(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、
前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記ガス量制御弁を通過する燃料ガス量を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記連通部内部の流路抵抗が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記連通部内部の流路抵抗が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項２】
原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、
前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記ガス量制御弁を通過する燃料ガス量を検知するガス量検知手段と、前記ガス量検知手段の検知した値に基づいて前記ガス量制御弁を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記連通部内部の流路抵抗が大きくなり、前記ガス量検知手段が検知する燃料ガス量が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記連通部内部の流路抵抗が小さくなり、前記ガス量検知手段が検知する燃料ガス量が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項３】
原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、
前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記連通部内部の圧力を検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段の検知した値に基づいて前記ガス量制御弁を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記圧力検知手段により検知された圧力が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記圧力検知手段により検知された圧力が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システム。
【請求項４】
原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、
前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記固体高分子電解質型燃料電池で発電された電力の電流値を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段の検知した値に基づいて前記ガス量制御弁を制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記電流検知手段により検知された電流より推定されるオフガス量が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記電流検知手段により検知された電流より推定されるオフガス量が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを、燃料ガスとして利用する固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体高分子電解質型燃料電池システムを図４に示す。図４中、１は固体高分子電解質型燃料電池であり、一般に固体高分子電解質膜を挟んだ空気極２と燃料極３から構成されている。空気極２の上流側は、酸化剤ガスＡとして例えば空気を供給するファン４と連通されている。供給された空気は、空気極２と接する所定の通路を下流側へ向かって流れる。このとき、空気中の酸素が必要量だけ電極反応で消費され、残りのガスＡ’は外部へ排出される。
【０００３】
一方、燃料極３の上流側は、改質器５に連通されている。そして、天然ガスなどの原料ガスＸおよび水蒸気改質反応に必要な原料水Ｙが改質器５に供給される。改質器５は、自身を加熱するための燃焼部６を具備しており、燃焼部６にはガス量制御手段７から連通部１１を介して燃料ガスＦが供給される。ガス量制御手段７としては、一般に制御弁などが用いられる。燃料ガスＦが燃焼部６で燃焼すると、改質器５が所定の温度に昇温される。このとき、改質器５では、原料ガスＸと原料水Ｙとの反応が起こり、水素リッチな改質ガスＧが生成する。
【０００４】
改質ガスＧは、燃料極３に供給され、燃料極３と接する所定の通路を下流側へ向かって流れる。このとき、改質ガスＧ中の水素が必要量だけ電極反応で消費され、残ったガスはオフガスＧ’として外部へ排出される。すなわち、発電によって一部の水素が消費された後、燃料極３の下流側から水素を含むオフガスＧ’が外部に排出されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体高分子電解質型燃料電池システムでは、上述したように、水素を含むオフガスが外部に排出されてしまう。そのため、燃料電池システムの運転効率が低いという問題がある。また、オフガスが外部に排出されると、オフガス中の水素が周囲の空気と混合して可燃性のガスとなる可能性がある。したがって、水素が外部へ流出することのない高効率で安全性の高い固体高分子電解質型燃料電池システムの開発が望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を解決するために、燃焼部６とガス量制御手段７とを接続する連通部１１に、燃料極から排出されるオフガスＧ’を合流させる合流部を設けたものである。そして、ガス量制御手段を制御する所定の制御部を備えたものである。
すなわち、本発明は、原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記ガス量制御弁を通過する燃料ガス量を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記連通部内部の流路抵抗が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記連通部内部の流路抵抗が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。
【０００７】
また、本発明は、原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記ガス量制御弁を通過する燃料ガス量を検知するガス量検知手段と、前記ガス量検知手段の検知した値に基づいて前記ガス量制御弁を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記連通部内部の流路抵抗が大きくなり、前記ガス量検知手段が検知する燃料ガス量が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記連通部内部の流路抵抗が小さくなり、前記ガス量検知手段が検知する燃料ガス量が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。
【０００８】
また、本発明は、原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記連通部内部の圧力を検知する圧力検知手段と、前記圧力検知手段の検知した値に基づいて前記ガス量制御弁を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記圧力検知手段により検知された圧力が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記圧力検知手段により検知された圧力が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。
【０００９】
また、本発明は、原料ガスから改質ガスを生成する改質器と、前記改質器で得られた改質ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う固体高分子電解質型燃料電池と、前記改質器を加熱するための燃焼部と、前記燃焼部に供給される燃料ガス量を調節するガス量制御弁と、前記ガス量制御弁と前記燃焼部とを繋ぐ連通部とを具備し、前記固体高分子電解質型燃料電池の燃料極から排出されるオフガスを前記連通部に合流させる合流部と、前記固体高分子電解質型燃料電池で発電された電力の電流値を検知する電流検知手段と、前記電流検知手段の検知した値に基づいて前記ガス量制御弁を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記オフガスが前記合流部から前記連通部内部の燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに前記燃焼部に供給される際に、前記電流検知手段により検知された電流より推定されるオフガス量が大きくなると、前記ガス量制御弁の開度を大きくし、前記電流検知手段により検知された電流より推定されるオフガス量が小さくなると、前記ガス量制御弁の開度を小さくする固体高分子電解質型燃料電池システムに関する。なお、原料ガスとしては、主として炭化水素系の原料ガスが用いられる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池システムでは、燃料極から排出されたオフガスが、燃焼部とガス量制御手段とを繋ぐ連通部に設けられた合流部から燃料ガスに混入され、燃料ガスとともに燃焼部に供給される。そのため、システムの運転効率が高められる。
ただし、オフガスの混入によって合流部下流のガス流量が増加するので、流路抵抗が大きくなり、制御手段を通過する燃料ガス量が少なくなる。また、オフガス量は、固体高分子電解質型燃料電池に繋がれる負荷の変動など、様々な要因によって変化する。
【００１１】
そこで、本発明の燃料電池システムにおいては、ガス量制御手段を通過する燃料ガス量を制御する制御部を設けている。そして、所定の検知手段が検知した値に基づいてガス量制御手段が制御される。
したがって、燃料電池と接続された電力負荷が変化するなどして合流部に混入されるオフガス量が変化しても、燃焼部に供給される燃料ガス量を所定範囲に保持することができ、燃焼部を安定な状態で維持することができる。
【００１２】
実施の形態１
燃料電池の燃料極から排出されたオフガスが連通部に設けられた合流部から燃料ガスに混入されると、オフガスの混入によって合流部下流のガス流量が変化し、流路抵抗も変化する。そのため、ガス量制御手段を通過する燃料ガス量も変化する。
そこで、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池システムにおいては、前記ガス量制御手段の上流側または下流側にガス量検知手段が設置されている。前記ガス量検知手段は、前記ガス量制御手段を通過する燃料ガス量を検知し、検知された値は制御部に伝達される。そして、その値に基づいて、制御部がガス量制御手段を制御する仕組みとなっている。したがって、合流部に混入されるオフガス量に応じて、ガス量制御手段を通過する燃料ガス量が変化しても、それを抑制する方向にガス量制御手段を調節できる。
【００１３】
実施の形態２
燃料電池の燃料極から排出されたオフガスが連通部に設けられた合流部から燃料ガスに混入されると、合流部下流のガス流量が変化し、連通部内部の圧力も変化する。例えば、オフガス量が増加すると、連通部内部の圧力が高くなり、流路抵抗が大きくなってガス量制御手段を通過する燃料ガス量が減少する。つまり、連通部の圧力変化と燃料ガス量の変化とは対応しており、連通部の圧力変化からガス量制御手段を通過する燃料ガス量の変化を推定することができる。
【００１４】
そこで、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池システムにおいては、前記連通部に圧力検知手段が設置されている。前記圧力検知手段は、連通部内部の圧力を検知し、検知された値は制御部に伝達される。そして、その値に基づいて、制御部がガス量制御手段を制御する仕組みとなっている。したがって、合流部に混入されるオフガス量に応じて、ガス量制御手段を通過する燃料ガス量が変化しても、それを抑制する方向にガス量制御手段を調節できる。
【００１５】
しかも、圧力検知手段の検知した値は、オフガスの組成や燃料ガスの組成にほとんど影響されない。したがって、メタン系ガス、プロパン系ガスなど、様々なガスが使用でき、システムの汎用性が向上する。
【００１６】
実施の形態３
燃料電池の燃料極へ供給された改質ガスは、その中の水素が発電によって消費された後、オフガスとして燃料極から排出される。ここで、発電によって消費される水素量は、発電される電力の電流値から推定することができる。したがって、オフガス中に含まれる水素量も電流値から推定でき、結果として、発電される電力の電流値からオフガス流量を推定することができる。
【００１７】
そこで、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池システムにおいては、前記固体高分子電解質型燃料電池によって発電される電力の電流値を検知する電流検知手段が設置されている。検知された値は制御部に伝達され、その値に基づいて、制御部がガス量制御手段を制御する仕組みとなっている。したがって、合流部に混入されるオフガス量に応じて、ガス量制御手段を通過する燃料ガス量が変化しても、燃料電池によって発電される電力の電流値に基づいて、燃料ガス量の変化を抑制する方向にガス量制御手段を調節できる。
しかも、電流検知手段は簡便に構成することができるので、システムの低コスト化を図ることもできる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて図面を参照しながら説明する。
《実施例１》
図１は、本発明の実施例１に係る固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。図１において、図４で示した従来の固体高分子電解質型燃料電池システムのものと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与している。また、それらの機能の詳細も、図４で示した従来の固体高分子電解質型燃料電池システムと同様である。
【００１９】
本システムの連通部１１には、燃焼部６の側から順次、合流部１２、ガス量制御弁７’およびガス量検知手段１０を設けている。そして、合流部１２には、燃料極３から排出されるオフガスＧ’を導入する。ガス量制御弁７’およびガス量検知手段１０は、それぞれ信号線１４、１４’によって制御部１３と接続している。
【００２０】
次に、所定の燃料ガスＦを、ガス量検知手段１０、ガス量制御弁７’および合流部１２を経由して燃焼部６に供給した。このとき、燃料極３から排出されたオフガスＧ’を、連通部１１に設けられた合流部１２から燃料ガスＦに混入させ、一緒に燃焼部６に供給した。また、ガス量制御弁７’を通過する燃料ガス量をガス量検知手段１０でリアルタイムで検知した。さらに、検知した値が信号線１４’を通って制御部１３に伝達され、その値に基づいた命令が信号線１４を通ってガス量制御弁７’に伝達され、弁の開度が調節されるようにした。そして、燃料電池を所定の負荷に接続した。
【００２１】
その結果、電力負荷の増減などによってオフガスＧ’の量が変化し、合流部１２の下流のガス流量は逐次変化した。しかし、流路抵抗が大きくなると、ガス量制御弁７’の開度が大きくなってそれを通過する燃料ガス量が増加し、流路抵抗が小さくなると、ガス量制御弁７’の開度が小さくなってそれを通過する燃料ガス量が減少した。そして、燃焼部６の燃焼状態は、常に安定であった。また、システムの運転効率も良好であった。
【００２２】
《実施例２》
図２は、本発明の実施例２に係る固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。ガス量検知手段およびその制御部を設けず、連通部１１に圧力検知手段２０を設け、圧力検知手段２０の検出値に基づいてガス量制御弁７’を制御する制御部２１を設けたこと以外、実施例１と同様の構成とし、同様の操作でシステムを運転した。
【００２３】
すなわち、燃料極３から排出されたオフガスＧ’を連通部１１に設けられた合流部１２から燃料ガスＦに混入し、燃焼部６に供給した。その際、連通部１１の圧力を圧力検知手段２０によってリアルタイムで検知した。また、検知した値が信号線１４’を通って制御部２１に伝達され、その値に基づいた命令が信号線１４を通ってガス量制御弁７’に伝達され、弁の開度が調節されるようにした。そして、燃料電池を所定の負荷に接続した。
【００２４】
その結果、電力負荷の増減などによってオフガスＧ’の量が変化し、合流部１２の下流の圧力は逐次変化した。しかし、圧力が高くなると、ガス量制御弁７’の開度が大きくなってそれを通過する燃料ガス量が増加し、圧力が低くなると、ガス量制御弁７’の開度が小さくなってそれを通過する燃料ガス量が減少した。そして、燃焼部６の燃焼状態は、常に安定であった。また、システムの運転効率も良好であった。
さらに、メタン系ガス、プロパン系ガスなど、様々な燃料ガスで前記システムの運転を行ったところ、何れの場合も安定した運転が可能であった。このことから、本システムは汎用性が高いことが示された。
【００２５】
《実施例３》
図３は、本発明の実施例３に係る固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。
燃焼量検知手段１０および制御部１３を設けず、燃料電池１の電力負荷への出力端３０、３０’のうち、一方の出力端３０’に固定抵抗３１を設け、固定抵抗３１の両端の電圧から電流値を検知する電流検知手段３２と、前記電流検知手段３２の検知した値に基づいてガス量制御弁７’の開度を制御する制御部３３とを設けたこと以外、実施例１と同様の構成とし、同様の操作でシステムを運転した。
【００２６】
すなわち、燃料極３から排出されたオフガスＧ’を連通部１１に設けられた合流部１２から燃料ガスＦに混入し、燃焼部６に供給した。その際、燃料電池によって発電された電力の電流値を、電流検知手段３２によってリアルタイムで検知した。また、検知した値が信号線１４を通って制御部３３に伝達され、その値に基づいた命令が信号線１４’を通ってガス量制御弁７’に伝達され、弁の開度が調節されるようにした。そして、燃料電池を所定の負荷に接続した。
【００２７】
その結果、電流値は逐次変化したが、その値に基づいてガス量制御弁７’の開度が調節されるようになっているため、燃焼部６の燃焼状態は、常に安定であった。
また、電流検知手段３２は、出力端３０に設けた固定抵抗３１の電圧を測定するためだけの簡便なものを設置したので、システム全体としては、実施例１、２に比べて低コストであった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、水素を含むオフガスを外部に排出することなく燃焼部に供給することができるため、運転効率が向上する。また、燃焼部の燃焼状態を安定に維持することができる。しかも、圧力検知手段を用いたシステムによれば、メタン系ガス、プロパン系ガスなど、様々な燃料ガスが使用でき、システムの汎用性が向上する。また、電流検知手段を用いたシステムによれば、システムの低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施例３の固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１  固体高分子電解質型燃料電池
２  空気極
３  燃料極
４  ファン
５  改質器
６  燃焼部
７  ガス量制御手段
７’ガス量制御弁
１０  ガス量検知手段
１１  連通部
１２  合流部
１３、２１、３３  制御部
１４、１４’信号線
２０  圧力検知手段
３０、３０’出力端
３１  固定抵抗
３２  電流検知手段
Ａ  酸化剤ガス
Ａ’残りのガス
Ｇ  改質ガス
Ｇ’オフガス
Ｘ  原料ガス
Ｙ  原料水
Ｆ  燃料ガス
【図１】
0003732058.tif 000002
【図２】
0003732058.tif 000003
【図３】
0003732058.tif 000004
【図４】
0003732058.tif 000005