(57)【要約】【課題】第１燃焼器の燃焼の安定性を維持する燃料改質システムを提供する。【解決手段】燃料改質システムは、改質用原料を改質させて燃料を生成する改質器１と、燃焼用原料を燃焼させることにより改質器１を改質反応に適するように加熱する第１燃焼器２と、改質器１で改質された燃料が供給通路４を介して供給される燃料ユニット３とを備える。内圧・水分低減手段７が、供給通路４に繋がれている。内圧・水分低減手段７は、改質器１の内圧Ｐ１が所定値よりも高いとき、改質器１で改質された燃料を燃料ユニット外に放出することにより、改質器１の過剰内圧を低減させる機能と、改質器１で改質された燃料の水分を低減または除去する機能とをもつ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質用原料を改質反応により改質させて燃料を生成する改質器と、燃焼用原料を燃焼させることにより前記改質反応に適するように前記改質器を加熱する第１燃焼器と、前記改質器で改質された燃料が供給通路を介して供給される燃料ユニットとを具備する燃料改質システムにおいて、
前記改質器の内圧が所定値よりも高いとき、前記改質器で生成された燃料を前記燃料ユニット外に放出することにより前記改質器の過剰内圧を低減させる機能と、前記燃料ユニット外に放出される燃料の水分を低減または除去する機能とをもつ内圧・水分低減手段が、前記供給通路に繋がれていることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項２】
請求項１において、前記内圧・水分低減手段は、
前記改質器と前記第１燃焼器とを繋ぐように前記供給通路から分岐した第１分岐通路と、
前記第１分岐通路に設けられ前記改質器の内圧が所定値よりも高いとき、前記改質器で生成された燃料を前記燃料ユニット外に放出することにより前記改質器の過剰内圧を低減させる第１過剰内圧解放要素と、
前記第１過剰内圧解放要素から放出され前記第１燃焼器に向かう燃料の水分を低減または除去する第１水分低減要素とを備えていることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項３】
請求項２において、前記第１水分低減要素は、前記改質器で改質された燃料を冷却させて、燃料に含まれている水分を凝縮させる凝縮器であることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項４】
請求項２または３において、前記第１水分低減要素は、前記改質器で改質された燃料を旋回流とし、燃料に含まれている水分を旋回により低減または除去させる旋回路をもつことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項５】
請求項２または３において、前記第１水分低減要素は、前記改質器で改質された燃料を複数回衝突させて、燃料に含まれている水分を低減または除去させるラビリンス通路をもつことを特徴とする燃料改質システム。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記燃料ユニットは燃料電池または燃料貯蔵部であることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項７】
請求項２〜６のうちのいずれか一項において、前記改質器と前記燃料ユニットとの間に位置するように、前記供給通路には第２水分低減手段が設けられており、前記改質器から前記第１分岐通路を経て前記第１燃焼器に向かうにつれて、前記改質器、前記第２水分低減手段、前記第１過剰内圧解放要素、前記第１水分低減要素、前記第１燃焼器の順に配置されていることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項８】
請求項１において、前記内圧・水分低減手段は、
前記第１燃焼器に直接繋がれないように前記供給通路から分岐した第２分岐通路と、前記第２分岐通路に設けられ前記改質器の内圧が所定値よりも高いとき、前記改質器で生成された燃料を前記燃料ユニット外に放出することにより前記改質器の過剰内圧を低減させる第２過剰内圧解放要素と、前記第２分岐通路に設けられ前記第２過剰内圧解放要素から放出された燃料を燃焼させる第２燃焼器とを備えていることを特徴とする燃料改質システム。
【請求項９】
請求項２〜７のうちのいずれか一項において、前記第１過剰内圧解放要素は、
前記改質器の内圧が所定値よりも高いとき前記改質器の過剰内圧を低減させるリリーフ機能と、前記改質器で改質された燃料の組成の安定性が欠けるとき前記燃料ユニットに供給しないで前記燃料ユニットを迂回させるバイパス機能とを併有することを特徴とする燃料改質システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は改質用原料を改質して燃料を生成する燃料改質システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料改質システムとして、改質用原料ガスを改質させて燃料ガスを生成する改質器と、燃焼用原料ガスを燃焼させることにより改質器を改質反応に適するように加熱する燃焼バーナで形成された第１燃焼器と、改質器で改質された燃料ガスが供給通路を介して供給される燃料電池とを備えているものが知られている（特許文献１）。このものでは、改質器で改質された燃料ガスは、供給通路を経て燃料電池に供給され、燃料電池における発電に使用される。
【０００３】
改質器の内圧が所定値よりも大きくなったとき、リリーフ弁が開放する。この結果、改質器の内圧を低減させる。リリーフ弁が開放すると、改質器で改質された燃料ガスはリリーフ弁を介して第１燃焼器に至り、第１燃焼器で燃焼されて再利用される。  
【特許文献１】特許第２８８７３４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したシステムによれば、改質器の内圧が所定値よりも高くなると、改質器で改質された燃料ガスはリリーフ弁を介して第１燃焼器に至り、第１燃焼器で燃焼され、改質器の加熱のために再利用される。しかしながら、改質器で改質された燃料ガスは水蒸気をかなり含む。このように水蒸気を含む燃料ガスが第１燃焼器に供給されるため、第１燃焼器における燃焼の安定性が維持されにくいおそれがある。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質器を加熱するための第１燃焼器の燃焼の安定性を維持するのに有利な燃料改質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】
【０００６】
本発明に係る燃料改質システムは、改質用原料を改質反応により改質させて燃料を生成する改質器と、燃焼用原料を燃焼させることにより改質反応に適するように改質器を加熱する第１燃焼器と、改質器で改質された燃料が供給通路を介して供給される燃料ユニットとを具備する燃料改質システムにおいて、
改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で生成された燃料を燃料ユニット外に放出することにより改質器の過剰内圧を低減させる機能と、燃料ユニット外に放出される燃料の水分を低減または除去する機能とをもつ内圧・水分低減手段が、供給通路に繋がれていることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る燃料改質システムによれば、内圧・水分低減手段は二つの機能を併有する。即ち、内圧・水分低減手段は、改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で生成された燃料を燃料ユニット外に放出することにより改質器の過剰内圧を低減させる機能と、燃料ユニット外に放出される燃料の水分を低減または除去する機能とをもつ。
【０００８】
このように改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で生成された燃料が燃料ユニット外に放出され、改質器の過剰内圧が低減されるため、改質器の内圧の安定化が図られ、改質器における改質反応が良好に維持される。更に、過剰内圧が燃料ユニットに供給されることが抑制されるため、燃料ユニットの作動が良好となる。また、改質器で改質された燃料に水分が含まれているとき、燃料ユニット外に放出された燃料中の水分は低減または除去されている。このため、燃料ユニット外に放出された燃料を再利用し易い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料改質システムによれば、改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で生成された燃料が燃料ユニット外に放出され、改質器の過剰内圧が低減されるため、改質器の内圧の安定化が図られ、改質器における改質反応が良好に維持される。更に、過剰内圧が燃料ユニットに供給されることが抑制されるため、燃料ユニットの作動が良好となる。また、改質器で改質された燃料に水分が含まれているとき、燃料ユニット外に放出された燃料中の水分は低減または除去されている。このため、燃料ユニット外に放出された燃料を再利用し易い。
【００１０】
従って、改質器で改質された燃料を燃料ユニット外へ放出して第１燃焼器に供給する場合には、燃料の水分は低減または除去されているため、第１燃焼器における燃焼の安定性を維持しつつ、燃料を第１燃焼器で良好に燃焼させ、改質器に再利用することができる。
【００１１】
また第１燃焼器とは別の第２燃焼器が設けられている場合には、改質器で改質された燃料の水分は低減または除去されているため、その燃料を燃料ユニット外へ放出して第２燃焼器に供給すれば、第２燃焼器の燃焼の安定性を維持しつつ、燃料を第２燃焼器で良好に燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
燃料改質システムは、改質用原料を改質させて燃料を生成する改質器と、燃焼用原料を燃焼させることにより改質器を改質反応に適するように加熱する第１燃焼器と、改質器で改質された燃料が供給通路を介して供給される燃料ユニットとを備えている。燃料ユニットとしては燃料電池または燃料貯蔵部である形態が例示される。燃料貯蔵部としては、水素吸蔵合金等の水素吸蔵物質、水素タンク等の燃料タンクが例示される。
【００１３】
内圧・水分低減手段が供給通路に繋がれている。内圧・水分低減手段は、（ｉ）改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で改質された燃料を燃料ユニットへ放出することにより電池改質器の過剰内圧を低減させる機能と、（ｉｉ）改質器で改質され燃料ユニットへ放出された燃料の水分を低減または除去する機能とをもつ。
【００１４】
好ましくは、内圧・水分低減手段は、改質器と第１燃焼器とを繋ぐように供給通路から分岐した第１分岐通路と、第１分岐通路に設けられ改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で改質された燃料を燃料ユニットへ放出することにより、改質器の過剰内圧を低減させる第１過剰内圧解放要素と、第１過剰内圧解放要素から放出され第１燃焼器に向かう燃料の水分を低減または除去する第１水分低減要素とを備えている。
【００１５】
ここで、第１水分低減要素は、第１過剰内圧解放要素から吐出され第１燃焼器に向かう燃料の水分を低減または除去するものである。第１水分低減要素としては、改質器で改質された燃料を冷却させて、燃料に含まれている水分（湿分）を凝縮させる凝縮器である形態が例示される。また、第１水分低減要素としては、改質器で改質された燃料を旋回流とし、燃料に含まれている水分を旋回により低減または除去させる旋回路をもつ形態が例示される。この場合、燃料に含まれている水分を旋回により物理的に除去できる。更に、第１水分低減要素としては、改質器で改質された燃料を複数回衝突させて、燃料に含まれている水分を低減または除去させるラビリンス通路（迷路構造）をもつ形態が例示される。この場合、燃料に含まれている水分を衝突により物理的に除去できる。
【００１６】
供給通路には第２水分低減手段が改質器と燃料ユニットとの間に位置するように設けられており、改質器から第１分岐通路を経て第１燃焼器に向かうにつれて、改質器、第２水分低減手段、過剰内圧解放要素、第１水分低減要素、第１燃焼器の順に配置されている形態が例示される。この場合、改質器から分岐通路を経て第１燃焼器に向かうにつれて、第２水分低減手段および第１水分低減要素の双方を通過するため、燃料の水分除去性が一層確保される。よって燃料を第１燃焼器で燃焼させても、改質器を加熱させる第１燃焼器の燃焼の安定性が維持される。ひいては改質器の改質反応の安定性が維持される。
【００１７】
内圧・水分低減手段は、第１燃焼器に直接繋がれないように供給通路から分岐した第２分岐通路と、第２分岐通路に設けられ改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で生成された燃料を燃料ユニット外に放出することにより改質器の過剰内圧を低減させる第２過剰内圧解放要素と、第２分岐通路に設けられ第２過剰内圧解放要素から放出された燃料を燃焼させる第２燃焼器とを備えている形態が例示される。ここで、第２燃焼器は、改質器を加熱させる第１燃焼器とは独立して設けられている。このような第２燃焼器で燃料を燃焼させるので、改質器を加熱させるためシステムの重要要素である第１燃焼器の燃焼の安定性を損なうことが抑制され、改質器における改質反応が良好に維持される。
【００１８】
内圧・水分低減手段は、改質器の内圧が所定値よりも高いとき改質器の過剰内圧を低減させるリリーフ機能と、改質器で生成された改質燃料の組成の安定性が欠けるとき燃料ユニットに供給しないで燃料ユニットを迂回させるバイパス機能とを併有する形態が例示される。この場合、部品点数の削減を図り得る。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例１について図１〜図３を参照して説明する。本実施例に係る燃料改質システムは、改質器１と、第１燃焼器２と、燃料ユニットとして機能する燃料電池３と、改質器１と燃料電池３とを繋ぐ供給通路４とを備えている。改質器１には、改質用原料としての原料ガス（例えば天然ガス、都市ガス）および原料水（または水蒸気）を送給する送給通路１０が設けられている。送給通路１０には、原料ガスの流量を制御する制御弁１０ｅ、原料ガスを搬送するポンプ等の搬送要素１０ｆ、原料ガスのガス源１０ｋが接続されている。改質器１は、水蒸気を利用して原料ガスを改質させて水素リッチな燃料ガス（燃料）を生成する。このため改質器１で改質された燃料ガスは水蒸気を含むことが多い。
【００２０】
第１燃焼器２は、燃焼用原料としての燃焼用ガスを燃焼させることにより改質器１を改質反応に適するように加熱する。第１燃焼器２は改質器１を効果的に加熱できるように改質器１に隣接されている。改質器１と第１燃焼器２とで改質ユニットを構成する。第１燃焼器２に燃焼用ガスを供給する燃焼用ガス通路２２が設けられている。燃焼用ガス通路２２には、燃焼用ガスの流量を調整する制御弁２２ｅが設けられている。
【００２１】
燃料電池３は燃料極と酸化剤極とを有する。燃料電池３は発電運転により昇温するため、冷却水通路３２を流れる冷却水により冷却され、燃料電池３の過熱が抑制されている。供給通路４は、改質器１の出口１ｐと燃料電池３の燃料極の入口３ｉとを繋ぐ。供給通路４には、供給弁５０（燃料遮断要素）が燃料電池３の燃料極の入口３ｉの上流に位置して設けられている。
【００２２】
改質器１で改質された燃料ガスは、供給通路４を介して燃料電池３の燃料極に供給される。酸化剤通路３３から酸化剤ガス（空気）が燃料電池３の酸化剤極に供給される。これにより燃料電池３は発電する。燃料電池３の燃料極の燃料出口３ｐと第１燃焼器２とを繋ぐ帰還通路６が設けられている。帰還通路６には開閉可能な帰還弁６０（燃料遮断要素）が設けられている。燃料電池３で発電反応に使用された燃料オフガス（燃料オフ流体）には、燃料成分が残留していることがある。そこで、帰還弁６０が開放すると、帰還通路６は、燃料電池３で発電反応に使用された燃料オフガスを燃料極の出口３ｐから第１燃焼器２に帰還させ、第１燃焼器２で再利用する。
【００２３】
図１に示すように、供給通路４には分岐部４ａを介してバイパス通路６５が設けられている。バイパス通路６５は、改質器１で改質された燃料ガスを燃料電池３に流さないように、燃料電池３を迂回させるものである。バイパス通路６５には、開閉可能なバイパス弁６６（燃料遮断要素）が設けられている。システムの起動時には、改質器１の温度が必ずしも充分に安定していない。このため、改質器１の改質反応で生成された燃料ガスの組成は、必ずしも充分に安定していないことがある。そこで、システムの起動時には、供給弁５０を遮断し、バイパス弁６６を開放させて、改質器１からの燃料ガスを燃料電池３に流さず、バイパス通路６５から第１燃焼器２に帰還させる。これにより起動直後に改質された燃料ガスは、第１燃焼器２の燃焼に再利用される。
【００２４】
図１に示すように、内圧・水分低減手段７が供給通路４に繋がれている。内圧・水分低減手段７は、（ｉ）改質器１の内圧Ｐ１が所定値よりも高いとき、改質器１で改質された燃料ガスを燃料電池３外へ放出することにより改質器１の過剰内圧を低減させる機能と、（ｉｉ）改質器１で改質され燃料電池３外へ放出された燃料ガスの水分を低減または除去する機能とを併有する。
【００２５】
具体的には、内圧・水分低減手段７は、改質器１と第１燃焼器２とを繋ぐように供給通路４の分岐部４ｂから分岐された第１分岐通路７１と、第１分岐通路７１に設けられた第１リリーフ弁７２（第１過剰内圧解放要素）と、第１分岐通路７１（第１分岐通路７１は帰還通路６と合流している）に設けられた第１凝縮器７３（第１水分低減要素）とを備えている。第１分岐通路７１は、燃料ガスを燃料電池３外に、つまり、第１燃焼器２に放出するための通路である。
【００２６】
図２は第１リリーフ弁７２の概念を模式的に示す。図２に示すように、第１リリーフ弁７２は、圧力に機械的に応答する圧力応答式のリリーフ弁であり、改質器１に繋がる弁口７２０と、弁口７２０を開閉可能に閉鎖する弁体７２１と、弁体７２１を閉鎖方向（矢印Ｋ１方向）に付勢するバネ７２２とを備えている。弁体７２１の上流の圧力Ｐ１（改質器１の内圧Ｐ１に相当）がバネ７２２の付勢力に打ち勝つと、弁体７２１が開放方向（矢印Ｋ２方向）に移動し、弁口７２０が開放される。つまり、改質器１の内圧Ｐ１が所定値よりも高いとき、第１リリーフ弁７２は開放し、改質器１の過剰内圧を低減させる。
【００２７】
図３は第１凝縮器７３を模式的に示す。第１凝縮器７３は、改質器１で改質された燃料ガスの水分を低減または除去する。第１凝縮器７３は熱交換器の１種であり、冷却水（冷媒）が流れる冷却通路７３８をもち、冷却通路７３８を流れる冷却水により燃料ガスを冷却する。これにより燃料ガスに含まれる水分（湿分）が凝縮して、液体としての凝縮水となる。図３に示すように、第１凝縮器７３は、燃料ガスの入口７３ｉおよび出口７３ｐをもつハウジング７３０と、ハウジング７３０に設けられた熱交換部７３２と、ハウジング７３０に設けられた貯水室７３３と、貯水室７３３の貯水量を検知する液面レベルセンサ７３４と、貯水室７３３の水を排出するドレイン弁７３５とをもつ。液面レベルセンサ７３４で検知されている貯水室７３３の貯水量が所定量を超えると、ドレイン弁７３５が開放し、貯水室７３３の水が排出される。冷却水通路７３８を流れる冷却水は、熱交換部７３２で高温の燃料ガスと熱交換し、温水となる。燃料ガスは、出口７３ｐから第１燃焼器２に向けて流れる。
【００２８】
図１に示すように、第１分岐通路７１は、供給通路４のうち改質器１と燃料電池３との間に設けられている分岐部４ｂから分岐されている。供給通路４において分岐部４ｂは、分岐部４ａよりも上流に位置する。第１分岐通路７１はバイパス通路６５と並行に配置されている。
【００２９】
さて使用方法について説明を加える。起動時には、供給弁５０および帰還弁６０が閉鎖されている。先ず、制御弁２２ｅが開放して燃焼用ガス通路２２から燃焼用ガス（燃焼用原料）が第１燃焼器２に供給されるとともに、空気通路２３から空気が第１燃焼器２に供給され、第１燃焼器２で燃焼用ガスが燃焼する。これにより改質器１が次第に加熱されて昇温する。送給通路１０により原料ガスおよび水蒸気が改質器１に供給され、改質器１において改質反応により水素リッチな燃料ガスが生成される。
【００３０】
しかしシステムの起動時初期には、改質器１の温度が必ずしも充分に安定していないことがある。このため、改質器１の改質反応で生成された燃料ガスの組成は、必ずしも充分に安定していないことがある。例えば、定常運転のときよりも、水素濃度が低いことがある。また、燃料電池３の燃料極に担持されている触媒に影響を与える物質が燃料ガスに含有されているおそれがある。
【００３１】
そこで本実施例によれば、システムの起動時初期には、供給弁５０および帰還弁６０が閉鎖されている状態で、バイパス弁６６を開放して、改質器１からの燃料ガスを燃料電池３の燃料極に流さず、バイパス通路６５から凝縮器７３を介して第１燃焼器２に帰還させる。これにより燃料ガスは第１燃焼器２の燃焼に再利用される。
【００３２】
第１燃焼器２での燃焼が継続されると、改質器１の温度が安定する。改質器１の改質反応で生成された燃料ガスの組成も次第に安定する。そこで、バイパス弁６６が閉鎖した状態で、供給弁５０および帰還弁６０が開放する。すると、改質器１で生成された燃料ガスは、供給通路４および供給弁５０を経て燃料電池３の燃料極の入口３ｉに至り、発電反応に使用される。更に、発電反応を経た燃料は燃料オフガスとなる。燃料オフガスは、燃料電池３の燃料極の出口３ｐから帰還通路６に吐出され、帰還通路６および帰還弁６０を経て、更に第１凝縮器７３を経て第１燃焼器２に帰還する。これにより燃料オフガスは第１燃焼器２の燃焼に再利用される。
【００３３】
ところで、改質器１および燃料電池３が定常運転しているときにおいて、運転条件によっては、予想外の事情などにより、改質器１の内圧Ｐ１が上昇することがある。供給通路４に進入した異物の堆積等による影響が考えられる。また、非常時等の停電により供給弁５０が閉弁するときが考えられる。このように改質器１の内圧Ｐ１が上昇する場合、燃料電池３の発電性能に影響を与えるおそれがある。
【００３４】
そこで、改質器１の内圧Ｐ１が所定値を超えると、これに応答して第１リリーフ弁７２が自動的に開放する。これにより改質器１の燃料ガスが第１分岐通路７１および第１リリーフ弁７２を介して第１燃焼器２側に流れ込む。このため改質器１における内圧Ｐ１の過剰増加が抑制される。よって改質器１の運転が安定する。ひいては、改質器１での改質反応が安定し、改質器１で改質された燃料ガスの組成が安定する。主として定常運転のとき、第１リリーフ弁７２が開放して改質器１の内圧Ｐ１の過剰化が抑制される。故に、燃料電池３は発電しており、燃料電池３の発電運転が安定する。
【００３５】
そして、改質器１で改質された燃料ガスは、第１分岐通路７１および第１リリーフ弁７２および第１凝縮器７３を介して第１燃焼器２に帰還する。これにより燃料ガスは第１燃焼器２の燃焼に再利用される。この場合には、第１燃焼器２で燃焼されるガスが増加するため、第１燃焼器２の燃焼を制御することが好ましい。そこで、図略の制御装置は、燃焼用ガス通路２２を介して第１燃焼器２に燃焼用ガスを供給するポンプ等の搬送要素の搬送力を調整したり、あるいは、燃焼用ガス通路２２の制御弁２２ｅの流量を調整したりする。これにより第１燃焼器２の過熱を抑制する。
【００３６】
なお、第１リリーフ弁７２が開放する基準値としての前記した所定値は、燃料電池３の種類、運転条件等によって適宜選択される任意の値である。
【００３７】
また、改質器１の内圧Ｐ１が所定値以下になると、第１リリーフ弁７２の付勢バネ７２２の付勢力が改質器１の内圧Ｐ１に打ち勝つので、第１リリーフ弁７２は閉鎖されるため、改質器１の燃料ガスは、第１分岐通路７１および第１リリーフ弁７２を第１燃焼器２に向けて流れない。
【００３８】
以上説明したように本実施例によれば、改質器１の内圧Ｐ１が所定値を超えると、これに応答して第１リリーフ弁７２が自動的に開放し、改質器１の内圧Ｐ１の過剰増加が抑制される。よって改質器１における操業が安定し、改質器１における改質反応が安定し、改質器１で改質された燃料ガスの組成が安定する。これにより燃料電池３の発電運転が安定する。
【００３９】
第１リリーフ弁の開放により、第１分岐通路７１を経て第１燃焼器２に供給される燃料ガスは、水分を含むことが多い。この点本実施例によれば、燃料ガスは、第１リリーフ弁を介して第１凝縮器７３に至り、第１凝縮器７３で水分が低減または除去され、その後、第１燃焼器２に供給されて第１燃焼器２での燃焼に使用される。従って、第１リリーフ弁および第１凝縮器７３を経て第１燃焼器２に供給される燃料ガスでは、水分がかなり除去されている。従って、第１燃焼器２における燃焼の安定性を損なうことが抑制される。このように、水分を含む燃料ガスを再利用のために第１リリーフ弁を介して第１燃焼器２側に供給するときであっても、第１燃焼器２における燃焼温度、改質器１の温度が安定するため、改質器１における改質反応が安定する。
【実施例２】
【００４０】
図４は実施例２を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図４に示すように、供給通路４には第２水分低減手段として機能する第２凝縮器７９が設けられている。第２凝縮器７９は改質器１と燃料電池３との間に配置されており、熱交換器の１種であり、冷却水（冷媒）が流れる冷却通路をもち、冷却通路を流れる冷却水により燃料ガスを冷却する。これにより燃料ガスに含まれる水分（湿分）が凝縮して、液体としての凝縮水となる。
【００４１】
改質器１で改質された燃料ガスが燃料電池３の燃料極の入口３ｉに向かうとき、燃料ガスの水分は第２凝縮器７９で凝縮される。このため燃料電池３におけるフラッディングを防止するのに寄与できる。フラッディングとは、燃料電池３の内部において水によりガス通路の流路が塞がれることをいう。
【００４２】
本実施例によれば、図４に示すように、改質器１の出口１ｐから第１分岐通路７１を経て第１燃焼器２に向かうにつれて、改質器１、第２凝縮器７９、第１リリーフ弁７２、第１凝縮器７３、第１燃焼器２がこの順に配置されている。従って改質器１の内圧Ｐ１が所定値を超えるとき、第１リリーフ弁７２の開放により、燃料ガスは、第１リリーフ弁７２を介して第１凝縮器７３に至り、第１凝縮器７３で水分が低減または除去され、その後、第１燃焼器２に供給されて第１燃焼器２での燃焼に使用される。従って、第１燃焼器２における燃焼の安定性を損なうことが抑制される。殊に、第１凝縮器７３および第２凝縮器７９の双方を経ているため、燃料ガスの水分が効果的に除去されている。このため第１リリーフ弁７２を介して第１燃焼器２に供給される燃料ガスは水分が一層少ないものとなり、第１燃焼器２における燃焼が一層安定する。
【００４３】
また、改質器出口のガス温度は一般的には１００〜２００℃であり、第１リリーフ弁７２のシール部材７２１の材質に制約を与えるが、改質器出口から吐出される燃料ガスを冷却させて凝縮させる第２凝縮器７９，第１リリーフ弁７２の順に配置されているので、第２凝縮器７９を通過した燃料ガスの温度は１００℃以下となり、シール部材７２１に安価な材料を使用できる。
【実施例３】
【００４４】
図５および図６は実施例３を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図５に示すように、供給通路４には第２水分低減手段として機能する第２凝縮器７９が改質器１と燃料電池３との間に設けられている。
【００４５】
内圧・水分低減手段７Ｃは、第１燃焼器２に直接繋がれないように供給通路４の分岐部４ｅから分岐した第２分岐通路８０Ｓと、第２分岐通路８０Ｓに設けられた第２過剰内圧解放要素としての第２リリーフ弁７２Ｓと、第２分岐通路８０Ｓにおいて第２リリーフ弁７２Ｓよりも下流に設けられた第２燃焼器２Ｓを備えている。第２分岐通路８０Ｓは、改質器１で改質された燃料ガスを燃料電池３外に、つまり、第２燃焼器２Ｓに放出するための通路である。第２分岐通路８０Ｓの先端は外気に繋がる。
【００４６】
第２リリーフ弁７２Ｓは、改質器１の内圧Ｐ１が所定値よりも高いとき、これに応答して開放して改質器１における過剰内圧を低減させる。第２リリーフ弁７２Ｓは第１リリーフ弁７２と同じ構造をもつことができる。第２燃焼器２Ｓは温水生成のために第１燃焼器２に対して独立して設けられており、触媒併有型であり、つまり、外部からの着火操作を必要としない自然燃焼式であり、改質器１で改質された燃料ガスを燃焼させる。
【００４７】
図６は第２燃焼器２Ｓの概念を模式的に示す。図５に示すように、第２燃焼器２Ｓは、燃料ガスを燃焼させる燃焼機能と、温水を生成させる温水生成機能とを併有する。第２燃焼器２Ｓは、燃料ガスの入口９０ｉおよび燃料ガスの出口９０ｐをもつハウジング９０と、ハウジング９０に配置された触媒装置９１と、ハウジング９０に配置された熱交換装置９２とを併有する。具体的には、第２燃焼器２Ｓの触媒装置９１は、セラミックスで形成されたペレットまたはハニカム状の担体と、担体に担持された触媒とをもつ。触媒としては白金、パラジウム、ロジウムが例示される。熱交換装置９２は、水が通水される通水路９３を備える。
【００４８】
改質器１の内圧Ｐ１が所定値よりも高いとき、改質器１の内圧Ｐ１に応答して第２リリーフ弁７２Ｓが自動的に開放する。故に、供給通路４の燃料ガスは第２リリーフ弁７２Ｓ、第２燃焼器２Ｓの入口９０ｉを経て、触媒装置９１に至る。触媒装置９１では、触媒作用により、着火機構を要することなく、燃料ガスは水素リッチであるため、自然燃焼して高温の燃焼排ガスとなる。高温の燃焼排ガスは熱交換装置９２に至り、通水路９３の水を加熱して温水とする。温水は貯湯槽等に供給される。
【実施例４】
【００４９】
図７および図８は実施例４を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。本実施例によれば、併有弁１００が第１分岐通路７１に設けられている。併有弁１００は、実施例１で用いられているリリーフ弁７２のリリーフ機能と、バイパス弁６６のバイパス機能とを併有する。図８は併有弁１００の概念を模式的に示す。図８に示すように、併有弁１００は、入口１００ｉ、出口１００ｐおよび弁口１０２をもつハウジング１０３と、弁口１０２を閉鎖する弁体１０５と、弁体１０５をもつプランジャ１０６と、プランジャ１０６の弁体１０５で弁口１０２を閉鎖する方向に弁体１０５を閉弁方向に付勢する付勢バネ１０７と、弁体１０５をもつプランジャ１０６を開弁動作させる励磁コイル１０８とをもつ。
【００５０】
励磁コイル１０８に通電されていないときには、付勢バネ１０７により弁体１０５が閉鎖する方向（矢印Ｍ２方向）に移動し、弁口１０２が閉鎖しており、入口１００ｉおよび出口１００ｐが非連通とされている。入口１００ｉ側の圧力が所定値以下であるときには、付勢バネ１０７の付勢力が入口１００ｉ側の圧力に打ち勝つため、弁体１０５が付勢バネ１０７に抗してい開放方向に移動し、弁口１０２は閉鎖されている。入口１００ｉ側の圧力が所定値を超えると、入口１００ｉ側の圧力が付勢バネ１０７の付勢力に打ち勝つため、弁口１０２は閉鎖される。
【００５１】
励磁コイル１０８に通電されると、磁気吸引力が発生するため、磁性材料で形勢された弁体１０５が開放する方向（矢印Ｍ１方向）に移動し、弁口１０２が開放し、入口１００ｉおよび出口１００ｐが連通する。
【００５２】
実施例１の場合と同様に、システムの起動時には、供給弁５０および帰還弁６０が閉鎖されている。第１燃焼器２に燃焼用ガスおよび空気が供給され、第１燃焼器２で燃焼用ガスが燃焼する。これにより改質器１が次第に加熱されて昇温する。システムの起動時には、改質器１の温度が必ずしも充分に安定していない。このため、改質器１の改質反応で生成された燃料ガスの組成は、必ずしも充分に安定していない。そこで、システムの起動時には、供給弁５０および帰還弁６０が閉鎖された状態で、併有弁１００の励磁コイル１０８に通電される。このため弁体１０５が開放する方向（矢印Ｍ１方向）に移動し、弁口１０２が開放し、入口１００ｉおよび出口１００ｐが連通し、併有弁１００が開放する。これにより供給通路４を流れる燃料ガスは、併有弁１００の入口１００ｉおよび出口１００ｐを経て、第１凝縮器７３に至り、第１凝縮器７３で水分が除去される。このように水分が除去された燃料ガスが第１凝縮器７３を経て第１燃焼器２に至り、第１燃焼器２で再利用される。
【００５３】
燃料電池３が発電運転しているとき、運転条件によっては、改質器１の内圧Ｐ１が上昇することがある。そこで、改質器１の内圧Ｐ１が所定値を超えると、併有弁１００の弁体１０５の受圧部１０９に受圧される受圧力ＦＡ（図８参照）が増加する。このため受圧力が付勢バネ１０７の付勢力に打ち勝ち、弁体１０５が開放する方向（矢印Ｍ１方向）に移動し、弁口１０２が開放し、併有弁１００の入口１００ｉおよび出口１００ｐが連通する。これにより供給通路４を流れる燃料ガスは、併有弁１００の入口１００ｉおよび出口１００ｐを経て、第１凝縮器７３に至り、第１凝縮器７３で水分が除去される。このように水分が除去された燃料ガスが第１凝縮器７３を経て第１燃焼器２に至り、第１燃焼器２で再利用される。
【００５４】
改質器１の内圧Ｐ１が所定値以下になると、併有弁１００の弁体１０５の受圧部１０９に受圧される受圧力ＦＡ（図８参照）よりも付勢バネ１０７の付勢力が打ち勝ち、併有弁１００は閉鎖される。
【実施例５】
【００５５】
図９（Ａ）（Ｂ）は実施例５を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有するため、図１を準用する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。第１水分低減要素３００Ｄは、燃料ガスの入口３００ｉおよび燃料ガスの出口３００ｐをもつハウジング３００と、ハウジング３００に配置された旋回通路３０２と、旋回通路３０２の下方に配置された貯水室３０３と、貯水室３０３の貯水量を検知する液面レベルセンサ３０４と、液面レベルセンサ３０４が所定水量を検知する開放して貯水室３０３の水を排出するドレイン弁３０５とをもつ。旋回通路３０２は、改質器１で改質された燃料ガスを中心線Ｅ１の回りで旋回させて旋回流とする。これにより燃料ガスに含まれている水分を、旋回により機械的に低減または除去させる。除去された水は貯水室３０３に溜まる。
【実施例６】
【００５６】
図１０は実施例６を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有するため、図１を準用する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図１０に示すように、第１水分低減要素４００Ｄは、燃料ガスの入口４００ｉおよび燃料ガスの出口４００ｐをもつハウジング４００と、ハウジング４００に配置されたラビリンス通路４０２と、ラビリンス通路４０２の下方に配置された貯水室４０４と、貯水室４０４の貯水量を検知する液面レベルセンサ４０５と、液面レベルセンサ４０５が所定水量を検知する開放して貯水室４０４の水を排出するドレイン弁４０７とをもつ。ラビリンス通路４０２は複数の曲成部４０９をもつ。ラビリンス通路４０２においては、改質器１で改質された燃料ガスを複数回衝突させて、燃料に含まれている水分を機械的に低減または除去させる。
【実施例７】
【００５７】
図１１は実施例７を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図１１に示すように、改質器の内圧Ｐ１を検知する圧力センサ５００が設けられている。圧力センサ５００の検知信号は信号線５０１を介して制御装置５２０に入力される。制御装置５２０は信号線５２１を介してリリーフ弁７２Ｅを制御する。ここで、改質器１の内圧Ｐ１が所定値を超えると、圧力センサ５００がこれを検知し、制御装置５２０が第１リリーフ弁７２Ｅを開放する。これにより改質器１の燃料ガスが第１分岐通路７１および第１リリーフ弁７２Ｅを介して第１凝縮器７３に流れ、更に第１燃焼器２側に流れ込む。このため、改質器１における内圧Ｐ１の過剰増加が抑制されると共に、第１燃焼器２に供給される燃料ガスの水分が第１凝縮器７３により除去される。
【実施例８】
【００５８】
図１２は実施例８を示す。本実施例は実施例１と基本的には共通の構成および共通の作用効果を有する。以下、実施例１と相違する部分を中心として説明する。図１２に示すように、水素吸蔵合金または水素タンクで形成された燃料貯蔵装置３Ｍが燃料ユニットとして設けられている。改質器１で改質された燃料ガスは、供給通路４を介して燃料貯蔵装置３Ｍに供給されて貯蔵される。
【００５９】
本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。旋回通路またはラビリンス通路をもつ凝縮器の構造は、他の実施例に適用しても良いものである。第２凝縮器７９については、冷却で凝縮させる他に、前記した旋回通路またはラビリンス通路をもつ構造としても良い。
【００６０】
上記した記載から次の技術的思想が把握される。
・改質用原料を改質させて燃料を生成する改質器と、燃焼用原料を燃焼させることにより改質器を改質反応に適するように加熱する第１燃焼器と、改質器で改質された燃料が供給通路を介して供給される燃料ユニットとを具備する燃料改質システムにおいて、第１燃焼器に直接繋がらない第２分岐通路が供給通路から分岐しており、改質器の内圧が所定値よりも高いとき、改質器で改質された燃料を燃料ユニット外へ放出することにより改質器の過剰内圧を解放する第２リリーフ弁が第２分岐通路に設けられていることを特徴とする燃料改質システム。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係る燃料改質システムは、例えば、定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、携帯用等の燃料電池発電システムに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施例１に係り、燃料電池発電システムの構成図である。
【図２】燃料電池発電システムのリリーフ弁の構成図である。
【図３】燃料電池発電システムの第１凝縮器の構成図である。
【図４】実施例２に係り、燃料電池発電システムの構成図である。
【図５】実施例３に係り、燃料電池発電システムの構成図である。
【図６】実施例３に係り、燃料電池発電システムの第２燃焼器の構成図である。
【図７】実施例４に係り、燃料電池発電システムの構成図である。
【図８】燃料電池発電システムの併有弁の構成図である。
【図９】実施例５に係り、（Ａ）は燃料電池発電システムの第１水分低減要素の平面図であり、（Ｂ）は燃料電池発電システムの第１水分低減要素の側面を示す構成図である。
【図１０】実施例６に係り、燃料電池発電システムの第１水分低減要素の構成図である。
【図１１】実施例７に係り、燃料電池発電システムの構成図である。
【図１２】実施例８に係り、燃料電池発電システムの構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
１は改質器、２は第１燃焼器、２Ｓは第２燃焼器、３は燃料電池（燃料ユニット）、４は供給通路、６は帰還通路、６０は帰還弁、６５はバイパス通路、６６はバイパス弁、７は内圧・水分低減手段、７１は第１分岐通路、７２は第１リリーフ弁（第１過剰内圧解放要素）、７３は第１凝縮器（第１水分低減要素）、７９は第２凝縮器（第２水分低減要素）、８０Ｓは第２分岐通路を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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