(57)【要約】改質部、改質部用の原料供給部、改質部用の水供給部、燃料電池、前記改質部用のバーナー、前記バーナー用の空気供給部、前記バーナー用の燃料供給部、前記燃料と前記燃料電池からのオフガスとを前記バーナーに供給するための燃料供給経路、および前記燃料供給経路に設けられた防炎部を具備する燃料電池システムにおいて、燃料供給経路を閉塞させることなく逆火を止めるため、さらに前記防炎部を加熱する加熱手段を設ける。
2003010846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改質触媒を充填した改質部、前記改質部に原料を供給する原料供給部、前記改質部に水を供給する水供給部、前記改質部で得られた水素により作動する燃料電池、前記改質部を加熱するバーナー、前記バーナーに空気を供給する空気供給部、前記バーナーに燃料を供給する燃料供給部、前記燃料と前記燃料電池からのオフガスとを前記バーナーに供給するための燃料供給経路、および前記燃料供給経路に設けられた防炎部を具備し、さらに前記防炎部を加熱する加熱手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段が、前記防炎部の近傍に設けられたヒーターであることを特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記防炎部の温度を検知する第１の温度検出器、および前記温度検出器の信号により前記ヒーターの運転をコントロールする第１の制御部を具備することを特徴とする請求の範囲第２項記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ヒーターの温度を検知する第２の温度検出器を具備することを特徴とする請求の範囲第３項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ヒーターが、前記バーナーの炎口部を加熱することができる位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第２項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バーナーの温度を検知する第３の温度検出器を具備することを特徴とする請求の範囲第２項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱手段が、前記燃料および前記オフガスの少なくとも一方を加熱すること特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記オフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器、および前記凝縮器の温度を検知する第４の温度検出器を具備することを特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の温度を検知する第５の温度検出器を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
前記改質部または前記バーナーが、前記改質部または前記バーナーの熱が前記防炎部に伝わる位置に設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記防炎部が、水素の消炎距離以下の寸法の孔を有する金属メッシュで構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記防炎部が耐熱性ステンレス鋼で構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記バーナーの火炎を検知する第１の火炎検出器および／または第６の温度検出器、ならびに前記防炎部の火炎を検知する第２の火炎検出器および／または第７の温度検出器を具備することを特徴とする請求の範囲第１項記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記原料供給部から前記改質部への原料の供給を制御する閉止弁、ならびに前記第１の火炎検出器、前記第６の温度検出器、第２の火炎検出器および第７の温度検出器の少なくとも一種と連携して前記閉止弁を動作させる第２の制御部を具備することを特徴とする請求の範囲第１３項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、天然ガス、ＬＰＧ、ガソリン、ナフサもしくは灯油などの炭化水素系物質またはメタノールなどと、水と、空気とを原料として用いて水素を生成する水素生成装置、ならびに燃料電池を含む燃料電池システムに関する。
背景技術
従来の燃料電池システムの構成について図６を用いて説明する。従来の燃料電池システムは、内部に改質触媒を充填した改質部１、改質部１へ原料を供給する原料供給部２、改質部１へ水を供給する水供給部３、および改質触媒を加熱するためのバーナー４を具備し、改質部１で炭化水素系物質またはアルコールなどと水が反応して水素が生成される。また、従来の燃料電池システムには、バーナー部４に燃料を供給する燃料供給部５、バーナー部４に空気を供給する空気供給部６、改質部１で生成された水素の出口部７、高分子電解質型燃料電池８、酸化剤ガス供給部９、凝縮器１０および凝縮水用のタンク１１が設けられている。そして、出口部７より排出された水素と、酸化剤ガス供給部９より供給された空気などの酸化剤ガスを用いて、高分子電解質型燃料電池などの燃料電池８で発電が行われる。燃料電池８から排出される廃水素を含んだオフガスは発電時の加湿により水分を多く含む。
このオフガスに含まれる水分は凝縮器１０により凝縮され、凝縮水はタンク１１でトラップされ、ある程度水分の除去されたオフガスが燃料としてバーナー４に導かれる。したがって、上述のようなオフガスをバーナー４で燃焼させる際には、万一の逆火を防止する手段として、燃料供給部５とバーナー４との間に防炎部１２を設ける必要が生じる。防炎部１２は、凝縮器１０からのオフガスと燃料供給部５からの燃料との混合ガスをバーナー４に導く燃料供給経路１５ｂ内に設けられ、バーナー４で逆火が生じた際にその逆火がさらに上流側へ進むのを防止する安全機構として作用する。
しかし、燃料電池８から排出されるオフガスの水分を、途中でトラップする構成を採用しても、オフガスはほとんど飽和水蒸気を含むガスとしてバーナー４に導かれることになる。したがって、逆火を止めるために設けた防炎部１２でオフガスに含まれる水が凝縮し、その結果、燃料供給経路が閉塞し、圧力バランスが崩れて燃料電池システム全体の運転が停止してしまうおそれがある。
このような従来の問題点に鑑み、本発明は、燃料供給経路を閉塞させることなく、逆火を止める手段を有する燃料電池システムを提供することを目的とする。
発明の開示
上述のような問題点を解決するため、本発明は、改質触媒を充填した改質部、前記改質部に原料を供給する原料供給部、前記改質部に水を供給する水供給部、前記改質部で得られた水素により作動する燃料電池、前記改質部を加熱するバーナー、前記バーナーに空気を供給する空気供給部、前記バーナーに燃料を供給する燃料供給部、前記燃料と前記燃料電池からのオフガスとを前記バーナーに供給するための燃料供給経路、および前記燃料供給経路に設けられた防炎部を具備し、さらに前記防炎部を加熱する加熱手段を具備することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
前記加熱手段が、前記防炎部の近傍に設けられたヒーターであることが好ましい。
前記燃料電池システムは、前記防炎部の温度を検知する第１の温度検出器、および前記温度検出器の信号により前記ヒーターの運転をコントロールする第１の制御部を具備するのが好ましい。
また、前記燃料電池システムは、前記ヒーターの温度を検知する第２の温度検出器を具備するのが好ましい。
前記ヒーターが、前記バーナーの炎口部を加熱することができる位置に設けられているのが好ましい。
また、前記燃料電池システムは、前記バーナーの温度を検知する第３の温度検出器を具備するのが好ましい。
前記加熱手段が、前記燃料および前記オフガスの少なくとも一方を加熱するのが好ましい。
さらに、前記燃料電池システムは、前記オフガスに含まれる水分を凝縮させる凝縮器、および前記凝縮器の温度を検知する第４の温度検出器を具備するのが好ましい。
また、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の温度を検知する第５の温度検出器を具備するのが好ましい。
前記改質部または前記バーナーが、前記改質部または前記バーナーの熱が前記防炎部に伝わる位置に設けられているのが好ましい。
前記防炎部が、水素の最小消炎距離以下の寸法の孔を有する金属メッシュで構成されているのが好ましい。
前記防炎部が耐熱性ステンレス鋼で構成されているのが好ましい。
また、前記燃料電池システムは、前記バーナーの火炎を検知する第１の火炎検出器および／または第３の温度検出器、ならびに前記防炎部の火炎を検知する第２の火炎検出器および／または第１の温度検出器を具備するのが好ましい。
さらにまた、前記燃料電池システムは、前記原料供給部から前記改質部への原料の供給を制御する閉止弁、ならびに前記第１の火炎検出器、前記第３の温度検出器、第２の火炎検出器および第１の温度検出器の少なくとも一種と連携して前記閉止弁を動作させる第２の制御部を具備するのが好ましい。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態１に係る燃料電池システムは、内部に改質触媒を充填した改質部１、改質部１へ原料を供給する原料供給部２、改質部１へ水を供給する水供給部３、および改質触媒を加熱するためのバーナー４を具備する。改質部１で原料（ガス）と水が反応して水素が生成する。また、バーナー４に燃料を供給する燃料供給部５、およびバーナー４に空気を供給する空気供給部６が設けられている。
ここで、原料供給部２および燃料供給部５からそれぞれ供給される原料および燃料としては、例えば天然ガス（都市ガス）およびＬＰＧなどの気体状炭化水素系燃料、ガソリンおよび灯油などの液体状炭化水素系燃料、ならびにメタノールなどのアルコール系燃料などが挙げられる。
ただし、液体状の燃料を用いる際には、当該燃料を気化させる装置（気化器）が必要となるが、改質部１およびバーナー４から伝導してくる熱、ならびに燃焼排気ガス中の顕熱などを利用する気化器を用いても構わない。図１においては気化器は特に示していない。
また、原料供給部２、燃料供給部５および空気供給部６の流量の調整には、例えばポンプまたはファンなどを利用すればよい。また、ポンプまたはファンなどの下流側にバルブなどの流量調整器を設置してもよい。図１においてはかかる流量調整器は省略した。
改質部１にはルテニウムにアルミナを担持した改質触媒が充填される。その下流側に白金をＣｅＯ２に担持した変成触媒が充填され、さらに下流側に白金−ルテニウムの混合物を担持したＣＯ浄化触媒が充填される。
改質部１で生成された水素は出口部７から燃料電池８に導かれる。生成された水素中のＣＯ濃度はこの時点で数１０ｐｐｍ以下に低減される。また、実施の形態１に係る燃料電池システムは、高分子電解質型燃料電池などの燃料電池８、酸化剤ガス供給部９、凝縮器１０および凝縮水用のタンク１１を具備する。燃料電池８は、出口部７より排出された水素と酸化剤ガス供給部９より供給された酸化剤ガスとを用い発電を行う。
燃料電池８から排出するオフガスに多く含まれる水分は凝縮器１０において凝縮され、凝縮水はタンク１１でトラップされる。その後、オフガスはバーナー４に導かれ、燃料として利用される。
また、タンク１１からのオフガスおよび燃料供給部５からの燃料は位置１５ａにおいて混合され、混合ガスが燃料供給経路１５ｂを経てバーナー４に供給される。この燃料供給経路１５ｂには、防炎部１２が設けられており、この防炎部１２は、バーナー４で生じた逆火がさらに上流側へ進むことを防止するための安全装置として作用する。
ここで、バーナー４へ導かれたオフガスは、その水分がタンク１１においてトラップされるが、それでも飽和水蒸気に近い水分を含んだまま防炎部１２に達する。したがって、防炎部１２の温度がオフガスの露点よりも低いと水が凝縮して防炎部１２に付着し、その結果、燃料供給経路１２ｂが閉塞し、圧力バランスが崩れて燃料電池システム全体の運転を停止させてしまうおそれがある。
本発明においては、防炎部１２の近傍にヒーター１３を設け、運転開始時などにおいて防炎部１２の温度がまだ低い場合に、ヒーター１３が防炎部１２を加熱する。これにより、防炎部１２の温度をオフガスの露点以上にすることができ、上述のような問題を防ぐことができる。
また、ヒーター１３により同時にオフガスを加熱することもできるので、バーナー４の立ち上がり時に不安定な状態になり易い火炎を安定な状態に保つことが可能となる。
ヒーター１３としては、例えばシーズヒーター１３を用いることができる。シーズヒーター１３は、主として輻射熱で防炎部１２を加熱する。シーズヒーター以外にもリボンヒーターなど、発熱体であればいかなるタイプのヒーターでも使用することが可能である。また、燃料供給経路１５ｂの外周を加熱する方法など、いかなる形態で加熱を行ってもよい。
実施の形態２
図２は本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、図２に示すように、防炎部１２の近傍に第１の温度検出器１４が設けられており、温度検出器１４の信号によりヒーター１３の運転をコントロールする点である。なお、温度検出器１４の信号によりヒーター１３の運転をコントロールする制御部は図示していない。
第１の温度検出器１４としては、例えばサーミスターを使用することができる。サーミスター以外にも、例えば熱電対および白金抵抗体なども使用することができる。
第１の温度検出器１４は、防炎部１２に接触する位置に設ければよく、また、間接的に防炎部１２の温度を検出できる位置に設けてもよい。加えて、ヒーター１３からの熱を受け取ることのできる位置に第２の温度検出器を設けてもよい。また、第２の温度検出器のみを用い、ヒーター１３の温度を検出することによって間接的に防炎部１２の温度を検出することもできる。この第２の温度検出器は、ヒーター１３に接触する位置に設けてもよく、また、間接的にヒーター１３の温度を検出できる位置に設けてもよい。
第１の温度検出器１４（または第２の温度検出器）で検出した防炎部１２の温度がオフガスの露点よりも低い場合には、制御部により、ヒーター１３に通電させる。このように、第１の温度検出装置１４を用いてヒーター１３の運転をコントロールすることにより、より確実に燃料供給経路１５ｂの閉塞を防止できるとともに、必要以上のヒーター１３の通電を抑制し、無駄な電力消費を抑えることができる。
さらに本発明の実施の形態２においては、第１の温度検出器１４は、ヒーター１３からの熱を受け取れる位置に設けられているため、万が一、ヒーター１３が暴走して危険な状態になっても、第１の温度検出器１４によりその危険な状態を検出することができる。したがって、第１の温度検出器１４は、ヒーター１３の安全装置の役目も果たす。
さらに、本発明においては、ヒーター１３がバーナー４の炎口部を加熱することのできる位置に設けるのが好ましい。これにより、バーナー４を予熱することができ、低温環境において炎口部の温度が低いために着火が不安定になるような場合に、予熱により安定した着火を実現することができる。図２において、ヒーター１３はバーナー４と物理的に離れているが、好ましくは熱伝導の効率の観点から、両者は接していてもよい。
さらに本発明においては、着火時のバーナー４の温度を検出するための第３の温度検出器を設けるのが好ましい。もちろん、前記第１の温度検出器１４が、着火時のバーナー４の温度を検出してもよい。一般的には、より確実にバーナー４を着火させるために、バーナー４のホット状態とコールド状態とを区別して着火時における空燃比を変える制御シーケンスを採用することが、第３の温度検出器をこのようなホット状態とコールド状態を判別するための手段として用いることが可能である。なお、第３の温度検出器については、後述する実施の形態４における図４に示している。
実施の形態３
図３は本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態３が実施の形態１と異なる点は、図３に示すように、防炎部１２が、高温になるバーナー４または改質部１と隣接する位置に設けられて、これらからの熱を受け取ることのできる点にある。防炎部１２は、これらからの熱を受け取ってオフガスの露点以上の温度を有することができる。
また、本実施の形態においては、バーナー４と防炎部１２とが一体的に構成されており、熱伝導でバーナー４から防炎部１２へ容易に熱が伝わる。バーナー４内部の燃焼部分の温度は約１０００℃、改質部１内部の改質触媒反応温度は約７００℃である。したがって、バーナー４または改質部１からの輻射によって防炎部１２へ熱を伝える方法、またはバーナー４の燃焼排ガスで直接防炎部１２を加熱する方法も使用することができる。
さらに、防炎部１２を金属メッシュで構成し、その開口部の寸法を水素の消炎距離以下に設定するのが好ましい。これにより、できるだけ防炎部１２の熱容量を小さくすることができ、バーナー４または改質部１からの熱を短時間で受け取ることができる。また、かつ低コストで確実に逆火を止めることができる。
さらに、防炎部１２を構成する材料として高耐食性ステンレス鋼を用いるのが好ましい。これにより、常に水分を多く含んだ廃水素が通過しても、防炎部１２に腐食に強い高耐久性能を持たせることができる。
実施の形態４
図４は本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態４が実施の形態１と異なる点は、図４に示すように、バーナー４にはバーナー４で形成された火炎を検出するための第１の火炎検出器１８および／または第３の温度検出器１９を備え、防炎部１２には防炎部１２で形成された火炎を検出するための第２の炎検出器１５および／または第１の温度検出器１４を具備する点にある。
第１の火炎検出器１８および第２の火炎検出器１５は、フレームロッドでバーナー４の火炎中のイオン電流を測定して火炎有無を検出するタイプのものを用いればよい。その他にも、火炎の色もしくは輝度、光、または赤外線を検出する方法を採用することもできる。第３の温度検出器１４および第１の温度検出器１４としては、熱応答性を重視するという観点からは、熱電対を用いるのが好ましい。その他にも、白金抵抗体またはサーミスターなどを用いることができる。
バーナー４では、燃焼検知手段として第１の火炎検出器１８または第３の温度検出器１９を用い、燃焼中はバーナー４に火炎があることを常時監視する。そして、一時的に燃料の供給が停止したり空燃比のバランスがずれてバーナー４が失火した時は、通常は、即座には運転を停止させずに再着火の動作を行い、再着火後に再び失火しなければ通常の運転に戻す。その理由は、一時的に燃料の供給が停止したり空燃比のバランスがずれることは通常よく起こり得ることであり、そのこと自体は不安全ではなく、それにもかかわらずその度に燃焼を停止させてしまうと使い勝手に劣るからである。
一方、万一、バーナー４が失火し、防炎部１２へ逆火したときには、さらに燃料供給部５へ火炎が伝播して爆発するおそれがあるため、即座に運転を停止する必要がある。バーナー４の第１の火炎検出器１８および第３の温度検出器１９から得られる情報だけでは、バーナ４での失火は認識することができるが、逆火の有無は確認できない。
そこで、本実施の形態においては、防炎部１２に第２の火炎検出装置１５および第１の温度検出器１４を設ける。これにより、バーナー４が失火したときに、第２の火炎検出装置１５および第１の温度検出器１４の情報から防炎部１２における逆火の有無を即座に判断することができる。その結果、逆火時には間違いなく運転を即座に停止することができる。
実施の形態５
図５は本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。実施の形態５が実施の形態１と異なる点は、図５に示すように、原料供給部２に改質部１へ送る原料を止めるための閉止弁１７が設けられており、閉止弁１７が、バーナー４における第１の火炎検出器１８、第３の温度検出器１９、第２の火炎検出器１５および第１の温度検出器１４の少なくとも一種と連携して動作する点にある。この制御を行うために第２の制御部を設けてもいいが、前記第１の制御部にこのような動作を制御させてもよい。
例えば、第１の火炎検出器１８および第２の火炎検出器１５の両方を設ける場合、逆火が防炎部１２に至り、バーナー４における第１の火炎検出器１８で火炎検出信号がなくなり、かつ防炎部１２における第２の火炎検出器１５で火炎信号を認識したとき、直ちに閉止弁１７を閉じさせる。これにより、原料ガスの供給を即座に停止することができるため、水素の発生を停止し、燃料電池８への水素の供給も停止することができ、廃水素のバーナー４への供給を停止することができる。その結果、逆火が防炎部１２よりさらに下流側へ進むことを防止することができ、爆発の危険を回避することができる。
なお、燃料電池８にも、第５の温度検出器を設けてもよい。これにより、燃料電池の温度よりも防炎部１２の温度を容易に高く設定することができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、バーナーの逆火をとめるために設けた防炎部の近傍にヒーターを設け、運転開始時等において防炎部の温度がまだ低いときに加熱することにより防炎部の温度を廃水素の露点以上にすることができ、防炎部を通過する廃水素の凝縮による燃料供給経路の閉塞を防ぐことができる。
また、温度検出器を用いて防炎部の温度を検出し、廃水素の露点よりも低い時にヒーターに通電するようにコントロールする。これにより確実に燃料供給経路の閉塞を防止できるとともに、必要以上のヒーターの通電を抑制し無駄な電力消費を抑えることができる。
温度検出器を、ヒーターからの熱を受け取ることのできる位置に配置することにより、万一、ヒーターが暴走して危険な状態になった時に異常を検出することができ、ヒーターの安全性が担保される。
ヒーターがバーナーの炎口部を予熱することができる構成を採用し、低温環境での着火時等において、炎口部の温度が低いために着火が不安定になるようなときに炎口部を予熱することにより安定した着火を実現することができる。
また、温度検出器が着火時にバーナー部の温度状態を判別することのできる構成を採用することにより、温度検出器をホット状態とコールド状態を判別するための手段として用いることができる。
防炎部を金属メッシュで構成し、メッシュの開口部の寸法を水素の最小消炎距離以下にすることにより、防炎部の熱容量を小さくできるのでバーナーまたは改質部からの熱を短時間で受け取ることができ、かつ低コストで確実に逆火を止めることができる。
また、防炎部を構成する材料を高耐食性ステンレス鋼とすることにより、常に水分を多く含んだ廃水素が通過しても高耐久性能が担保される。
防炎部に火炎検出器および温度検出器のうち少なくとも１つを設けることにより、バーナーが失火したときに、逆火が防炎部へ到達したのかどうかを即座に判断することができる。その結果、逆火時には誤りなく運転を即座に停止することができる。
原料を止める閉止弁を設け、その閉止弁をバーナーにおける火炎検出器、温度検出器、防炎部における火炎検出器、温度検出器のうち少なくとも１種以上と連携して動作させる。これにより、バーナーから防炎部へ逆火した時に即座にバーナー部への廃水素供給源である原料供給を止め爆発の危険を避けることができる。
なお、上記実施例１〜５のバーナー４は予混合バーナーであるが、本発明においては拡散バーナーを用いた場合も同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図２は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図３は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図４は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図５は、本発明の実施の形態５に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図６は、従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
2003010846.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2003010846.tif 000009
2003010846.tif 000010
2003010846.tif 000011
2003010846.tif 000012