(57)【要約】 【課題】水添脱硫器のあるシステムでも、リサイクルブロアの設置が省略でき、かつ安定したリサイクルが確保できる燃料電池発電システムを提供することである。【解決手段】本実施形態の燃料電池発電システムは、燃料ブロア（３）と、前記燃料ブロアから供給される改質ガスが添加された燃料ガスから硫黄成分を除去する水添脱硫器（４）と、前記水添脱硫器によって硫黄成分が除去された燃料ガスを改質する改質器（５）と、前記改質器からの改質ガスが供給される燃料電池本体（６）と、前記燃料ブロアの上流に設けられ、前記燃料ブロアに供給される前記改質器からの改質ガスの圧力を調整するための圧力調整部（１４，１２）とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ブロアと、
前記燃料ブロアを介して供給される改質ガスが添加された燃料ガスから硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器によって硫黄成分が除去された燃料ガスを改質する改質器と、
前記改質器からの改質ガスが供給される燃料電池本体と、
前記燃料ブロアの上流に設けられ、前記燃料ブロアに供給される前記改質器からの改質ガスの圧力を調整するための圧力調整部と
を具備することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記圧力調整部は、ガス配管から前記燃料ブロアに供給される燃料ガスの圧力を調整する圧力調整オリフィスを含む請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記圧力調整部は、ガス配管から前記燃料ブロアに供給される燃料ガスの圧力を調整する自力式圧力ガバナを含む請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記圧力調整部は、ガス配管から前記燃料ブロアに供給される燃料ガスの流量に対してリニアな圧損特性を有する装置である請求項１記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記圧力調整部は、さらに、前記改質器から供給される改質ガスを前記燃料ブロアの上流に導くためのリサイクルガス流路上に設けられたリサイクル流量制限オリフィスを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池が知られている。この燃料電池は、燃料である水素と、酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという、環境性に優れた特徴を有するシステムである。近年まで、比較的大型のPAFC（りん酸形）が主に開発されてきたが、最近では小型のPEFC（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化し、2009年度から、家庭用燃料電池発電システムの商品化も実現している。
【０００３】
ところで、燃料成分には付臭剤として硫黄成分が添加されている。この硫黄成分は、改質触媒や燃料電池触媒に付着し性能低下を引き起こすことから、燃料電池発電システムでは、燃料ガス中の硫黄成分を除去してから、水素に改質することが一般的である。この硫黄成分を除去する方式として、乾式脱硫と水添脱硫方式の2種類が主流である。このうち、水添脱硫方式の場合は、脱硫器の上流で水素の添加が必要であり、このため通常は改質した水素を、ブロア等により水添脱硫器上流へ戻すことが一般的である。
【０００４】
図５は、従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。同図に示すように、燃料電池発電システムパッケージ１０には、燃料遮断弁２、燃料ブロア３、水添脱硫器４、改質器５、燃料電池６、水素リサイクルブロア７が収められている。ガス配管１から導入された燃料ガスには、燃料遮断弁２を経由し、改質器５からの改質ガスが水素リサイクルブロア７を介して添加される。この改質ガスが添加された燃料ガスは、燃料ブロア３を経て、水添脱硫器４に導入される。水添脱硫器４にて硫黄成分を除去された燃料ガスは、改質器５にて水素リッチな改質ガスに改質され、燃料電池６に導入され、発電が行われる。また、改質器５からの改質ガスの一部は、リサイクルガス流路８上に設けられた水素リサイクルブロア７により、燃料ブロア３の上流に導かれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３２０７６１号公報
【特許文献２】特開２００９−２６５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の例では、水素リサイクルを行うために、水素リサイクルブロアを設けているが、ブロアの設置は、コストアップになること、機器故障のリスクが上がるという問題があった。また、特許文献１、２では、単に上流と下流を接続することのような記載もあるが、現実的にはこれだけでは出力帯全域で必要なリサイクルを確保することが困難である。
【０００７】
発明が解決しようとする課題は、水添脱硫器のあるシステムでも、リサイクルブロアの設置が省略でき、かつ安定したリサイクルが確保できる燃料電池発電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】
【０００８】
本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料ブロアと、前記燃料ブロアを介して供給される改質ガスが添加された燃料ガスから硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器によって硫黄成分が除去された燃料ガスを改質する改質器と、前記改質器からの改質ガスが供給される燃料電池本体と、前記燃料ブロアの上流に設けられ、前記燃料ブロアに供給される前記改質器からの改質ガスの圧力を調整するための圧力調整部と
を具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水添脱硫器のあるシステムでも、リサイクルブロアの設置が省略でき、かつ安定したリサイクルが確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図３】圧力調整オリフィス(第１の実施の形態）、燃料ガバナ（第２の実施の形態）を使用した場合の燃料ブロアの入口圧力と改質器の出口圧力との関係を示す図である。
【図４】圧力調整オリフィス(第１の実施の形態）、燃料ガバナ（第２の実施の形態）及びキャピラリを使用した場合のリサイクル流量比率を示す図である。
【図５】従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。なお、図５と同一部分には、同一符号を付して説明する。
【００１３】
図５と異なる点は、燃料遮断弁２の下流であって、燃料遮断弁２と水添脱硫器４との間に圧力調整オリフィス１４が設けられ、水素リサイクルブロア７の代わりに、リサイクルガス流路８上にリサイクル流量制限オリフィス１１が設けられていることにある。
【００１４】
同図に示すように、燃料電池発電システムパッケージ１０には、燃料遮断弁２、圧力調整オリフィス１４、燃料ブロア３、水添脱硫器４、改質器５、燃料電池６、リサイクル流量制限オリフィス１１が収められている。ガス配管１から導入された燃料ガスは、燃料遮断弁２を経由し、圧力調整オリフィス１４により圧力調整が行なわれる。圧力調整オリフィス１４により圧力調整が行なわれた燃料ガスには、改質器５からリサイクル流量制限オリフィス１１を介して供給される水素リッチな改質ガスが添加される。この改質ガスが添加された燃料ガスは、燃料ブロア３を経て、水添脱硫器４に導入される。水添脱硫器４にて硫黄成分を除去された燃料ガスは、改質器５にて水素リッチな改質ガスとして燃料電池６に導入され、発電が行われる。また、改質器５からの改質ガスの一部は、リサイクルガス流路８上に設けられたリサイクル流量制限オリフィス１１により、燃料ブロア３の上流に導かれる。
【００１５】
本実施の形態においては、圧力調整オリフィス１４が設けられているため、流量が増加するとともに、圧力調整オリフィス１４の出口の圧力が低下する。これにより、その圧力と、改質器５出口の圧力との差に応じて、改質ガスがリサイクル流量制限オリフィス１１を経由して上流に流れる。また、リサイクル流量制限オリフィス１１は、リサイクルガス流路８を流れる改質器５からの改質ガスの一部の流量を制限する。
【００１６】
なお、本実施の形態においては、リサイクルガス流路８上にリサイクル流量制限オリフィス１１を設ける場合について説明したが、リサイクルガス流路８上にリサイクル流量制限オリフィス１１を設けなくても良い。
【００１７】
したがって、第１の実施の形態に係る燃料電池発電システムによれば、従来必要であった水素リサイクルブロアが不要となるため、低コストかつ高信頼性を有する燃料電池発電システムを提供することができる。
【００１８】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムについて説明する。
【００１９】
図２は、第２の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。なお、図１と同一部分には、同一符号を付して説明する。
【００２０】
図１と異なる点は、圧力調整オリフィス１４の代わりに、燃料ガバナ１２を設けたことにある。
【００２１】
第１の実施の形態では圧力調整オリフィス１４を設ける場合について説明した。圧力調整オリフィス１４を設ける場合、燃料電池６の発電出力が上昇するにつれて、圧力調整オリフィス１４の圧損が二乗で上昇するため、燃料ブロア３入口の圧力が二乗で低下していく。
【００２２】
本実施の形態では、燃料ガバナ（自力式圧力ガバナ）１２を燃料ブロア３の上流に設けることにより、燃料ブロア３の入口の圧力は、燃料電池６の発電出力に関係なく、常時２０mmAq(１９６[Pa])に制御される。ここで、1[mmAq]＝９．８[Pa]である。
【００２３】
ガス配管１から導入された燃料ガスは、燃料遮断弁２及び燃料ガバナ１２を経由し、改質器５からの改質ガスがリサイクル流量制限オリフィス１１を介して添加される。この改質ガスが添加された燃料ガスは、燃料ブロア３を経て、水添脱硫器４に導入される。水添脱硫器４にて硫黄成分を除去された燃料ガスは、改質器５にて水素リッチな改質ガスに改質されて燃料電池６に導入され、発電が行われる。また、改質器５からの改質ガスの一部は、リサイクルガス流路８上に設けられたリサイクル流量制限オリフィス１１により、燃料ブロア３の上流に導かれる。
【００２４】
リサイクル流量制限オリフィス１１は、リサイクルガス流路８を流れる改質器５からの改質ガスの一部の流量を制限する。
【００２５】
リサイクル流量は、燃料ブロア３の入口圧力と改質器５の出口圧力との差と、リサイクル流量制限オリフィス１１で決まる。また、リサイクル流量は、通常本流の燃料ガスに対して一定比率で導入されることが望ましい。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、リサイクルガス流路８上にリサイクル流量制限オリフィス１１を設ける場合について説明したが、リサイクルガス流路８上にリサイクル流量制限オリフィス１１を設けなくても良い。
【００２７】
図３は、圧力調整オリフィス(第１の実施の形態）、燃料ガバナ（第２の実施の形態）を使用した場合の燃料ブロア３の入口圧力と改質器５の出口圧力との関係を示す図である。
【００２８】
同図に示すように、圧力調整オリフィス１４(第１の実施の形態）を使用した場合には、燃料ブロア３の入口圧力は二乗で減少し、圧力調整オリフィス１４の圧力損失は二乗で上昇する。
【００２９】
燃料ガバナ１２（第２の実施の形態）を使用した場合には、燃料ブロア３の入口圧力は常時２０mmAq(１９６[Pa])に制御され、燃料ガバナ１２のの圧力損失はリニアに上昇する。
【００３０】
図４は、圧力調整オリフィス(第１の実施の形態）、燃料ガバナ（第２の実施の形態）及びキャピラリを使用した場合のリサイクル流量比率を示す図である。
【００３１】
図４に示すように、第１の実施の形態の圧力調整オリフィス１４を使用した構成では、出力が上昇するにつれてリサイクル比率が上昇することがわかる。また、第２の実施の形態の燃料ガバナ１２を使用した構成では、燃料ガバナ１２の効果により、リサイクル流量比率をほぼ一定に維持できる。
【００３２】
したがって、第２の実施の形態では、リサイクル流量比率をほぼ一定に維持することができるため、コストが安く、かつ安定した脱硫特性を維持することができる。
【００３３】
なお、上記燃料ガバナ１２や圧力調整オリフィス１４の代わりに、キャピラリや整流器等を設けても良い。これらは、流量に対して圧力損失特性が比較的リニアとなるため、第１の実施の形態（圧力調整オリフィス）と第２の実施の形態（燃料ガバナ）との間の特性が得られることとなる。キャピラリを使用した場合のリサイクル流量比率が図４に示されている。
【００３４】
このようにキャピラリや整流器を設けた場合であっても、従来必要であった水素リサイクルブロアが不要となるため、低コストかつ高信頼性を有する燃料電池発電システムを提供することができる。また、リサイクル流量比率をほぼ一定に維持することができるため、コストが安く、かつ安定した脱硫特性を維持することができる。
【００３５】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１…ガス配管、２…燃料遮断弁、３…燃料ブロア、４…水添脱硫器、５…改質器、６… 燃料電池、７…水素リサイクルブロア、８…リサイクルガス流路、１０…燃料電池発電システムパッケージ、１１…リサイクル流量制限オリフィス、１２…燃料ガバナ、１４…圧力調整オリフィス。
【図１】
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【図２】
2013225411.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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