(57)【要約】【課題】燃料電池への負荷の変動が生じる前に、燃料電池に供給される燃料の特性を制御する燃料流量制御システムであって、燃料の一部としてボイルオフガスが利用される燃料電池においても好適に利用することができる燃料流量制御システムを提供すること。【解決手段】燃料流量制御部と、燃料流量変更量算出部とを備える燃料流量制御システムであって、燃料流量変更量算出部は、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときには、燃料電池の温度及び燃料電池にかかる負荷から算出される必要流量から、実測値を減算した値を、燃料流量変更量として出力し、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときには、ボイルオフガスと、炭化水素ガス混合物との熱量差から算出されるバイアス流量と、必要流量と、の和から実測値を減算した値を、燃料流量変更量として出力することを特徴とする燃料流量制御システム。【選択図】図２
2010186620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料タンクに収容され、沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池において、前記燃料電池に供給される燃料の流量を前記燃料電池と前記燃料タンクの間の経路上で制御する燃料流量制御部と、前記燃料流量制御部が制御する前記燃料の流量の変更量である燃料流量変更量を出力する燃料流量変更量算出部とを備える燃料流量制御システムであって、
前記燃料タンクの内部での液化炭化水素ガスの沸騰により発生するボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときは、前記燃料電池には、前記液化炭化水素ガス混合物を気化させ炭化水素ガス混合物を供給し、
前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときは、前記燃料電池には、前記炭化水素ガス混合物と、前記ボイルオフガスとの混合物を供給するものであり、
前記燃料流量変更量算出部は、
前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときには、前記燃料電池にかかる負荷を一定にするために必要な前記炭化水素ガス混合物の流量であり、前記燃料電池の温度及び前記燃料電池にかかる負荷から算出される必要流量から、前記燃料電池と前記燃料タンクの経路上における実際の燃料の流量である実測値を減算した値を、前記燃料流量変更量として出力し、
前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときには、燃料電池にかかる負荷を一定にするために必要な炭化水素ガス混合物とボイルオフガスの混合物の流量、及び前記必要流量の差であり、前記ボイルオフガス、及び前記炭化水素ガス混合物の熱量差から算出されるバイアス流量と、前記必要流量と、の和から前記実測値を減算した値を、前記燃料流量変更量として出力することを特徴とする燃料流量制御システム。
【請求項２】
前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときにおいて、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力を下回った後、所定の時間内は、前記燃料流量変更量算出部が、前記バイアス流量と、前記必要流量と、の和から、前記実測値を減算した値を前記燃料流量変更量として出力し、
前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときにおいて、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上となった後、所定の時間内は、前記燃料流量変更量算出部が、前記必要流量から、前記実測値を減算した値を前記燃料流量変更量として出力する請求項１に記載の燃料流量制御システム。
【請求項３】
前記液化炭化水素ガス混合物が、液化天然ガスであり、前記ボイルオフガスがメタンガスである請求項１又は２に記載の燃料流量制御システム。
【請求項４】
前記燃料電池が、前記炭化水素ガス混合物、又は前記炭化水素ガス混合物と前記ボイルオフガスとの混合物を、水蒸気改質することにより水素を発生させる改質部を備え、前記改質部で発生した水素を酸化することにより駆動される請求項１から３のいずれかに記載の燃料流量制御システム。
【請求項５】
前記燃料電池が、溶融炭酸塩形燃料電池である請求項４に記載の燃料流量制御システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の燃料流量制御システムを備える燃料電池発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池において用いられる燃料流量制御システム、及びこれを用いた燃料電池発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料を化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池であり、従来用いられている乾電池等の一次電池や、鉛蓄電池等の二次電池よりも、高い発電効率を有するものとされている。燃料電池は、その小形化によっても発電効率が低下しないものとされ、将来的には製造コストを低く抑えることができるものと考えられているため、従来の大型発電設備の代替となる発電設備として利用されることが期待されている。
【０００３】
一般に、燃料電池としては、これが利用する燃料や電解質の種類に応じて、種々の燃料電池が知られている。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池は、溶融した炭酸塩を電解質として用いた燃料電池であり、火力発電設備に代替する燃料電池としての利用が期待されている。
【０００４】
ここで、燃料電池を駆動する燃料としては、一般には、水素、低級アルコール、及び炭化水素ガス等を挙げることができる。このうち、水素を燃料として利用する場合には、例えば、天然ガス等の炭化水素ガスを、高温条件及び金属触媒存在条件の下において水蒸気と反応させて、水素を生産することができるものとされている（水蒸気改質）。
【０００５】
天然ガスの炭化水素ガスを、必要に応じて水蒸気改質等を行うことにより燃料電池の燃料に使用する場合、その燃料電池を備える発電設備の施設内に燃料タンクを設け、これに収容された液化炭化水素ガスを気化させて使用する。ここで、特に液化炭化水素ガスとして、液化天然ガス等の混合物を用いる場合、液化炭化水素ガス混合物に含まれる炭化水素成分の沸点に応じて、一部の液化炭化水素ガスが沸騰して、液化点の低い炭化水素ガス（ボイルオフガス）を生じることが知られている。
【０００６】
このようなボイルオフガスは、一般に単位体積当たりのエネルギー量が低いものとされているため、液化炭化水素ガスを加熱により気化させて生じた天然ガスと混合して燃料電池の燃料として供給した場合には、燃料電池への負荷の変動を生起するものとされていた。燃料電池への負荷の変動は、燃料電池の寿命に悪影響を与えるものとされ、燃料電池の使用にあたり、燃料電池への負荷の少ない使用方法を採用することが求められていた。
【０００７】
例えば、特許文献１には、アノードガス入口系統、アノードガス出口系統、カソードガス入口系統、カソードガス出口系統の一部又は全てにガス組成検出器を設け、ガス組成検出器からの信号によって理論起電力を算出し、電池運転起電力を測定し、理論起電力と運転セル電圧とを基準として、アノードガス及び／又はカソードガスのガス条件を制御することを特徴とする溶融炭酸塩形燃料電池システムが開示されている。特許文献１に記載の発明によれば、電池の負荷に関わらず電池内温度分布を一様にすることができ、電池を長寿命で効率よく使用することができるものとされる。
【０００８】
また、特許文献２には、溶融炭酸形燃料電池の急速負荷上昇時には、改質器の反応部への改質原料供給量を増加させる以前に、先行的に燃焼用空気及び低カロリーガス燃料供給量を減少させ、更に反応安定後であって、炭化水素原料の供給量の変更完了以前に、再度アノード排出ガス供給量を増加させ、円滑な負荷変動を実現する溶融炭酸塩形燃料電池用燃料供給方法が開示されている。特許文献２に記載の発明によれば、電力需要の急激な変動に対応するため、溶融炭酸塩形燃料電池の燃料となる水素の発生量を迅速に変動させる操作が、燃料供給システムに課せられた命題である急速負荷変動を円滑且つ安全に対処することができるものとされている。
【０００９】
更に、特許文献３には、燃料電池のアノードへの燃料導入部に酸素センサーを配置して、アノードへ導入する燃料中の酸素分圧を測定し、その酸素分圧値から燃料組成を予測して燃料利用率が適正ないし最適になるように原燃料の流量を制御することと特徴とする燃料電池の運転制御方法が開示されている。特許文献３に記載の発明によれば、燃料電池を運転するに際して、燃料電池に供給する原燃料の組成が未知であっても、或いは燃料電池で利用する原燃料の組成が未知で、しかも変動していても、燃料電池を安全且つ安定して燃料利用率が適正ないし最大になるように制御することができるものとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１−２４６７７１号公報
【特許文献２】特開平６−２３１７９０号公報
【特許文献３】特開２００６−１４０１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１及び２に記載の発明は、燃料電池への負荷の変化を検出することをその構成の一部としており、特許文献３に記載の発明も、燃料導入部の酸素センサーにより、燃料中の酸素分圧を計測して初めて実現できるものである。即ち、これらの特許文献に記載の発明は、燃料組成の変化の影響が燃料電池に及んだ後に、燃料電池に供給する燃料の特性を制御するものであり、これらの発明を実施しても、燃料電池への負荷の変動は完全には避けられないものであった。
【００１２】
特に、燃料電池の燃料にボイルオフガスが混入される場合、燃料電池への負荷は大幅に変動する可能性がある。特許文献１から３に記載の発明により、燃料電池に供給される燃料の特性を制御したとしても、その結果、燃料電池への負荷の大幅な変動が回避できるか否かについては、必ずしも明らかではない。
【００１３】
従って、本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池への負荷の変動が生じる前に、燃料電池に供給される燃料の特性を制御する燃料流量制御システムであって、燃料の一部としてボイルオフガスが利用される燃料電池においても好適に利用することができる燃料流量制御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】
【００１４】
本発明者は、上記課題に鑑み、鋭意研究を行った。その結果、ボイルオフガスが供給される条件及びボイルオフガスが供給されない条件のそれぞれにおいて、炭化水素ガス混合物とボイルオフガスの混合物、及び炭化水素ガスの供給量を制御することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
具体的には、本発明は、以下のものを提供する。
【００１６】
（１）  燃料タンクに収容され、沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池において、前記燃料電池に供給される燃料の流量を前記燃料電池と前記燃料タンクの間の経路上で制御する燃料流量制御部と、前記燃料流量制御部が制御する前記燃料の流量の変更量である燃料流量変更量を出力する燃料流量変更量算出部とを備える燃料流量制御システムであって、前記燃料タンクの内部での液化炭化水素ガスの沸騰により発生するボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときは、前記燃料電池には、前記液化炭化水素ガス混合物を気化させ炭化水素ガス混合物を供給し、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときは、前記燃料電池には、前記炭化水素ガス混合物と、前記ボイルオフガスとの混合物を供給するものであり、前記燃料流量変更量算出部は、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときには、前記燃料電池にかかる負荷を一定にするために必要な前記炭化水素ガス混合物の流量であり、前記燃料電池の温度及び前記燃料電池にかかる負荷から算出される必要流量から、前記燃料電池と前記燃料タンクの経路上における実際の燃料の流量である実測値を減算した値を、前記燃料流量変更量として出力し、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときには、燃料電池にかかる負荷を一定にするために必要な炭化水素ガス混合物とボイルオフガスの混合物の流量、及び前記必要流量の差であり、前記ボイルオフガス、及び前記炭化水素ガス混合物の熱量差から算出されるバイアス流量と、前記必要流量と、の和から前記実測値を減算した値を、前記燃料流量変更量として出力することを特徴とする燃料流量制御システム。
【００１７】
（１）に記載の発明によれば、炭化水素ガス混合物に、ボイルオフガスが混入される条件を充足するか否かに応じて、燃料電池に供給される燃料の流量を調整するので、ボイルオフガスの混入に伴う燃料電池への負荷の変動を、ボイルオフガスを含む燃料が燃料電池に到達する前に防止することができる。また、燃料電池に生じる負荷ではなく、燃料電池と燃料タンクの間の経路上における、燃料の流量を基準として、燃料電池に供給される流量の調整を行うので、燃料電池の負荷の変動が生じる前に燃料の流量を調整することができる。
【００１８】
（２）  前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力未満のときにおいて、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力を下回った後、所定の時間内は、前記燃料流量変更量算出部が、前記バイアス流量と、前記必要流量と、の和から、前記実測値を減算した値を前記燃料流量変更量として出力し、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上のときにおいて、前記ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上となった後、所定の時間内は、前記燃料流量変更量算出部が、前記必要流量から、前記実測値を減算した値を前記燃料流量変更量として出力する（１）に記載の燃料流量制御システム。
【００１９】
（２）に記載の発明によれば、ボイルオフガスの供給の開始・終了に対して、燃料流量制御部における燃料の流量の制御を、それぞれ遅延動作・遅延復帰させることができる。このため、ボイルオフガスの吸入点と、燃料流量制御部との間の距離が離れていても、燃料の流量の制御を適切に行うことができる。
【００２０】
（３）  前記液化炭化水素ガス混合物が、液化天然ガスであり、前記ボイルオフガスがメタンガスである（１）又は（２）に記載の燃料流量制御システム。
【００２１】
液化天然ガスは、メタンを始めとする炭化水素の混合物を含むと共に、メタンが最も沸点の低い炭化水素である。このため、液化天然ガスを液化炭化水素ガス混合物として用いた場合には、メタンガスがボイルオフガスとして発生する。メタンガスは、他の炭化水素ガスに比べて、単位体積あたりの熱量が小さいものであるが、（３）に記載の発明によれば、このような場合においても、燃料電池に供給される燃料の流量の調整を好適に行うことができる。
【００２２】
（４）  前記燃料電池が、前記前記炭化水素ガス混合物、又は前記炭化水素ガス混合物と前記ボイルオフガスとの混合物を、水蒸気改質することにより水素を発生させる改質部を備え、前記改質部で発生した水素を酸化することにより駆動される（１）から（３）のいずれかに記載の燃料流量制御システム。
【００２３】
炭化水素ガスを原料として駆動される燃料電池においては、金属触媒の存在下、高温で、炭化水素ガスと水蒸気とを反応させることにより、水素を発生させ、この水素を酸化することにより、燃料電池を駆動することがある。（４）に記載の発明によれば、このような水蒸気改質後の水素を用いた燃料電池においても、これに供給する燃料の流量を好適に制御することができる。
【００２４】
（５）  前記燃料電池が、溶融炭酸塩形燃料電池である（４）に記載の燃料流量制御システム。
【００２５】
溶融炭酸塩形燃料電池は、炭酸塩を溶融して電解質として用いた燃料電池であり、水素の酸化に伴って、二酸化炭素が空気極側から燃料極側に移動するものとされる。（５）に記載の発明によれば、このような溶融炭酸塩形燃料電池を燃料電池として用いた場合においても、燃料電池に供給する燃料の流量の調整を好適に行うことができる。
【００２６】
（６）  （１）から（５）のいずれかに記載の燃料流量制御システムを備える燃料電池発電設備。
【００２７】
（６）に記載の発明は、（１）から（５）に記載の発明を、燃料電池発電設備の発明として捉えたものである。従って、（１）から（５）に記載の発明と、同様の効果を有する燃料電池発電設備を提供することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、炭化水素ガス混合物に、ボイルオフガスが混入される条件を充足するか否かに応じて、燃料電池に供給される燃料の流量を調整するので、ボイルオフガスの混入に伴う燃料電池への負荷の変動を、ボイルオフガスを含む燃料が燃料電池に到達する前に防止することができる。また、燃料電池に生じる負荷ではなく、燃料電池と燃料タンクの間の経路上における、燃料の流量を基準として、燃料電池に供給される流量の調整を行うので、燃料電池の負荷の変動が生じる前に燃料の流量を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池発電設備を示す図面である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料流量制御システムの設計例を示す図面である。
【図３】図２において用いられる記号を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に何ら限定されるものではない。
【００３１】
＜燃料電池発電設備＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池発電設備１の概要を示す図面である。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池発電設備１は、沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を収容する燃料タンク２と、燃料タンク２から供給される液化炭化水素ガス混合物を気化する熱交換部３と、必要に応じて設けられ、炭化水素ガス混合物及びボイルオフガスと、水蒸気と、を高温条件及び金属触媒存在条件下で反応させ、水素を発生させる改質部４と、燃料電池５と、燃料タンク２内部で発生するボイルオフガスを外部に排気するための、排気部６と、を備える。
【００３３】
また、これらを接続する接続経路として、燃料タンク２と熱交換部３とを接続する燃料タンク−熱交換部接続経路７と、熱交換部３と改質部４とを接続する熱交換部−改質部接続経路８と、ボイルオフガスを流通し、燃料タンク２から改質部４を介さずに熱交換部−改質部接続経路８に合流する、ボイルオフガス流通経路９と、ボイルオフガス流通経路９から分岐して排気部６に通じるボイルオフガス排出経路１０と、改質部４と燃料極５１とを接続する改質部−燃料極接続経路１１と、燃料極５１内部の使用済み燃料を排出する使用済み燃料排出経路１２と、外気を空気極５２に供給する空気供給経路１３と、空気極５２内部の気体を排出する空気排出経路１４と、を備える。
【００３４】
更に、本実施形態の燃料電池発電設備１においては、熱交換部−改質部接続経路８上、熱交換部３、及びボイルオフガス流通経路９との合流点の間に第一自圧調整弁１５が、ボイルオフガス流通経路上、燃料タンク２、及びボイルオフガス排出経路１０への分岐点の間に第二自圧調整弁１６が設けられている。更に、必要に応じて、ボイルオフガス流通経路９上、ボイルオフガス排出経路１０への分岐点、及び熱交換部−改質部接続経路８への合流点の間に第三自圧調整弁１７が、ボイルオフガス排出経路１０上に第四自圧調整弁１８が設けられていることが好ましい。
【００３５】
そして、熱交換部−改質部接続経路８上、ボイルオフガス流通経路９との合流点、及び改質部４との間には、燃料流量制御弁１９が設けられ、熱交換部−改質部接続経路８上、燃料流量制御弁１９、及び改質室の間には、蒸気供給口が設けられている。
【００３６】
［燃料タンク］
燃料タンク２としては、特に限定されるものではなく、液化炭化水素ガス混合物を貯蔵可能であり、所定の圧力に耐えうる容器であれば、どのようなものであってもよい。燃料タンク２としては、金属性の容器を用いることが好ましく、例えば、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の容器を用いることができる。
【００３７】
［熱交換部］
熱交換部３は、液化炭化水素ガス混合物に熱を供給することにより、液化炭化水素ガスを気化するために用いられるものである。このような熱交換部３としては、公知のものを使用することができ、特に限定されるものではないが、例えば、微細な細管群からなる熱交換部３であって、液化炭化水素ガス混合物と、熱源との間の接触面積が大きく、液化天然ガス混合物と、熱源との間で、熱交換を効率的に行うことができる熱交換部３を挙げることができる。上記熱交換部３における熱源としては、特に限定されるものではないが、例えば、外気、又は水若しくは温水等を挙げることができる。これらの中でも、温水を熱源として用いることが好ましい。
【００３８】
［改質部］
改質部４は、加圧され、水蒸気と混合された炭化水素ガス混合物を、水素に改質する改質室と、水蒸気改質に必要な熱を供給する燃焼室と、を有する。改質室には、炭化水素ガス混合物を、水素に改質するための改質媒体が充填されており、燃焼室には、十分な燃焼が行われるよう、燃焼媒体が充填されている。
【００３９】
［燃料電池］
本発明の燃料電池発電設備１に用いられる燃料電池５は、特に限定されるものではなく、従来公知の燃料電池５でを使用することができる。燃料電池５としては、具体的には、固体高分子形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及びバイオ燃料電池等を挙げることができる。これらの中でも、特に、火力発電設備等の発電設備に代替する燃料電池発電設備１に用いられる燃料電池５としては、溶融炭酸塩形燃料電池を用いることが好ましい。
【００４０】
（溶融炭酸塩形燃料電池）
溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料極５１と、空気極５２と、燃料極５１及び空気極５２に挟持される電解質層とを有する。
【００４１】
電解質層は、電解質としての溶融塩を浸み込ませた多孔質平板であり、例えば、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）により構成したマトリックスに、電解質である炭酸塩を主成分とする溶融塩を含浸させたものを用いる。炭酸塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭酸リチウム、炭酸カリウム、及び炭酸ナトリウム等の炭酸アルカリ金属塩、並びに、炭酸マグネシウム、及び炭酸カルシウム等の炭酸アルカリ土類金属塩等を挙げることができる。
【００４２】
燃料極５１及び空気極５２としては、高温且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物として、酸化ニッケル、酸化鉄、或いは酸化銅その他の金属酸化物に、リチウムがドープされたものを単独で、又は複数種を混合して用いることができる。
【００４３】
なお、溶融炭酸塩形燃料電池において、電気化学反応が円滑に進行するためには、溶融炭酸塩形燃料電池が、６００℃から７００℃の温度に維持されることが好ましい。
【００４４】
溶融炭酸塩形燃料電池は、以下のように作用する。溶融炭酸塩形燃料電池においては、空気極５２側では、下記化学式（１）で表される電気化学反応が行われ、炭酸イオンが生成される。空気極５２で未反応の二酸化炭素と酸素を含むガスは、空気極５２の出口より排出される。
【化１】
2010186620.tif 000003
【００４５】
生成された炭酸イオンは、電解質層を泳動して燃料極５１に達し、燃料極５１側で、下記化学式（２）で表される電気化学反応が行われ、電子が奪われることにより、炭酸イオンから二酸化炭素が濃縮分離され、ガス出口から排出される。
【化２】
2010186620.tif 000004
【００４６】
これらの電気化学反応が進行することにより、発電が行われると共に、水素が酸化されて、水が生成する。
【００４７】
（使用する燃料）
本実施形態の燃料電池５に使用する液化炭化水素ガス混合物としては、入手の容易性の観点等から、液化天然ガスを用いることが好ましい。液化天然ガスにおいては、メタン等が低沸点の炭化水素として含まれている。このため、液化天然ガスを液化炭化水素ガス混合物として用いた場合には、メタンガスを含むボイルオフガスが発生する。
【００４８】
［排気部］
排気部６としては、例えば、排気筒等、炭化水素ガスを排出するための従来公知の手段を用いることができ、特に限定されるものではない。ここで、排気部６は、排気したボイルオフガスが地上に至るまでに十分に拡散するよう、排気口が十分に高度のある位置に設けられていることが好ましい。
【００４９】
［自圧調整弁］
本実施形態の燃料電池発電設備１に設けられる自圧調整弁は、これが設けられた各経路の弁への流入側の圧力に応じて、その開閉状態を変化させることができるようになっている。例えば、第二自圧調整弁１６は、ボイルオフガス供給経路上、弁への流入側の圧力が所定の圧力（第二の圧力；例えば、０．６５Ｍｐａ）以上となったときに、開弁するように設定されており、第四自圧調整弁１８は、ボイルオフガス排出経路１０上、弁への流入側の圧力が、第二の圧力よりも低い所定の圧力（第四の圧力；例えば、０．４０Ｍｐａ）以上となったときに、開弁するように設定されていることが好ましい。
【００５０】
また、第一自圧調整弁１５は、熱交換部−改質部接続経路８上、弁への流入側の圧力が、所定の圧力（第一の圧力；例えば、０．３０Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されており、第三自圧調整弁１７は、ボイルオフガス流通経路９上、弁の流入側の圧力が、第四の圧力よりも低い所定の圧力（第三の圧力；例えば、０．３５Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されていることが好ましい。
【００５１】
［燃料流量制御弁］
本実施形態に係る燃料電池発電設備１は、燃料流量制御部の一部である燃料流量制御弁１９を備える。燃料流量制御弁１９は、その開度を調整するアクチュエーター等に接続され、燃料流量変更量算出部の出力に応じて開度が調整されるようになっている。燃料流量変更量算出部の出力に応じ、燃料流量制御弁１９の開度を調整することにより、熱交換部−改質部接続経路８を通過して、改質部４に到達する炭化水素ガス混合物の流量を調整することができ、燃料電池５にかかる負荷の変動を抑えることができる。
【００５２】
［蒸気供給口］
蒸気供給口は、水蒸気を供給可能な構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、蒸気発生装置と、熱交換部−改質部接続経路８とを接続し、開度を調整可能な弁が取り付けられた管状の構造物を挙げることができる。
【００５３】
［燃料電池発電設備の基本作用］
上記燃料電池発電設備１は、基本的には、以下のように作用する。
【００５４】
まず、燃料タンク２の内部のボイルオフガスの圧力が、第二の圧力以下に抑えられている場合には、液化炭化水素ガス混合物が気化されて生成される炭化水素ガス混合物のみが燃料電池５の燃料として供給される。即ち、燃料タンク２内の液化炭化水素ガス混合物は、熱交換部３で熱交換を行うことにより炭化水素ガス混合物となり、熱交換部−改質部接続経路８上を、改質部４に向かって流通する。この際、熱交換部−改質部接続経路８上に備えられる、第一自圧調整弁１５の作用により、第一の圧力未満のときにのみ炭化水素ガス混合物が流通するようになっている。そして、第一自圧調整弁１５を通過した炭化水素ガス混合物は、次いで燃料流量制御弁１９を通過し、水蒸気が混合されて改質部４に至る。燃料流量制御弁１９では、後述する燃料流量制御システムの制御の下、燃料電池５の負荷が一定となるように、燃料の流量を制御する。
【００５５】
改質部４においては、燃焼室から供給される熱を熱源として、炭化水素ガス混合物と水蒸気が反応し、水蒸気改質が行われる。これにより、炭化水素ガスと水蒸気から水素が生成する。生成した水素は、燃料電池５の燃料極５１に送られ、上記化学式（２）で示す電気化学反応により、水素と炭酸イオンから、水と二酸化炭素を生成する。
【００５６】
ここで、燃料タンク２が、外気の熱により温められ、液化炭化水素ガス混合物に含まれる低沸点の液化炭化水素が沸騰を起こすと、沸騰の結果生じた気体は、ボイルオフガスとして燃料タンク２内に蓄積する。この燃料タンク２内のボイルオフガスの圧力が第二の圧力以上となった場合、第二自圧調整弁１６が開弁し、ボイルオフガス流通経路９上をボイルオフガスが流通する。ボイルオフガス流通経路９を流通したボイルオフガスは、熱交換部−改質部接続経路８上を流通する炭化ガス混合物と合流し、炭化水素ガス混合物と、ボイルオフガスとの混合物が、燃料流量制御弁１９を通過して、改質部４及び燃料電池５に至る。このとき、燃料流量制御弁１９は、後述する燃料流量制御システムの作用により、体積あたりの熱量が低いボイルオフガスの流入量を考慮した上で、炭化水素ガス混合物とボイルオフガスとの混合物を用いた場合の燃料電池５の負荷が一定となるように流量を制御する。
【００５７】
次に、燃料タンク２において、ボイルオフガスの圧力が第二の圧力を超えて大幅に高まった場合、第二自圧調整弁１６以降のボイルオフガス流通経路を流通するボイルオフガスの圧力が、第三の圧力以上となることがある。このような場合、第三自圧調整弁１７は閉弁することが好ましい。そして、この閉弁に次いで、第二自圧調整弁１６、第三自圧調整弁１７、及び第四自圧調整弁１８で囲まれるボイルオフガス流通経路９上及びボイルオフガス排出経路１０上の部位での、ボイルオフガスの圧力が、第四の圧力以上となった場合、第四自圧調整弁１８が開弁して、排気部６からボイルオフガスを排気することが好ましい。
【００５８】
＜燃料流量制御システム＞
図２は、本実施形態に係る燃料流量制御システムの設計例を示す図面である。本実施形態に係る燃料流量制御システムは、燃料電池５に供給される燃料の流量を燃料電池５と燃料タンク２の間の経路（熱交換部−改質部接続経路８）上で制御する燃料流量制御部と、燃料流量制御部が制御する燃料の流量の変更量である燃料流量変更量を出力する燃料流量変更量算出部とを有する。
【００５９】
［燃料流量制御部］
燃料流量制御部は、熱交換部−改質部接続経路８上で炭化水素ガス混合物、又は炭化水素ガス混合物及びボイルオフガスの混合物の流量を制御する。このような部材としては、特に限定されないが、例えば、上述した燃料流量制御弁１９と、燃料流量変更量算出部の出力に応じて燃料流量制御弁１９の開度を調整するアクチュエーター等とを有する部材を挙げることができる。
【００６０】
［燃料流量変更量算出部］
本実施形態に係る燃料流量制御システムにおいて、燃料流量変更量算出部は、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力である第二の圧力未満のとき（ワイプアウト条件）には、燃料電池５にかかる負荷を一定にするために必要な炭化水素ガス混合物の流量であり、燃料電池５の温度及び燃料電池５にかかる負荷、並びに必要に応じて改質部の温度から算出される必要流量から、燃料電池５と燃料タンク２の経路上における実際の燃料の流量である実測値を減算した値を、燃料流量変更量として出力し、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力である第二の圧力以上のときには、燃料電池５にかかる負荷を一定にするために必要な炭化水素ガス混合物とボイルオフガスの混合物の流量と、必要流量との差であり、ボイルオフガスと、炭化水素ガス混合物との熱量差から算出されるバイアス流量と、必要流量と、の和から実測値を減算した値を、燃料流量変更量として出力することを特徴とする。
【００６１】
（必要流量）
必要流量は、改質部４の温度、燃料電池５の温度、及び必要とされる負荷量等を元に、所定温度における水蒸気改質反応の平衡定数や、所定温度における水素の酸化還元電位等を考慮して計算で求めればよい。即ち、所定の炭化水素ガスの供給量が与えられたときに、改質部４の温度から、水素がどの程度発生するかを算出し、燃料電池５の温度において、当該水素がどの程度の電力を発生するかを計算すればよい。
【００６２】
（バイアス流量）
バイアス流量は、燃料電池５にかかる負荷を一定にするために必要な炭化水素ガス混合物とボイルオフガスの混合物の流量と、必要流量との差であり、ボイルオフガスと、炭化水素ガス混合物のエネルギー差から求めればよい。即ち、ボイルオフガスの圧力が、第二の圧力以上のときには、炭化水素ガス混合物に体積あたりの熱量のより低いボイルオフガスが混合されるため、燃料流量制御弁１９により制御される流量としては、ボイルオフガスを加えることによる体積あたりの熱量の減少分、炭化水素ガスとボイルオフガスの混合物の総流量を増やす必要がある。バイアス流量は、この増加分の流量差を算出した値となる。
【００６３】
（実測値）
実測値としては、燃料流量制御弁１９を通過した燃料の実際の流量を測定すればよい。例えば、熱交換部−改質部接続経路８上、燃料流量制御弁１９の後に流量計等を設け、この流量計により測定される燃料の流量を実測値とすればよい。
【００６４】
（遅延動作及び遅延復帰）
本実施形態に係る燃料流量制御システムにおいて、必要流量へのバイアス流量の加算は、遅延動作及び遅延復帰されることが好ましい。即ち、本実施形態に係る燃料流量制御システムは、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力（第二の圧力）未満のときにおいて、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力を下回った後、所定の時間内は、燃料流量変更量算出部が、バイアス流量と、必要流量と、の和から、実測値を減算した値を燃料流量変更量として出力し、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力（第二の圧力）以上のときにおいて、ボイルオフガスの圧力が所定の圧力以上となった後、所定の時間内は、燃料流量変更量算出部が、必要流量から、実測値を減算した値を燃料流量変更量として出力する。
【００６５】
必要流量へのバイアス流量の加算について、上記遅延動作及び遅延復帰を行うことによって、ボイルオフガスの吸入点と、燃料流量制御部との間の距離が離れていても、燃料の流量の制御を適切に行うことができる。
【符号の説明】
【００６６】
１      燃料電池発電設備
２      燃料タンク
３      熱交換部
４      改質部
５      燃料電池
５１    燃料極
５２    空気極
６      排気部
７      燃料タンク−熱交換部接続経路
８      熱交換部−改質部接続経路
９      ボイルオフガス流通経路
１０    ボイルオフガス排出経路
１１    改質部−燃料極接続経路
１２    使用済み燃料排出経路
１３    空気供給経路
１４    空気排出経路
１５    第一自圧調整弁
１６    第二自圧調整弁
１７    第三自圧調整弁
１８    第四自圧調整弁
１９    燃料流量制御弁
【図１】
2010186620.tif 000005
【図２】
2010186620.tif 000006
【図３】
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