(57)【要約】【課題】改質器に導入される液体燃料の流量を安定化する。【解決手段】システム１は、改質器で液体燃料を改質して改質ガスを生成し、燃料電池で前記改質ガスを用いて発電するものであって、改質器に導入される液体燃料が流通するラインＬ１と、ラインＬ１に設けられ液体燃料を改質器側に圧送するポンプ部１４及び液体燃料をその内部に一時貯留する定油面器１５からなる貯留器１０と、ラインＬ１において貯留器１０の下流側に設けられ液体燃料を改質器側に圧送するポンプ１３と、を備えている。システム１では、定油面器１５が液体燃料の液面高さを略一定に保つようにして液体燃料を貯留し、且つその流出口１５ａがポンプ１３の吸込口１３ａよりも重力方向上方に配置されているため、貯留された液体燃料の圧力ヘッドが略一定に保たれつつ当該圧力ヘッドによって液体燃料が定油面器１５からポンプ１３に供給される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で前記改質ガスを用いて発電する燃料電池システムであって、
前記改質器に導入される前記液体燃料が流通する燃料流通ラインと、
前記液体燃料ラインに設けられ、前記液体燃料を前記改質器側に圧送する第１ポンプと、
前記液体燃料ラインにおいて前記第１ポンプの下流側に設けられ、前記液体燃料を前記改質器側に圧送する第２ポンプと、
前記液体燃料ラインにおいて前記第１ポンプの下流側且つ前記第２ポンプの上流側に設けられ、前記液体燃料をその内部に一時貯留する貯留容器と、を備え、
前記貯留容器は、前記液体燃料の液面高さが略一定に保たれるように前記液体燃料を貯留すると共に、
前記貯留容器における前記液体燃料の流出口は、前記第２ポンプにおける前記液体燃料の吸込口よりも重力方向上方に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記液体燃料の流路において前記貯留容器の下流側且つ前記第２ポンプの上流側に設けられ、前記液体燃料を脱硫する脱硫器を備え、
前記貯留容器の前記流出口は、前記脱硫器における前記液体燃料の流入口よりも重力方向上方に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム
【請求項３】
前記液体燃料の流路において前記脱硫器の下流側且つ前記第２ポンプの上流側に設けられ、前記液体燃料を冷却する冷却器を備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２ポンプは、定流量ポンプであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２ポンプの下流側から前記第２ポンプ上流側に前記液体燃料の一部を戻すためのスピルバックラインを備え、
前記スピルバックラインには、安全弁又はオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池
【請求項６】
前記第２ポンプの下流側から前記第２ポンプ上流側に前記液体燃料の一部を戻すためのスピルバックラインを備え、
前記スピルバックラインには、安全弁及びオリフィスが当該スピルバックラインに対して互いに並列に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で改質ガスを用いて発電するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２４０９５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上述したような燃料電池システムでは、一般的に、ポンプで液体燃料が改質器側に圧送されることにより、液体燃料が改質器に導入される。しかし、ポンプで圧送された液体燃料の流量は変動し易いことから、場合によっては、改質器に導入される液体燃料の流量が不安定になるという問題がある。特に、燃料電池システムが家庭用のものであると、燃料処理システムに導入される液体燃料の流量が極めて少量であり且つ許容される流量変動幅が狭いため、かかる問題による悪影響は著しい。
【０００４】
そこで、本発明は、改質器に導入される液体燃料の流量を安定化することができる燃料電池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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、改質器で液体燃料を用いて改質ガスを生成し、燃料電池で改質ガスを用いて発電する燃料電池システムであって、改質器に導入される液体燃料が流通する燃料流通ラインと、液体燃料ラインに設けられ、液体燃料を改質器側に圧送する第１ポンプと、液体燃料ラインにおいて第１ポンプの下流側に設けられ、液体燃料を改質器側に圧送する第２ポンプと、液体燃料ラインにおいて第１ポンプの下流側且つ第２ポンプの上流側に設けられ、液体燃料をその内部に一時貯留する貯留容器と、を備え、貯留容器は、液体燃料の液面高さが略一定に保たれるように液体燃料を貯留すると共に、貯留容器における液体燃料の流出口は、第２ポンプにおける液体燃料の吸込口よりも重力方向上方に配置されていることを特徴とする。
【０００６】
この燃料電池システムでは、第１ポンプで圧送された液体燃料が貯留容器に一時貯留されるため、第１ポンプによる圧力変動を抑制することができる。さらに、貯留された液体燃料の液面高さが略一定に保たれるように貯留容器が構成されていると共に、この貯留容器の流出口が第２ポンプにおける液体燃料の吸込口よりも重力方向上方に配置されているため、貯留された液体燃料の圧力ヘッドを略一定に保ちつつ当該圧力ヘッドによって液体燃料を貯留容器から第２ポンプに供給することができ、第２ポンプに導入される液体燃料の圧力変動を低減することが可能となる。従って、第２ポンプで圧送された液体燃料の流量変動を抑制することができ、その結果、改質器に導入される液体燃料の流量を安定化することが可能となる。
【０００７】
ここで、液体燃料ラインにおいて貯留容器の下流側且つ第２ポンプの上流側に設けられ、液体燃料を脱硫する脱硫器を備え、貯留容器の流出口は、脱硫器における液体燃料の流入口よりも重力方向上方に配置されていることが好ましい。このように、第２ポンプの上流側に脱硫器が設けられる場合、第２ポンプに導入される液体燃料の圧力が一層変動し易いため、上記の貯留容器が設けられたことによる効果、すなわち、第２ポンプで圧送された液体燃料の流量変動を抑制し、改質器に導入される液体燃料の流量を安定化するという効果は顕著となる。加えて、貯留容器の流出口が脱硫器の流入口よりも重力方向上方に配置されているため、脱硫器に導入される液体燃料の圧力変動を低減することができ、脱硫器にて液体燃料を好適に脱硫することができる。
【０００８】
また、液体燃料ラインにおいて脱硫器の下流側且つ第２ポンプの上流側に設けられ、液体燃料を冷却する冷却器を備えることが好ましい。この場合、第２ポンプに導入される液体燃料が、脱硫器で加熱されたために膨張ひいては気化するのを抑制することができ、改質器に導入される液体燃料の流量を一層安定化することが可能となる。
【０００９】
また、第２ポンプの下流側から第２ポンプ上流側に液体燃料の一部を戻すためのスピルバックラインを備え、スピルバックラインには、安全弁又はオリフィスが設けられていることが好ましい。この場合、第２ポンプで圧送された液体燃料の一部が、第２ポンプの上流側にスピルバックラインにおける安全弁又はオリフィスを介して戻されるため、第２ポンプで圧送された液体燃料の圧力変動及び流量変動を抑制でき、改質器に導入される液体燃料の流量を一層安定化することが可能となる。
【００１０】
また、第２ポンプの下流側から第２ポンプの上流側に液体燃料の一部を戻すためのスピルバックラインを備え、スピルバックラインには、安全弁及びオリフィスが当該スピルバックラインに対して互いに並列に設けられていることが好ましい。この場合、第２ポンプで圧送された液体燃料の一部が、第２ポンプの上流側にスピルバックラインにおける安全弁及びオリフィスのそれぞれを介して戻されるため、第２ポンプで圧送された液体燃料の圧力変動及び流量変動を一層抑制でき、改質器に導入される液体燃料の流量を一層安定化することが可能となる。
【００１１】
また、第２ポンプは、定流量ポンプであることが好ましく、この場合には、改質器に導入される液体燃料の流量を一層安定化することができる。なお、第２ポンプに定流量ポンプであると、上記スピルバックラインを備えない場合もある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、改質器に導入される液体燃料の流量を安定化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図、図２は図１の燃料電池システムの液体燃料ラインを示す概略構成図、図３は図１の燃料電池システムの揚液貯留器を示す一部断面図である。燃料電池システムは、液体燃料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。ここでは、液体燃料としては、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から灯油を用いている。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システム１は、脱硫器２、燃料処理システム（ＦＰＳ）３、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）スタック（燃料電池）４、インバータ５、及びこれらを収容する筐体６を備えている。
【００１６】
脱硫器２は、外部から導入された液体燃料を脱硫するものである。この脱硫器２には、ヒータ（不図示）が設けられており、これにより、脱硫器２は、液体燃料を例えば１３０℃〜１８０℃まで加熱する。ＦＰＳ３は、液体燃料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器８及びバーナ９を有している。改質器８は、脱硫された液体燃料と水蒸気（水）とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。この改質器８には、導入される液体燃料及び水蒸気を気化するための気化器１１が設けられている。バーナ９は、改質器８の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。
【００１７】
ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（不図示）が積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で得られた改質ガスを用いて発電してＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノードと、カソードと、アノード及びカソード間に配置された固体高分子である電解質とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
【００１８】
インバータ５は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。筐体６は、その内部に脱硫器２、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容する。
【００１９】
また、燃料電池システム１は、ＦＰＳ３（つまり、改質器８及びバーナ９）に導入される液体燃料が流通する液体燃料ラインＬ１を備えている。液体燃料ラインＬ１は、例えば金属製の配管からなり、脱硫器２を通過すると共に、液体燃料を改質器８に導入する液体燃料ラインＬ１１と液体燃料をバーナ９に導入する液体燃料ラインＬ１２とに分岐されている。
【００２０】
液体燃料ラインＬ１１の改質器８付近には、水蒸気を改質器８に導入するための水ラインＬ２が連結されている。これにより、液体燃料と水とが混合され、そして、これらが気化器１１で気化されて改質器８に導入される。この水ラインＬ２には、ＰＣＦＣスタック４で発生した水を回収する回収水ラインＬ４が接続されている。
【００２１】
この液体燃料ラインＬ１には、図２に示すように、その上流側から下流側に向かって、揚液貯留器１０、脱硫器２、冷却器１２及びポンプ（第２ポンプ）１３がこの順に設けられている。
【００２２】
揚液貯留器１０は、図３に示すように、ポンプ部（第１ポンプ）１４と、ポンプ部１４の側面に一体に設けられた定油面器（貯留容器）１５と、を含んで構成されている。ポンプ部１４は、液体燃料を下流側（改質器側）に圧送するものであり、具体的には、外部の例えば燃料タンク（不図示）に貯留された液体燃料を、配管１６を介して定油面器１５内に圧送する。定油面器１５は、その内部に空間を有し、液体燃料Ｋを内部に一時貯留すると共に、底面に設けられた流出口１５ａから後段機器へ液体燃料Ｋを供給する。
【００２３】
この定油面器１５は、液体燃料Ｋに対して浮遊可能に形成され、略球形状を呈する浮き部１７を有している。浮き部１７にあっては、所定量以上の液体燃料Ｋが定油面器１５内に貯留された状態（液体燃料Ｋの液面Ｋ１の高さが所定高さＺ１の状態）において、その取付部１７ａが配管１６の端口１６ａを塞ぐように、定油面器１５の上面にバネ１８を介して連結されている。これにより、流出口１５ａから液体燃料Ｋが流出されて液面Ｋ１の高さが所定高さＺ１より小さくなった際に、配管１６の端口１６ａが開放されて液体燃料Ｋが定油面器１５内に導入され、液面Ｋ１の高さが所定高さＺ１に直ちに戻ることになる。つまり、定油面器１５は、液体燃料Ｋの液面高さが略一定に保たれるように液体燃料を一時貯留する。
【００２４】
或いは、定油面器１５においては、貯留された液体燃料Ｋの液面Ｋ１の高さをセンサで検知し、このセンサからの出力に基づいてポンプ部から導入される液端燃料の流量を制御することにより、貯留された液体燃料の液面高さが略一定に保たれるように構成される場合もある。
【００２５】
また、定油面器１５の側面において上端部には、開口１５ｂが設けられており、内部の空間が大気開放されている。さらに、この定油面器１５の内部の空間は、空気ラインＬ５を介して脱硫器２の内部と連通している。これにより、脱硫器２で発生する（特に、脱硫開始時）空気等のガスが、空気ラインＬ５、定油面器１５の内部の空間、及び開口１５ｂをこの順に通って、大気に開放させることができる。
【００２６】
また、開口１５ｂから液体燃料Ｋが漏れた場合に、この液体燃料Ｋによる他機器への悪影響を防止するため、図２に示すように、液体燃料を集める受け皿１９が定油面器１５に対し下方に配置されている。
【００２７】
また、定油面器１５の流出口１５ａは、ポンプ１３における液体燃料の吸込口１３ａよりも重力方向上方に距離ｈ１だけ離間されて配置され、脱硫器２における液体燃料の流入口２ａよりも重力方向上方に距離ｈ２だけ離間されて配置されている。
【００２８】
冷却器１２は、液体燃料を冷却するものであり、例えば水冷式又は空冷式の冷却器が用いられている。ポンプ１３は、液体燃料を下流側（改質器側）に供給するものであり、ここでは、定流量ポンプが用いられている。
【００２９】
また、燃料電池システム１は、ポンプ１３の下流側からポンプ１３の上流側（ここでは、脱硫器２と冷却器１２との間）に液体燃料の一部を戻すためのスピルバックラインＬ３を備えている。
【００３０】
スピルバックラインＬ３は、第１スピルバックラインＬ３１と、この第１スピルバックラインＬ３１に並列に設けられた第２スピルバックラインＬ３２とを有している。第１スピルバックラインＬ３１には安全弁２１が設けられ、第２スピルバックラインＬ３２にはオリフィス２２が設けられている。すなわち、スピルバックラインＬ３には、安全弁２１及びオリフィス２２がスピルバックラインＬ１に対して互いに並列に設けられている。
【００３１】
或いは、スピルバックラインＬ３が第１及び第２スピルバックラインＬ３１，Ｌ３２を設けずに、当該スピルバックラインＬ３に安全弁２１又はオリフィス２２の少なくとも一方を設ける場合もある。
【００３２】
このように構成された燃料電池システム１では、ポンプ部１４により外部の例えば燃料タンクから筐体６内に液体燃料が導入され、この液体燃料が定油面器１５内に一時貯留されつつ脱硫器２に導入され、脱硫器２で脱硫された後に冷却器１２で冷却され、そして、ポンプ１３によりＦＰＳ３に導入される。
【００３３】
ここで、燃料電池システム１においては、上述したように、揚液貯留器１０におけるポンプ部１４で圧送された液体燃料が定油面器１５に一時貯留される。そのため、ポンプ部１４による圧力変動（脈動）を抑制することができる。さらに、上述したように、定油面器１５が、液面Ｋ１の高さが略一定に保たれるように液体燃料を貯留し、且つ定油面器１５の流出口１５ａが、ポンプ１３における液体燃料の吸込口１３ａよりも重力方向上方に配置されている。そのため、貯留された液体燃料の圧力ヘッドを略一定に保ちつつ当該圧力ヘッドによって液体燃料を定油面器１５からポンプ１３に供給することができ、ポンプ１３に導入される液体燃料の圧力変動を低減することができる。
【００３４】
従って、燃料電池システム１によれば、ポンプ１３で圧送された液体燃料の流量変動を抑制することができ、その結果、ＦＰＳ３（改質器８及びバーナ９）に導入される液体燃料の流量を安定化することができる。
【００３５】
また、上述したように、液体燃料ラインＬ１において定油面器１５の下流側且つポンプ１３の上流側に脱硫器２が設けられているため、上記効果、すなわち、ポンプ１３で圧送された液体燃料の流量変動を抑制してＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量を安定化するという効果は顕著となる。これは、ポンプ１３の上流側に脱硫器２が設けられる場合、ポンプ１３に導入される液体燃料の圧力が一層変動し易いためである。
【００３６】
加えて、定油面器１５の流出口１５ａが脱硫器２の流入口２ａよりも重力方向上方に配置されているため、脱硫器２に導入される液体燃料の圧力変動を低減することができ、脱硫器２にて液体燃料を好適に脱硫することができる。
【００３７】
また、上述したように、液体燃料ラインＬ１において脱硫器２の下流側且つポンプ１３の上流側に冷却器１２が設けられているため、ポンプ１３に導入される液体燃料が、ヒータで加熱されたために膨張ひいては気化するのを抑制することができ、ＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量を一層安定化することができる。
【００３８】
また、上述したように、ポンプ１３の下流側からポンプ１３の上流側に液体燃料の一部を戻すスピルバックラインＬ３を備えており、このスピルバックラインＬ３には、安全弁２１及びオリフィス２２が当該ラインＬ３に対して互いに並列に設けられている。よって、ポンプ１３で圧送された液体燃料の一部が、安全弁２１を介してポンプ１３の上流側に戻されると共にオリフィス２２を介してポンプ１３の上流側に戻されるため、ポンプ１３で圧送された液体燃料の圧力変動及び流量変動を抑制でき、ＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量を一層安定化することができる。
【００３９】
ちなみに、上述したように、スピルバックラインＬ３が第１及び第２スピルバックラインＬ３１，Ｌ３２を設けずに、当該スピルバックラインＬ３に安全弁２１又はオリフィス２２の少なくとも一方を設ける場合、ポンプ１３で圧送された液体燃料の一部が、ポンプ１３の上流側にスピルバックラインＬ３における安全弁２１又はオリフィス２２を介して戻されるため、ポンプ１３で圧送された液体燃料の圧力変動及び流量変動を抑制でき、ＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量を一層安定化することが可能となる。
【００４０】
また、上述したように、ポンプ１３に定流量ポンプを採用すると、ＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量を一層安定化することができる。なお、本実施形態ではスピルバックラインＬ３を備えているが、上述したようにポンプ１３に定流量ポンプを採用すると、スピルバックラインＬ３を不要とする（省略する）こともできる。
【００４１】
ところで、一般的に、燃料電池システムが本実施形態のような家庭用のものである場合、ＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量が極微量（例えば３ｃｃ／分）とされ、さらに、その許容される流量変動幅は極めて狭い（例えば±１０％）ものとなっている。よって、従来、極微量な液体燃料の流量を略一定に保ちつつこの液体燃料をＦＰＳ３に導入させるため、高価な高精度機器及び複雑な流量制御システムが要されていた。さらに、ポンプ部１４やポンプ１３に起因する液体燃料の脈動に相まって、極微量な流量の液体燃料を安定してＦＰＳ３に導入させることは、非常に困難とされていた。
【００４２】
これに対し、燃料電池システム１では、上述したようにＦＰＳ３に導入される液体燃料の流量を安定化することが実現することができ、その結果、燃料電池システムの低コスト化及び流量制御の容易化も可能となる。すなわち、燃料電池システム１は、家庭用の燃料電池システムの分野において、特に画期的なものであるといえる。
【００４３】
なお、上述したように、定油面器１５の内部の空間が大気開放されていることから、貯留された液体燃料の圧力ヘッドによってこの液体燃料をポンプ１３に好適に供給することができ、例えば定油面器１５の内部の空間を加圧する手段も不要とすることができる。
【００４４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４５】
例えば、上記実施形態では、液体燃料として灯油を用いたが、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器（脱硫方法）及び改質器（改質方法）は、用いる液体燃料の特性に応じたものとされる。
【００４６】
また、上記実施形態では、バーナ９により改質器８の改質触媒を加熱したが、電気ヒータやＰＥＦＣスタックからの排熱（例えばオフガス）を利用して改質触媒を加熱してもよい。なお、バーナ９を設けない場合には、液体燃料ラインＬ１２が不要となる。
【００４７】
また、上記実施形態では、改質器８において液体燃料を水蒸気改質したが、部分酸化改質等のその他の改質方法で液体燃料を改質してもよい。また、上記実施形態では、ＰＥＦＣスタック４を備えた燃料電池システム１としたが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備えた燃料電池システムとしてもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、第２ポンプとして定流量ポンプを用いたが、例えば電磁ポンプ等の定流量ポンプ以外の種々のポンプを用いてもよい。また、上記実施形態では、第１ポンプと貯留容器とを互いに一体にして構成したが、第１ポンプと貯留容器とを別体にして構成しても勿論よい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの液体燃料ラインを示す概略構成図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの揚液貯留器を示す一部断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料電池システム、２…脱硫器、２ａ…流入口、４…ＰＥＦＣスタック（燃料電池）、８…改質器、１２…冷却器、１３…ポンプ（第２ポンプ）、１３ａ…吸込口、１４…ポンプ部（第１ポンプ）、１５…定油面器（貯留容器）、２１…安全弁、２２…オリフィス、Ｌ１，Ｌ１１，Ｌ１２…液体燃料ライン、Ｌ３，Ｌ３１，Ｌ３２…スピルバックライン、Ｋ…液体燃料、Ｋ１…液体燃料の液面。
【図１】
2009070623.tif 000003
【図２】
2009070623.tif 000004
【図３】
2009070623.tif 000005