(57)【要約】【課題】従来よりも起動性が向上する燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器９と、改質器９に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器８と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池１０と、水素源７と、水添脱硫器８に流入する前の原料に水素源７より供給される水素が流れる第１の流路５と、第１の流路５に設けられた第１の開閉弁１と、燃料電池１０のアノードガス流路に水素源７より供給される水素が流れる第２の流路６と、第２の流路６に設けられた第２の開閉弁２と、起動時に第１の開閉弁１と第２の開閉弁２とを共に開放する制御器１１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、水素源と、前記水添脱硫器に流入する前の原料に前記水素源より供給される水素が流れる第１の流路と、前記第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、前記燃料電池のアノードガス流路に前記水素源より供給される水素が流れる第２の流路と、前記第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、起動時に前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを共に開放する制御器とを備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に流入する前の水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に流入する原料に供給するためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に設けられた第３の開閉弁とを備え、起動時に、前記制御器は、前記第１の開閉弁、及び第２の開閉弁を共に開放するとともに、前記第３の開閉弁を閉止する、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃料電池をバイパスして、水素含有ガスを燃焼器に供給するためのバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられた第４の開閉弁とを備え、起動時に、前記制御器は、前記第１の開閉弁、第２の開閉弁及び第４の開閉弁を共に開放するとともに、前記第３の開閉弁を閉止する、請求項２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】
燃料電池システムは、水素及び酸素を用いて発電するシステムである。
【０００３】
水素生成装置は、天然ガス、都市ガス、ＬＮＧ等に例示される原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成し、燃料電池に供給する。
【０００４】
ここで、起動時に改質器で水素含有ガスが生成されるまでの間、水素吸蔵合金を充填した水素タンクより水添脱硫器に流入する原料に水素を添加する水素生成装置を備える燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９２７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の燃料電池システムでは、改質器で生成した水素含有ガスを燃料電池に供給可能な状態になるまでの間、燃料電池の発電が開始されないが、その点について検討されていない。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、従来よりも起動性が向上する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、水素源と、前記水添脱硫器に流入する前の原料に前記水素源より供給される水素が流れる第１の流路と、前記第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、前記燃料電池のアノードガス流路に前記水素源より供給される水素が流れる第２の流路と、前記第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、起動時に前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを共に開放する制御器とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、従来よりも起動性が向上する燃料電池システムを提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図
【図４】第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図
【図６】第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフロー図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
第１実施形態の燃料電池システムは、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に供給される原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、水素源と、水添脱硫器に流入する前の原料に水素源より供給される水素が流れる第１の流路と、第１の流路に設けられた第１の開閉弁と、燃料電池のアノードガス流路に水素源より供給される水素が流れる第２の流路と、第２の流路に設けられた第２の開閉弁と、起動時に第１の開閉弁と第２の開閉弁とを共に開放する制御器とを備える。
【００１２】
上記構成により、改質器で生成した水素含有ガスを燃料電池に供給可能になるまでの間においても燃料電池で発電が出来る。従って、本実施形態の燃料電池システムは、従来よりも起動性が向上する。また、本実施形態の燃料電池システムは、改質器で水素含有ガスの生成が開始されてから初めて、この水素含有ガスの一部を原料に添加するシステムに比べ、水素が添加されていない原料を、水添脱硫器に供給される時間が短くなる。従って、本実施形態の燃料電池システムは、改質触媒の硫黄被毒が低減できる。また、水素の添加がなくても硫黄化合物を物理吸着可能な水添脱硫剤（例えば、ＣｕＺｎ系水添脱硫剤）を使用した場合に、本実施形態の燃料電池システムであれば、物理吸着により消費される脱硫剤量が減少し、水添脱硫剤の容量を低減し得る。
［装置構成］
図１は、第１実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成の一例を示す模式図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、第１の開閉弁１、第２の開閉弁２、第１の流路５、第２の流路６、水素源７、水添脱硫器８、改質器９、燃料電池１０、及び制御器１１を備える。
【００１４】
改質器９は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器９において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器、水蒸気を生成する蒸発器、及び蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素生成装置には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスである。
【００１５】
水添脱硫器８は、改質器９に供給される原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器８は、容器に水添脱硫剤が充填され構成される。水添脱硫剤は、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒が用いられる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。
【００１６】
燃料電池１０は、水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池としては、いずれの種類であっても良く、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及び燐酸形燃料電池等が例示される。
【００１７】
水素源７は、水素を供給可能であれば、その形態は任意である。具体的には、水素源７として、水素ボンベ、水素貯蔵合金を収納した容器、水の光分解を利用した水素発生器、嫌気性及び好気性水素発生微生物を備えた水素発生器等が例示される。なお、水素源７の水素濃度は、任意である。
【００１８】
第１の流路５には、水添脱硫器８に流入する前の原料に水素源７より供給される水素が流れる。
【００１９】
第２の流路６には、燃料電池１０のアノードガス流路に水素源７より供給される水素が流れる。
【００２０】
第１の開閉弁１は、第１の流路５に設けられている。第１の開閉弁１は、第１の流路５を開閉可能であれば、その形態は任意である。
【００２１】
第２の開閉弁２は、第２の流路６に設けられている。第２の開閉弁２は、第２の流路６を開閉可能であれば、その形態は任意である。
【００２２】
制御器１１は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
［動作］
図２は、第１実施形態の燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。
【００２３】
図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００において、起動時に、制御器１１は、第２の開閉弁２を開放し（ステップＳ１）、その後、燃料電池１０の発電を開始する（ステップＳ２）。具体的には、制御器１１が、図示されない電力変換器を制御して、燃料電池１０より電力を取り出す。
【００２４】
次に、制御器１１は、第１の開閉弁１を開放した後（ステップＳ３Ａ）、改質器９に原料の供給を開始する（ステップＳ４）。具体的には、制御器１１が、図示されない原料供給器を動作させて、改質器９への原料の供給を開始する。
【００２５】
なお、上記フローにおいて、燃料電池システム１００では、燃料電池１０の発電が開始した後、改質器９への原料の供給が開始されているが、そのタイミングは、同時であってもよいし、逆であってもよい。
【００２６】
つまり、燃料電池システム１００の起動時において、第１の開閉弁と第２の開閉弁とが共に開放され、水添脱硫器８及び燃料電池１０のそれぞれに水素源７より水素が供給されれば、ステップＳ１〜Ｓ４までの各ステップを実行するタイミングは任意である。
（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池に流入する前の水素含有ガスの一部を水添脱硫器に流入する原料に供給するためのリサイクル流路と、リサイクル流路に設けられた第３の開閉弁とを備え、起動時に、制御器は、第１の開閉弁、及び第２の開閉弁を共に開放するとともに、第３の開閉弁を閉止する。
【００２７】
上記構成により、第１実施形態と同様に燃料電池の起動時に水素源から水素を供給し、起動時間を短縮、改質触媒の被毒を低減できる効果を得る。さらに、上記構成により、改質器で水素に十分に転化されていない原料リッチなガスが水添脱硫器に流入する原料に添加されることで、水素源からの水素の添加量が低減することが抑制される。従って、本実施形態の燃料電池システムは、第３の開閉弁を閉止しない燃料電池システムに比べ、改質触媒の劣化を抑制し得る。
【００２８】
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
［装置構成］
図３は、第２実施形態にかかる燃料電池システム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
【００２９】
図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、第３の開閉弁３及びリサイクル流路１３を備える。
【００３０】
リサイクル流路１３は、燃料電池１０に流入する前の水素含有ガスの一部を水添脱硫器８に流入する原料に供給する流路である。
【００３１】
第３の開閉弁３は、リサイクル流路１３に設けられている。第３の開閉弁３は、リサイクル流路１３を開閉可能であれば、その形態は任意である。
【００３２】
上記以外で図１と同様の符号を付しているものは、第１実施形態の燃料電池システムとその構成が同様であるので、説明を省略する。
［動作］
図４は、本実施形態の燃料電池システム１００の動作の一例を示すフロー図である。
【００３３】
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００において、制御器１１は、ステップＳ２で燃料電池１０の発電を開始した後、第１の開閉弁１を開放するとともに第３の開閉弁３を閉止し（ステップＳ３Ｂ）、改質器９への原料の供給を開始する（ステップＳ４）。
【００３４】
本実施形態の燃料電池システム１００は、上記ステップ３Ｂ以外のステップについては、第１実施形態と同様に動作されるので、その説明を省略する。
（第３実施形態）
第３実施形態の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムにおいて、改質器を加熱する燃焼器と、燃料電池をバイパスして、水素含有ガスを燃焼器に供給するためのバイパス流路と、バイパス流路に設けられた第４の開閉弁とを備え、起動時に、制御器は、第１の開閉弁、第２の開閉弁及び第４の開閉弁を共に開放するとともに、第３の開閉弁を閉止する。
【００３５】
上記構成により、第３の開閉弁を閉止した状態で第４の開閉弁が開放されるので、改質器９を通過した可燃性ガスの一部がリサイクル流路に流入することなく、燃焼器に流入し、燃焼される。従って、本実施形態の燃料電池システムは、第２実施形態の燃料電池システムで得られる効果に加え、第３の開閉弁を閉止しない燃料電池システムに比べ、改質器の昇温が促進され、システムの起動性が向上するという効果が得られる。
【００３６】
本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第２実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。
［装置構成］
図５は、第３実施形態にかかる燃料電池システム１００の概略構成の一例を示す模式図である。
【００３７】
図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、第４の開閉弁４、燃焼器１２及びバイパス流路１４を備える。
【００３８】
燃焼器１２は、改質器９を加熱する。燃焼器１２の燃料は、いずれの燃料であってもよいが、例えば、燃料電池１０または改質器９より排出される水素含有ガスが用いられる。
【００３９】
バイパス流路１４は、燃料電池１０をバイパスして、水素含有ガスを燃焼器１２に供給する流路である。
【００４０】
第４の開閉弁４は、バイパス流路１４に設けられている。第４の開閉弁４は、バイパス流路１４を開閉可能であれば、その形態は任意である。
［動作］
図６は、第３実施形態の燃料電池システムの動作の一例を説明するフロー図である。
【００４１】
図６に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００において、制御器１１は、ステップＳ２で燃料電池１０の発電を開始した後、第１の開閉弁１、第２の開閉弁２及び第４の開閉弁４を共に開放するとともに、第３の開閉弁３を閉止し（ステップＳ３Ｃ）、改質器９への原料の供給を開始する（ステップＳ４）。
【００４２】
なお、ステップ３Ｃで第１の開閉弁１、第２の開閉弁２及び第４の開閉弁４のそれぞれを開放するタイミング、第３の開閉弁３を閉止するタイミングは、同時であってもよいし、相前後してもよい。つまり、燃料電池システム１００の起動時において、第１の開閉弁１、第２の開閉弁２及び第４の開閉弁４を共に開放するとともに、第３の開閉弁３を閉止されれば、これらの開閉弁の開閉タイミングは、任意である。
【００４３】
本実施形態の燃料電池システム１００は、上記ステップ３Ｃ以外のステップについては、第２実施形態と同様に動作されるので、その説明を省略する。
【００４４】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の燃料電池システムは、従来よりも起動性が向上するので燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１  第１の開閉弁
２  第２の開閉弁
３  第３の開閉弁
４  第４の開閉弁
５  第１の流路
６  第２の流路
７  水素源
８  水添脱硫器
９  改質器
１０  燃料電池
１１  制御器
１２  燃焼器
１３  リサイクル流路
１４  バイパス流路
１００  燃料電池システム
【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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