で上昇した圧力値に応じて、液体燃料タンク１２０から水含有の液体燃料がリフォーマ１４０に少なく供給される。その結果、燃料電池スタック１５０には、上昇した圧力値に見合う量、つまり減少された水含有の液体燃料量に応じた水素富化ガスがリフォーマ１４０より供給される。
【００３５】
以上より、圧力レギュレータ１６０によって、燃料電池スタック１５０と液体燃料タンク１２０との間の圧力を、均衡に保つことができる。つまり、液体燃料タンク１２０は気体燃料タンク１１０から供給される気体燃料の圧力で加圧されているので、燃料電池スタック１５０の圧力の増減によって、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間の圧力差は、変動する。しかし、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０は、第１熱交換器１７１などの部材を介して連結されているので、圧力レギュレータ１６０の圧力に基づいて、圧力の均衡を実施できる。
【００３６】
従って、圧力レギュレータ１６０は、燃料電池スタック１５０での燃料（水素）消耗量に応じて、リフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料の量を自発的に調節することができる。従来技術では、燃料電池スタック１５０での水素消費量に応じて、リフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量を調節できないと、燃料電池スタック１５０の出力特性を一定に維持できない場合がある。しかし、本発明の実施形態では、上述のように、燃料電池スタック１５０での水素消費量に応じて、リフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量を調節できる。よって、本発明の実施形態は、燃料電池スタックの出力特性を維持できるため、燃料電池システム自体の信頼性を向上できる。
【００３７】
バーナ弁１１２は、気体燃料タンク１１０とリフォーマバーナ１３０との間に設置され、気体燃料タンク１１０からリフォーマバーナ１３０に供給される気体燃料量を調節する。弁１２２は、液体燃料タンク１２０と第１熱交換器１７１との間に設置され、液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量を調節する弁である。
【００３８】
本発明の実施形態に係る燃料電池システムは、硫黄を含有しない液体燃料を使用するので、脱硫装置を設ける必要がない。また、比較的低温で炭化水素系物質を改質するので、生成する一酸化炭素濃度が低いため、シフト反応器を使用しないで直接燃料電池スタック１５０に生成した水素富化ガスを供給できる。また、水を含有する液体燃料を気体燃料タンク１１０内の気体燃料の圧力で液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０に供給するので、液体ポンプが不要である。これにより、本発明の燃料電池システム１００は、従来技術に比べて、別途の設備を設ける必要がないため、燃料電池システム１００自体を小型化でき、かつ燃料電池システム１００の構造を簡素にすることができる。
【００３９】
以下、図２を参照して、本発明の実施形態の高温ＰＥＭ燃料電池の作用を詳細に説明する。
【００４０】
気体燃料タンク１１０は、液体燃料タンク１２０に連通される。従って、気体燃料タンク１１０から供給される気体燃料の圧力によって、液体燃料タンク１２０は、加圧された状態である。バーナ弁１１２を開いて気体燃料を気体燃料タンク１１０からリフォーマバーナ１３０に供給し、リフォーマバーナ１３０を点火する。リフォーマバーナ１３０が気体燃料を燃焼してリフォーマ１４０を加熱することによって、リフォーマ１４０の温度が約２００℃以上に上昇すると、弁１２２を開いて液体燃料タンク１２０から水含有の液体燃料をリフォーマ１４０に供給する。この時、気体燃料タンク１１０から気体燃料が液体燃料タンク１２０に流入されるため、当該気体燃料の圧力によって、液体燃料タンク１２０から水含有の液体燃料が、弁１２２を介して、第１熱交換器１７１、第２熱交換器１７２を通過してリフォーマ１４０に供給される。供給された水含有の液体燃料は、上述のように第１熱交換器１７１、第２熱交換器１７２を通過する際に予熱される。次に、リフォーマ１４０の温度が約２２０℃〜約２５０℃に維持されるように、バーナ弁１１２をＰＩＤ制御器（図示せず）で制御する。そして、リフォーマ１４０で、水含有の液体燃料を改質して水素富化ガスが生成される。
【００４１】
リフォーマ１４０で水含有の液体燃料を改質して生成された水素富化ガスは、第２熱交換器１７２を介して燃料電池スタック１５０に供給される。このとき、水含有の液体燃料の改質時に生成される一酸化炭素濃度は、約５０００ｐｐｍ以下に制御される。従って、別途のシフト反応器で一酸化炭素除去工程をしないで水素富化ガスは、燃料電池スタック１５０に直接供給される。燃料電池スタック１５０を通過した未反応燃料（未反応の水素富化ガス）は、約１５０℃ほどのガス状態であり、回収ライン１５２を介してリフォーマバーナ１３０に再供給される。
【００４２】
第１熱交換器１７１は、リフォーマバーナ１３０から供給される燃焼ガスと水含有の液体燃料とを熱交換し、第２熱交換器１７２は、リフォーマ１４０から供給される水素富化ガスと第１熱交換器１７１を通過した水含有の液体燃料とを熱交換する。第２熱交換器１７２で水含有の液体燃料と熱交換された水素富化ガスは、第２熱交換器１７２を介して燃料電池スタック１５０に供給される。
【００４３】
一方、圧力レギュレータ１６０は、気体燃料タンク１１０の圧力より低圧力、例えば、約１．５気圧に設定される。燃料電池スタック１５０で高いパワーを生産すれば、燃料電池スタック１５０で使われる水素量が増加するので、燃料電池スタック１５０での圧力が低下する。その結果、燃料電池スタック１５０と液体燃料タンク１２０との間の圧力差が大きくなる。従って、液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量を増加でき、また、燃料電池スタック１５０からリフォーマバーナ１３０に回収される未反応燃料の量（未反応の水素富化ガス量）が減少するので、気体燃料タンク１１０からリフォーマバーナ１３０に供給される気体燃料量も増加することができる。
【００４４】
燃料電池スタック１５０で生産されるパワーが低下すれば、燃料電池スタック１５０で消耗される水素量が減少し、リフォーマバーナ１３０に供給される未反応燃料量（未反応の水素富化ガス量）が増加する。従って、気体燃料タンク１１０からリフォーマバーナ１３０に供給される気体燃料量が減少する。また、燃料電池スタック１５０の圧力が上昇するため、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間の圧力差が低下するので、液体燃料タンク１２０からリフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量を減少できる。従って、リフォーマ１４０で生産される水素富化ガスの量も減るため、所定時間経過後、燃料電池スタック１５０での水素消耗量とリフォーマ１４０での水素生産量とが均衡をなすことができる。上述のように、燃料電池スタック１５０での水素富化ガス消費量に応じて、リフォーマ１４０に供給される水含有の液体燃料量の増減を実施できるのは、圧力レギュレータ１６０が、液体燃料タンク１２０と燃料電池スタック１５０との間の圧力を所定の値に維持するためである。
【００４５】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の燃料電池システムは、例えば、発電システム関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一般的な燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高分子電解質膜型燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０、１１０      気体燃料タンク
１４      脱硫装置
２０      水タンク
２２      液体ポンプ
３０、１３０      リフォーマバーナ
４０、１４０      リフォーマ
５０、１５０      燃料電池スタック
６０      シフト反応器
７１、１７１      第１熱交換器
７２、１７２      第２熱交換器
１００      燃料電池システム
１１２      バーナ弁
１２２      弁
１２０      液体燃料タンク
１５２      回収ライン
１６０      圧力レギュレータ
【図１】
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【図２】
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