JP2018185998A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、軽量化した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】都市ガスを脱硫器で脱硫し、脱硫した都市ガスを燃料昇圧ブロワで昇圧して改質する燃料処理系を有する燃料電池システムの燃料配管の一部を樹脂モジュールブロック４０で構成する。樹脂モジュールブロック４０は、脱硫器から排出された燃料流Ａを受け入れ、燃料昇圧ブロワへの導入燃料Ｂを排出する配管５０が内部に設けられた樹脂モジュール４０ａと、配管５０の一部を主流路となし、配管５０に流れる燃料流量を測定するバイパス式流量計６１とを一体化してる。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、電気エネルギの発生とともに、排熱を生じる。これは、温度の高い電池温度から周囲温度への放熱分が熱として発生するからである。

このような熱を利用すれば、電気エネルギとのハイブリッド運転、すなわちコジェネレーション運転となるため、非常に経済的でエネルギ効率の高い、地球環境に優しい運転が実現できる。近年、このような燃料電池システムを家庭に導入する開発が行われ、既に日本では実用化が始まっている。地球温暖化を防止する方法として、二酸化炭素の排出量が少ないこのエネルギが脚光を浴び、その環境性や省エネ性に注目が集まっているためである。

燃料電池システムは小型で設置面積が狭いほど、設置可能な場所が多くなるため、市場規模が拡大、省エネ機器の普及に繋がる。また、システムが小型、軽量であるほど設置のための移動が容易になり商品性は向上する。

特開２０１２−１４６６２７号公報

このように、燃料電池システムの普及を拡大するためには、発電効率や排熱効率のシステムの基本性能の向上のみならず、小型化、軽量化した燃料電池システムの開発が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、小型化、軽量化した燃料電池システムを提供することである。

本発明の実施形態における燃料電池システムは、燃料が流れる配管の一部が内部に設けられる樹脂モジュールブロックと、前記樹脂モジュールブロックに設けられた前記配管を主流路とするバイパス式流量計と、を備えることを特徴とする。

第１実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態における樹脂ブロックモジュールの平面図である。 第１実施形態の樹脂ブロックモジュールの正面図である。 （ａ）は第１実施形態の樹脂ブロックモジュール搭載のバイパス式流量計の平面図であり、（ｂ）はバイパス式流量計の正面断面図であり、（ｃ）はバイパス式流量計の側面断面図である。

［１．第１の実施形態］
［１−１．構成］
以下では、図１〜図４を参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

［全体構成］
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本実施形態では、燃料電池システム１６として、燃料改質装置をパッケージング内部に有する固体高分子型燃料電池システムを例に説明する。

燃料電池システム１６は、主に燃料処理系（FPS；Fuel Processing System）１、電池本体（CSA；Cell Stack Assembly）２から構成される。

燃料処理系１は、燃料３、脱硫器４、起動用燃料遮断弁２１、燃料昇圧ブロア３１、水蒸気発生器５、改質器６、ＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、改質用燃焼器１０、改質水ポンプ１１、排熱熱交換器＆タンク１２他から構成される。一方、電池本体２は、アノード極１３、カソード極１４から構成される。

燃料３は、炭化水素系燃料、例えば都市ガスやプロパンである。燃料３は、配管内を流れ脱硫器４へ至る。脱硫器の上流側には、配管内を流れる燃料３の遮断／供給を切替える燃料遮断弁２０が配置される。

脱硫器４は、内部を流れる燃料の硫黄分を取り除く。脱硫器４は、内部に活性炭やゼオライトを備え、これらにより燃料の硫黄分を吸着する。脱硫器４の下流側には、バイパス式流量計６１ａ、及び燃料昇圧ブロア３１が配置される。

燃料昇圧ブロア３１は、配管内の燃料３を加圧するためのブロアである。燃料昇圧ブロア３１の下流側で、配管は分岐する。一方の配管は、起動用燃料遮断弁２１を経由して、改質器６へと繋がる。他方の配管は、メイン燃料遮断弁２２を経由してＣＯシフト反応器７へと繋がる。

改質器６は、触媒により燃料３と水蒸気とを反応させる。改質器６での反応より、水素が生成する共にＣＯの生成も行われる。この改質器６での改質は、所謂水蒸気改質であり吸熱反応である。それ故、反応を促進させるために、改質器６には加熱用の燃焼器が含まれている。改質器６の下流側には、水蒸気発生器５が配置される。

水蒸気発生器５は、改質水ポンプ１１より供給される純粋を加熱し、水蒸気を発生させる。発生した水蒸気は、燃料ガスと合流する。固体高分子型燃料電池システムは、電池本体２の電解質膜及び触媒層から構成されるMEA（Membrane Electrode Assembly）でのＣＯ被毒が問題となるため、ＣＯはＣＯ２へ酸化させる必要がある。水蒸気発生器５の下流側には、ＣＯシフト反応器７、及びＣＯ選択酸化器８が配置される。

ＣＯシフト反応器７、及びＣＯ選択酸化器８には、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１８から、空気が供給される。ＣＯシフト反応器７ではＨ２Ｏによるシフト反応、ＣＯ選択酸化器８では、触媒によりＣＯ被毒が発生しない程度に、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１８から供給された空気により酸化反応を進める。

改質器６を含めたこれらの触媒反応温度はそれぞれ異なる。例えば、改質器６での反応温度は数百度であり、ＣＯ選択酸化器８での反応温度は百数十度である。このように、改質器６から排出される改質ガスの上流と下流の温度差を大きくとる必要がある。そのため、下流側において温度を下げるための熱交換器が必要となる。

次に、各触媒での主なプロセス反応を以下に示す。例えばメタン成分が主体の都市ガス改質の場合、水蒸気改質反応は（１）式、ＣＯシフト反応は（２）式、ＣＯ選択酸化反応は（３）式のようになる。
CH4＋２H2O→CO2＋４H2…(1)
CO＋H2O→CO2＋H2…(2)
２CO＋O2→２CO2…(3)

ＣＯ選択酸化器８を通過した改質ガスは、主に水素、炭酸ガス及び余った水蒸気等より構成される。ＣＯ選択酸化器８は、アノード極１３と連通し、ＣＯ選択酸化器８から排出された改質ガスは、アノード極１３に送り込まれる。

アノード極１３では、送り込まれた改質ガスに含まれる水素ガスが、プロトンH+と電子に分解する。その後、プロトンH+は、ＭＥＡの触媒層を経てカソード極１４へと移動する。カソード極１４では、カソード極用空気ブロア１５により供給される空気中の酸素及び電子と結びついて水が生成される。

したがって、アノード極１３は−極、カソード極１４は＋極となり、電位を持って直流電圧を発電する。この電位間に電気負荷を持てば電源としての機能を持つことになる。発電に使われずに残ったアノード極出口ガスは、水蒸気発生器５及び改質器６の加熱用燃料ガスとして使われる。また、カソード極出口中の水蒸気及び燃焼排気ガス中の水蒸気は、排熱熱交換器Ａ１２ａにより、水分を回収し、システムでの水自立を図る。

一方、電池本体２の排熱は、電池冷却水ポンプ２９の循環ラインに配置された排熱熱交換器Ｂ１２ｂによって熱回収される。温水循環ポンプ３３の運転により、排熱熱交換器１２ａ及び１２ｂで熱交換して暖められた温水は、貯湯槽３６に蓄熱され給湯やお風呂の温水として使われる。貯湯槽３６の熱が使われずに、タンク下部まで高温の温水が貯まった状態では、燃料電池システム１６に戻る循環水温度が上昇するため、温水が使われるまでシステムの運転を停止するか、或いは放熱器３７を通じて大気に放熱する。

次に、起動時の運転方法を示す。運転起動の指令が始まると、燃焼空気切替弁２５が開いた状態で燃焼用空気ブロア２６が起動し、改質器６内の燃焼室を空気パージする。この場合、燃焼用空気は燃焼用空気ブロア２６より、起動燃料の予混合空気としてだけでなく、拡散空気としても燃焼室内に供給される。

空気パージが完了すると、起動燃料着火のための例えば点火プラグからの火花を燃焼室内で発生させる。メイン燃料遮断弁２２を閉じ、脱気用遮断弁２３を開いた状態で、燃料遮断弁２０、起動用燃料遮断弁２１を開くと、燃料遮断弁２０及び起動用燃料遮断弁２１を通過した起動用燃料は、燃料昇圧ブロア３１で昇圧、燃焼室内で着火され火炎が形成される。

燃焼室内で使用されるバーナは、起動用と発電用も兼ねた一体型バーナであり、メタン主体の起動燃料は発電時のオフガス燃料である水素主体の燃料より燃焼速度遅く、吹き消えし易いため、予混合燃焼させて燃焼性を向上させている。燃焼が継続し、燃焼ガスの加熱によって改質器６や、図示はしていないが電気ヒータ等で加熱されたＣＯシフト反応器７、ＣＯ選択酸化器８、水蒸気分離器９、他が所定の温度になると、改質水ポンプ１１で水蒸気分離器９に供給された改質水はそこで蒸気となり、水蒸気流量調節弁２７が開き、燃料改質ラインに供給された後、同時にメイン燃料遮断弁２２が開いて供給される燃料３と共に、ＦＰＳ１内に供給され改質反応が始まる。このタイミングで起動用燃料遮断弁２１、脱気用遮断弁２３及び燃焼空気切替弁２５は閉じる。

改質反応が始まった後、ＣＯ選択酸化用空気ブロア１８の空気で酸化され、ＣＯ選択酸化器８出口から出た改質ガスは、主として水素、炭酸ガス、水蒸気等の成分からなり、電池本体２のアノード極１３に供給される。アノード極１３の出口から出るオフガスは、オフガス逆止弁２４を通過後、改質用燃焼器１０に供給される。

改質用燃焼器１０に供給されたオフガス燃料は着火して、メイン燃料用空気と安定した拡散燃焼を開始する。その後、カソード極用空気ブロア１５から電池本体２のカソード極１４に空気が供給され、インバータが起動すると燃料電池システム１６の発電が開始する。発電に寄与しないまま残ったアノード極１３の出口から出るオフガスは改質用燃焼器１０に供給され続ける。

［樹脂モジュールブロック４０の構成］
図２、３は、本実施形態の燃料電池システム１６に搭載されている樹脂モジュールブロック４０を示す。図２が樹脂モジュールブロック４０の平面図（設置時の正面図）、図３が正面図である。樹脂モジュールブロック４０は、図１における破線部の配管を樹脂で一体に成形したものである。また、図１における燃料３の流れを示す矢印Ａ〜Ｅが、図２、３の矢印Ａ〜Ｅと対応する。

樹脂モジュールブロック４０には、２つの配管が形成される。１つ目の配管は、図１において、脱硫器４と燃料昇圧ブロア３１間の配管（矢印Ａから矢印Ｂ）である。脱硫器４から続く配管は、矢印Ａの部分で樹脂モジュールブロック４０と接続し、矢印Ｂの部分で燃料昇圧ブロア３１の上流側の配管と接続する。また、２つ目の配管は、樹脂モジュールブロック４０内部で２方向に分岐する。図１において、燃料昇圧ブロア３１と改質器６間の配管（矢印Ｃから矢印Ｅ）と、燃料昇圧ブロア３１とＣＯシフト反応器７間の配管（矢印Ｃから矢印Ｄ）となる。

樹脂モジュールブロック４０は、内部の配管を形成する複数の部材が組み合わさることで形成される。樹脂モジュールブロック４０は、樹脂モジュール４０ａ、バイパス式流量計６１ａ、バイパス式流量計搭載用子部品６２、起動用燃料遮断弁２１、及びメイン燃料遮断弁２２とからなる。換言すれば、樹脂モジュール４０ａに、バイパス式流量計６１ａ、バイパス式流量計搭載用子部品６２、起動用燃料遮断弁２１、及びメイン燃料遮断弁２２を搭載したものが樹脂モジュールブロック４０である。

樹脂モジュールブロック４０の矢印Ａから矢印Ｂまでの配管には、バイパス式流量計６１ａが設置される。バイパス式流量計搭載用子部品６２内の配管が、バイパス式流量計６１ａの主流路と、バイパス流路の一部となる配管となる。バイパス式流量計搭載用子部品６２内の配管は、内部で分岐し、バイパス式流量計６１ａの主流路と、主流路から分岐するバイパス式流量計６１ａへの流入口と、主流路に流入するバイパス式流量計６１ａからの流出口となる。ここで、バイパス式流量計６１ａが設けられるモジュールを第１のモジュールとし、バイパス式流量計搭載用子部品６２が設けられるモジュールを第２のモジュールとする。また、矢印Ａから矢印Ｂまでの配管の樹脂モジュール４０ａにバッファタンク部５１を設ける。

それぞれ別体で形成される樹脂モジュール４０ａと、バイパス式流量計搭載用子部品６２とは、溶接により接続される。一方、バイパス式流量計搭載用子部品６２とバイパス式流量計６１ａとの固定は、ねじ止めとなる。バイパス式流量計搭載用子部品６２とバイパス式流量計６１ａの接続部分には、環状パッキンが配置されシールされる。環状パッキンとは、所謂Ｏリングである。

樹脂モジュールブロック４０の矢印Ｃから矢印Ｄまでの配管には、メイン燃料遮断弁２２が設置される。メイン燃料遮断弁２２が矢印Ｃから矢印Ｄまでの配管の一部となる。樹脂モジュール４０ａに対するメイン燃料遮断弁２２の固定は、ねじ止めとなる。接続部分には、環状パッキンが配置されシールされる。

樹脂モジュールブロック４０の矢印Ｃから矢印Ｅまでの配管には、起動用燃料遮断弁２１が設置される。起動用燃料遮断弁２１が矢印Ｃから矢印Ｅまでの配管の一部となる。樹脂モジュール４０ａに対する起動用燃料遮断弁２１の固定は、ねじ止めとなる。接続部分には、環状パッキンが配置されシールされる。

［樹脂モジュールブロック４０の内の燃料の流れ］
以下では、本実施形態に係る燃料電池システム１６において、樹脂モジュールブロック４０を流れる燃料３の流れについて説明する。

燃料遮断弁２０が開き、脱硫器４を通過した燃料３は、燃料流量計入口接続部４８から樹脂モジュールブロック４０に供給される。燃料３はバイパス式流量計６１ａを通過後、樹脂配管部ａ５０に入り、配管部分と比較して断面積を大きく構成したバッファタンク部５１を経てバッファタンク出口接続部５２から一旦樹脂モジュールブロック４０の外部に出る。

燃料３は、燃料昇圧ブロア３１を介して、燃料遮断弁入口接続部５３から再び樹脂モジュールブロック４０に供給される。各燃料は樹脂配管部ｂ５４で分岐後、起動用燃料遮断弁２１、メイン燃料遮断弁２２に入り、各遮断弁の開閉制御により流れが決定され、起動時は起動用燃料遮断弁出口接続部５５、定常時はメイン燃料遮断弁出口接続部５６より樹脂モジュールブロック４０外部の接続配管（図示せず）に導かれる。

ここで、第１の実施例である燃料用のバイパス式流量計６１ａの樹脂モジュールブロック４０への搭載方法、及び流量測定に関係する流路構造の詳細を説明する。図４（ａ）に樹脂モジュールブロック４０のバイパス式流量計搭載用子部品６２に搭載したバイパス式流量計６１ａの平面図、図４（ｂ）に正面断面図（Ａ−Ａ部）、及び図４（ｃ）に側面図（Ｂ−Ｂ部）を示す。

図４（ａ）に示したバイパス式流量計６１ａは、バイパス式流量計搭載用子部品６２に２箇所のねじ部６４によって固定され、２箇所のＯリング６３によってシールされている。バイパス式流量計６１ａは、システム稼働後の故障が考えられるため、メンテナンス性を考え、ねじ部６４による固定としている。

一方、バイパス式流量計搭載用子部品６２は樹脂モジュールブロック４０に、例えば振動溶着等で溶着、シールされている。バイパス式流量計６１ａは、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように矢印で流れの方向を記載した流体（ここでは燃料３）の一部がバイパス流路６５にバイパスして、センサ部にてその流量を検知、主流路６６の流量を算出可能となる。

バイパス式流量計６１ａの特徴は、これらバイパス流路６５と主流路６６を流れる流体のバイパス流量比を適切に設定することであり、その設定は、主流路オリフィス部６７、主流路６６、バイパス流路６５の各径や構造で主に決定される。

［１−２．作用効果］
以上のように燃料電池システムは、燃料が流れる配管の一部を樹脂モジュールブロック内部に設ける。また、樹脂モジュールブロックに設けられた配管を主流路とするバイパス式流量計を備える。これにより、バイパス式流量計６１ａを小型化、軽量化することが可能となる。

樹脂モジュールブロック内部にバイパス式流量計のバイパス流路の一部を設けても良い。これにより、バイパス流路の配管を樹脂モジュールブロックに別途接続する場合と比較して、バイパス流路の形成を容易にすることが可能となる。

樹脂モジュールブロックは、複数のモジュールより成形しても良い。本実施形態では、樹脂モジュール４０ａにバイパス式流量計６１ａ、バイパス式流量計搭載用子部品６２、起動用燃料遮断弁２１、及びメイン燃料遮断弁２２を搭載する。これにより、配管部分をコンパクトすることが可能となり、燃料電池システムを小型、軽量で省スペースとすることができる。

前記複数のモジュールは、バイパス式流量計６１ａを含む第１のモジュールと、バイパス式流量計搭載用子部品６２となる第２のモジュールとしても良い。これにより、軽量で省スペースなバイパス式流量計を燃料電池システムに搭載することができる。

バイパス式流量計搭載用子部品６２は、樹脂モジュールブロックに溶着される。バイパス式流量計搭載用子部品６２には、バイパス式流量計の主流路が形成される。予め、主流路をバイパス式流量計搭載用子部品６２に形成しておき、そのバイパス式流量計搭載用子部品６２を樹脂モジュールに接着することで、主流路の加工を容易に行うことができる。これにより、主流路の加工精度の向上が図れる。

バイパス式流量計搭載用子部品６２には、バイパス式流量計の主流路が設けられる。この主流路には、オリフィス部が設けられ、オリフィス部は、バイパス流路の流入口と、前記バイパス流路の流出口との間に配置される。これにより、バイパス流路６５に流れる流量を少なくすることができる。つまり、バイパス式流量計６１ａの流量は、バイパス流路６５と主流路６６の圧力差を原理として算出されるため、主流路６６側の流路抵抗を、バイパス流路６５の流路抵抗に比べて小さくした。

バイパス式流量計６１ａを十分に小型化、軽量化するため、バイパス流路６５流量は、主流路６６流量の１０分の１以下が望ましい。バイパス式流量計６１ａの流量測定精度を担保するためにはバイパス流量比の管理が肝要であり、バイパス流量比を管理するためには、主流路オリフィス部６７、主流路６６、バイパス流路６５の厳密な寸法管理が要求される。

バイパス流量比を、（バイパス流路６５流量）／（主流路６６流量＋バイパス流路６５流量）とすると、バイパス流量比が小さいほど、より寸法精度が厳しくなり、これら重要寸法を、バイパス式流量計搭載用子部品６２に集約、別モジュール化することで、樹脂モジュールブロック４０全体と切り分けた寸法管理が可能となる。
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、小型化、軽量化することができる。

本明細書においては、本発明に係る複数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って、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１…燃料処理系、２…電池本体、１６…燃料電池システム、３６…貯湯槽、４０…樹脂モジュールブロック、４０ａ…樹脂モジュール、５０…樹脂配管部ａ、５４…樹脂配管部ｂ、６１ａ…バイパス式流量計、６２…バイパス式流量計搭載用子部品、６３…Ｏリング、６５…バイパス流路、６６…主流路、６７…主流路オリフィス部

Claims (8)

1. 燃料が流れる配管の一部が内部に設けられる樹脂モジュールブロックと、
   前記樹脂モジュールブロック内部に設けられた前記配管を主流路とするバイパス式流量計と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記樹脂モジュールブロック内部に前記バイパス式流量計のバイパス流路の一部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記樹脂モジュールブロックは、複数のモジュールより成形されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記複数のモジュールは、前記バイパス式流量計を含む第１のモジュールと、
   前記第１のモジュールと、前記樹脂モジュールブロックとの間に配置される第２のモジュールと、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２のモジュールは、
   前記樹脂モジュールブロックに溶着されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第２のモジュールには、
   前記バイパス式流量計の主流路と、
   前記主流路から分岐するバイパス流路の流入口と、
   前記主流路へ合流するバイパス流路の流出口と、
   が設けられ、
   前記主流路には、オリフィス部が設けられ、
   前記オリフィス部は、前記バイパス流路の流入口と、前記バイパス流路の流出口との間に配置されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 前記オリフィス部の径は、前記バイパス流路の径よりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１のモジュールは、前記第２のモジュールに対して着脱自在に構成され、
   前記第１のモジュールに設けられるバイパス流路と、前記第２のモジュールのバイパス流路の接続部分には、環状パッキンが配置されることを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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