(57)【要約】【課題】入口燃料ガスのガス組成を把握し、燃料電池システムの安定した運転を図ることができる燃料電池の燃料ガス供給システム及び方法を提供する。【解決手段】燃料ガス１１を供給する燃料供給ラインＬ1と、酸化剤（空気）１２を供給する酸化剤供給ラインＬ2と、供給された燃料ガスと酸化剤とにより発電する燃料電池１３と、燃料ガス１１の組成を計測する第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａと、を具備し、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで計測した燃料ガス組成から水素当量を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給する燃料供給ラインと、
酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、
供給された前記燃料ガスと前記酸化剤とにより発電する燃料電池と、
前記燃料ガスの組成を計測する第１のレーザ燃料組成計測装置と、を具備し、
前記第１のレーザ燃料組成計測装置で計測した燃料ガス組成から水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記燃料ガスに窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、
前記燃料ガスに水素ガスを供給する水素ガス供給ラインと、を具備し、
第１のレーザ燃料組成計測装置で求めた燃料ガスの水素当量に応じて、
窒素又は水素を供給することを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記燃料電池から排出する排燃料ガスの組成を計測する第２のレーザ燃料組成計測装置を具備し、排燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記燃料ガスと、再循環する排燃料ガスとを合流した合流燃料ガスの組成を計測する第３のレーザ燃料組成計測装置を具備し、合流燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システム。
【請求項５】
燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスの組成を第１のレーザ燃料組成計測装置で計測し、計測した燃料ガス組成から水素当量を求め、
水素当量が運用規定値に達しているか否かを判断し、水素当量に応じて燃料電池の負荷を変更することを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法。
【請求項６】
請求項５において、
水素当量が運用規定値よりも大きい場合、窒素ガスを供給して、水素当量を規定値に調整する、又は
水素当量が運用規定値よりも小さい場合、水素ガスを供給し、水素当量を規定値に調整することを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法。
【請求項７】
請求項５又は６において、
前記燃料電池から排出する排燃料ガスの組成を第２のレーザ燃料組成計測装置で計測し、排燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法。
【請求項８】
請求項７において、
前記燃料ガスと、再循環する排燃料ガスとを合流した合流燃料ガスの組成を第３のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から合流燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料ガス供給システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出され、かつガスタービンの排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。また、ＳＯＦＣで利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用できる等、ガスタービンとの相性がよい。
【０００３】
このため、たとえば、特許文献１に示されるように、高効率を達成できる発電システムとしてＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせたコンバインド発電システムが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池に供給する燃料ガスとして、例えば天然液化ガス（ＬＮＧ）を用いた場合、ＬＮＧタンクから気化器を経由した燃料ガスを用いているので、液化ＬＮＧ組成と、気化した気化燃料組成とが常に一致しない場合がある。
このような場合、燃料電池に供給する燃料として水素当量で規定しているので、組成変動が生じると、水素当量が変動する、という問題がある。
【０００６】
そこで、燃料電池の運転に際して、入口燃料ガスのガス組成を把握し、燃料電池システムの安定した運転を図ることが切望されている。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑み、入口燃料ガスのガス組成を把握し、燃料電池システムの安定した運転を図ることができる燃料電池の燃料ガス供給システム及び方法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】
【０００８】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、燃料ガスを供給する燃料供給ラインと、酸化剤を供給する酸化剤供給ラインと、供給された前記燃料ガスと前記酸化剤とにより発電する燃料電池と、前記燃料ガスの組成を計測する第１のレーザ燃料組成計測装置と、を具備し、前記第１のレーザ燃料組成計測装置で計測した燃料ガス組成から水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システムにある。
【０００９】
第１の発明によれば、燃料電池に供給する燃料ガス組成を第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求め、その組成から水素当量を算出し、水素当量が規定値に達しているか否かを判断し、燃料電池の負荷を変更することで、適正な燃料電池運転が可能となる。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記燃料ガスに窒素ガスを供給する窒素ガス供給ラインと、前記燃料ガスに水素ガスを供給する水素ガス供給ラインと、を具備し、第１のレーザ燃料組成計測装置で求めた燃料ガスの水素当量に応じて、窒素又は水素を供給することを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システムにある。
【００１１】
第２の発明によれば、燃料電池に供給する燃料ガス組成を第１のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から水素当量を算出し、水素当量が規定値に達しているか否かを判断し、燃料ガスが適正な水素当量となるように、窒素又は水素を添加することで、適正な燃料電池運転が可能となる。
【００１２】
第３の発明は、第１又は２の発明において、前記燃料電池から排出する排燃料ガスの組成を計測する第２のレーザ燃料組成計測装置を具備し、排燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システムにある。
【００１３】
第３の発明によれば、燃料電池から排出する排燃料ガス組成を第２のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から排燃料ガスの水素当量を算出することができる。
【００１４】
第４の発明は、第３の発明において、前記燃料ガスと、再循環する排燃料ガスとを合流した合流燃料ガスの組成を計測する第３のレーザ燃料組成計測装置を具備し、合流燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給システムにある。
【００１５】
第４の発明によれば、燃料ガスのガス組成と、燃料電池から排出する排燃料ガス組成とを第１及び第２のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から水素当量を算出することで、混合量の調整ができ、混合した合流燃料ガスのガス組成を第３のレーザ燃料組成計測装置で確認することができる。
【００１６】
第５の発明は、燃料電池の燃料極に供給する燃料ガスの組成を第１のレーザ燃料組成計測装置で計測し、計測した燃料ガス組成から水素当量を求め、水素当量が運用規定値に達しているか否かを判断し、水素当量に応じて燃料電池の負荷を変更することを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法にある。
【００１７】
第５の発明によれば、燃料電池に供給する燃料ガス組成を第１のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から水素当量を算出し、水素当量が規定値に達しているか否かを判断し、燃料電池の負荷を変更することで、適正な燃料電池運転が可能となる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、水素当量が運用規定値よりも大きい場合、窒素ガスを供給して、水素当量を規定値に調整する、又は水素当量が運用規定値よりも小さい場合、水素ガスを供給し、水素当量を規定値に調整することを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法にある。
【００１９】
第７の発明は、第５又は６の発明において、前記燃料電池から排出する排燃料ガスの組成を第２のレーザ燃料組成計測装置で計測し、排燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法にある。
【００２０】
第７の発明によれば、燃料電池から排出する排燃料ガス組成を第２のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から排燃料ガスの水素当量を算出することができる。
【００２１】
第８の発明は、第７の発明において、前記燃料ガスと、再循環する排燃料ガスとを合流した合流燃料ガスの組成を第３のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から合流燃料ガスの水素当量を求めることを特徴とする燃料電池の燃料ガス供給方法にある。
【００２２】
第８の発明によれば、燃料ガスのガス組成と、燃料電池から排出する排燃料ガス組成とを第１及び第２のレーザ燃料組成計測装置で求め、その組成から水素当量を算出することで、混合量の調整ができ、さらに混合した合流燃料ガスのガス組成を第３のレーザ燃料組成計測装置で確認することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、燃料電池の入口側の燃料ガスのガス組成を迅速に把握し、燃料電池の供給する燃料ガスの水素当量に応じて、燃料電池の負荷を変動させることで、適正な燃料電池運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。
【図２】図２は、レーザ計測による燃料組成計測装置の概略図である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。
【図４】図４は、実施例２に係る他の燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。
【図５】図５は、実施例３に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２６】
燃料電池を用いた発電システムとして、燃料電池（ＳＯＦＣ）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクルシステムが提案されている。このトリプルコンバインドサイクルシステムは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側に燃料電池を設置することにより、燃料電池、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。
【００２７】
この発電システムに適用する燃料電池１３の燃料としては、例えば液化天然ガス、都市ガス等を用いている。以下、燃料としては、ＬＮＧを適用して説明するが、これらの燃料に限定されるものではない。
【００２８】
以下、本実施例における燃料電池の燃料ガス供給システムについて説明する。
【００２９】
図１は、実施例１に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る燃料電池の燃料ガス供給システムは、燃料ガス１１を供給する燃料供給ラインＬ1と、酸化剤（空気）１２を供給する酸化剤供給ラインＬ2と、供給された燃料ガスと酸化剤とにより発電する燃料電池１３と、燃料ガス１１の組成を計測する第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａと、を具備し、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで計測した燃料ガス組成から水素当量を求めるものである。
【００３０】
ここで、燃料電池１３には、燃料ガス１１を供給する燃料供給ラインＬ1と、酸化剤（空気）１２を供給する酸化剤供給ラインＬ2とが接続され、供給された燃料ガス１１と酸化剤１２とにより発電している。燃料電池１３の燃料極側からは、排燃料ガス１１Ａが排出される。そしてこの排燃料ガス１１Ａは、燃料電池運転時に燃料供給ラインＬ1側に戻す燃料再循環ラインＬ3により再循環され、供給される燃料ガス１１と合流する。また、排燃料１１Ａは、排燃料供給ラインＬ11により、ガスタービンＧ／Ｔ側に供給されている。なお、供給ラインには図示しないブロアが介装されている。
【００３１】
例えば燃料ガスとしてＬＮＧを用いる場合には、ＬＮＧタンク３０から液体ＬＮＧが液体供給ラインＬ0を介して、気化器３１に導入され、ここで気化されている。
この気化された燃料ガス１１は、燃料電池１３に供給する前に燃料予熱器１７で予熱され、その後燃料改質器１８で改質されて燃料電池１３の燃料極側に供給されている。なお、酸化剤（空気）１２は空気予熱器１９で予熱され、その後燃料電池１３の空気極側に供給されている。
【００３２】
図２は、レーザ計測による燃料組成計測装置の概略図である。図２に示すように、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａは、燃料供給ラインＬ1から分岐される分岐ラインＬ4に設けられており、燃料ガス１１にレーザ光２２を照射するレーザ装置２３と、測定領域２４内でレーザ光２２の照射により発生するラマン散乱光２５を計測する光検出器２６とを具備してなるものである。
【００３３】
ここで、図２において、符号２７はレーザ装置２３からのレーザ光２２を導出する送光用光ファイバ、２８はビーム径を制御するコリメータ、２９はラマン散乱光を集光する集光部、３１はラマン散乱光２５を導出する受光用光ファイバ、３２はビームダンパを各々図示する。
【００３４】
この第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａを用いて、測定領域２４で発生したラマン散乱光２５を分光器２６ａで分光して光検出器２６ｂで計測することにより、燃料ガス１１中のガス成分を計測することができる。
【００３５】
ここで、前記光検出器２６ｂとしては、ＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ等を用いることができる。
【００３６】
以下、図２を参照しつつ第１の燃料組成計測装置２１Ａにおけるレーザ計測の手順を説明する。先ず、図２に示すように、レーザ装置２３からのレーザ光２２は、コリメータ２８で測定領域２４側へ集光させ、分岐ラインＬ4内の測定領域２４内にレーザ光２２を入射させる。
【００３７】
このレーザ照射によって測定領域２４の中心部から散乱されたラマン散乱光２５は、例えば集光部２９を介して分光器２６ａで分光され、該分光器２６ａに接続された光検出器２６ｂにより各波長の光の強度を計測する。前記光検出器２６ｂからの計測データは、制御装置５０のデータ処理手段（ＣＰＵ）に送られ、ここで組成から水素当量が算出される。
【００３８】
このような燃料電池システムにおいて、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求めた燃料ガス１１のガス組成から求めた水素当量が、燃料電池１３の運転における運用規定値よりも大きい場合、現状の運転より燃料電池の負荷電流を増大させる制御を制御装置５０で行う。これにより通常よりも多くの発電が可能となる。
これに対し、求めた水素当量が運用規定値よりも小さい場合、燃料電池１３の負荷電流を減少させる制御を制御装置５０で行う。
【００３９】
ここで、水素当量とは、燃料ガス中の水素原子が水素分子に置き換わったとした場合の当量をいう。例えばメタン（ＣＨ4）であれば、水素が４つあるので、水素当量が２となる。
【００４０】
表１に、産地別によるＬＮＧの組成と水素当量について示す。なお、表１では、水素当量は、メタン：２、エタン：３、プロパン：４、ブタン：５、ペンタン：６として算出している。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
また、ＬＮＧの組成変化は、産地別以外に、ＬＮＧを長期保管する場合に生じる場合がある。すなわち、ＬＮＧタンク内のＬＮＧが圧縮されることに起因して、上下部のＬＮＧの密度差が一定以上小さくなる場合に、タンク内にいわゆる「ロールオーバー」と呼ばれる対流が生じる場合がある。このような場合に、ＬＮＧタンク３０から気化器３１に供給されるＬＮＧ（液体）は、組成変化があるので、気化された燃料ガス１１のガス組成も変動する場合がある。よって、このようなロールオーバー対策においても、導入される燃料ガス１１のガス組成を確認することが重要となる。
【００４３】
本実施例によれば、燃料電池に供給する燃料ガス１１のガス組成を第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求め、その組成から水素当量を算出し、水素当量が規定値に達しているか否かを判断し、燃料電池の負荷を変更することで、適正な燃料電池の運転を行うことが可能となる。
【００４４】
なお、本実施例では、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａにより燃料ガスのガス組成を求め、そのガス組成から水素当量を算出していたが、本発明はこれに限定されず、水素当量の代わりにカロリーを求めるようにしてもよい。
【実施例２】
【００４５】
図３は、実施例２に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。なお、実施例１に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図３に示すように、本実施例に係る燃料電池の燃料ガス供給システムでは、燃料ガス１１に窒素ガス（Ｎ2）を窒素ボンベ３２から供給する窒素ガス供給ラインＬ11と、燃料ガス１１に水素ガス（Ｈ2）を水素ボンベ３３から供給する水素ガス供給ラインＬ12と、を具備している。
【００４６】
実施例１では、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求めた燃料ガス１１の水素当量に応じて、燃料電池１３の運転を制御するようにしていたが、本実施例では、水素当量に応じて、窒素又は水素を供給することで、燃料電池１３に供給する水素当量を運用規定値に近似させるようにしている。
【００４７】
すなわち、実施例２では、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求めた燃料ガス１１の水素当量が運用規定値よりも大きい場合、窒素ガス（Ｎ2）を供給し、水素当量を運用規定値に調整するように、制御装置５０から窒素ガス供給ラインＬ11に介装された弁Ｖ1を調整する制御を行うようにしている。
【００４８】
これにより、燃料電池１３に供給する水素当量を運用規定値に近似させることとなり、運用通りの燃料電池の運転が可能となる。
【００４９】
また、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求めた燃料ガス１１の水素当量が運用規定値よりも小さい場合、水素ガス（Ｈ2）を供給し、水素当量を運用規定値に調整するように、制御装置５０から水素ガス供給ラインＬ12に介装された弁Ｖ2を調整する制御を行うようにしている。
【００５０】
これにより、燃料電池１３に供給する水素当量を運用規定値に近似させることとなり、運用通りの燃料電池の運転が可能となる。
【００５１】
一般には、ＬＮＧタンク３０から気化器３１に導入されるＬＮＧ組成は一定であるとして、運用規定値を定めている。これに対し、例えばロールオーバ等の兆候がある場合には、ＬＮＧ組成の変動があるが現状では、それを把握する手段は講じていない。このようなロールオーバー等の兆候がある場合には、ＬＮＧの組成が変動するので、本実施例のように、気化された燃料ガス１１の組成変化を第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａで求めることで、迅速に対応することが可能となる。
【００５２】
図４は、実施例２に係る他の燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。
図４に示すように、複数の産地のＬＮＧがある場合（例えば産地Ｉ、II、III）には、複数のＬＮＧタンク３０−１、３０−２、３０−３にＬＮＧが保管されている。これらをブレンドして供給する場合には、各ＬＮＧタンク３０−１〜３０−３から液体ＬＮＧが液体供給ラインＬ0-1〜Ｌ0-3を介して、気化器３１−１〜３−３に導入される。その後、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａ−１〜２１Ａ−３を用いて、各燃料ガス１１−１〜１１−３の組成を計測して、各燃料ガスの水素当量を求める。
【００５３】
そして、この求めた水素当量の結果より、水素当量を運用規定値に調整するように、制御装置５０から燃料供給ラインＬ1-1〜Ｌ1-3に介装された弁Ｖ21〜Ｖ23を調整する制御を行うようにしている。また、混合された燃料ガス１１−１は、混合後に規定の水素当量となっているか否かを第１の燃料組成計測装置２１Ａ−４により確認するようにしている。
【００５４】
これにより、燃料電池１３に供給する水素当量を常に運用規定値とすることとなり、運用通りの燃料電池の運転が可能となる。また、第１のレーザ燃料組成計測装置２１Ａ−４の計測結果により、必要に応じて水素又は窒素を添加するようにしてもよい。
【実施例３】
【００５５】
図５は、実施例３に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの概略図である。なお、実施例１に係る燃料電池の燃料ガス供給システムの構成と重複する部材には同一符号を付してその説明は省略する。図５に示すように、本実施例に係る燃料電池の燃料ガス供給システムでは、燃料電池１３から排出する排燃料ガス１１Ａの組成を計測する第２のレーザ燃料組成計測装置２１Ｂを具備しており、排燃料ガス１１Ａの水素当量を求めるようにしている。
【００５６】
排燃料ガス１１Ａは、燃料電池１３で発電に寄与した後の燃料極から排出される燃料ガスであるが、燃料電池１３での触媒反応により全ての燃料が消費されるのではないので、燃料再循環ラインＬ3により燃料供給ラインＬ1に戻され、燃料ガス１１と合流した後、燃料電池１３に供給される。
【００５７】
よって、排燃料ガス１１Ａのガス組成を確認することは、燃料電池に供給する燃料ガスの水素当量を把握する上で重要となる。
【００５８】
本実施例では、燃料再循環ラインＬ3から分岐する分岐ラインＬ5に第２の燃料組成計測装置２１Ｂを設け、排燃料ガス１１Ａのガス組成をレーザ照射によるラマン散乱光の計測により求めている。
【００５９】
また、燃料ガス１１と排燃料ガス１１Ａとが合流した合流燃料ガス１１Ｂのガス組成についても、合流後の燃料供給ラインＬ1から分岐される分岐ラインＬ6に第３の燃料組成計測装置２１Ｃを設け、合流燃料ガス１１Ｂのガス組成をレーザ照射によるラマン散乱光の計測により求めている。
【００６０】
これにより、排燃料ガス１１Ａの水素当量を第２のレーザ燃料組成計測装置２１Ｂで計測し、合流燃料ガス１１Ｂの水素当量を第３のレーザ燃料組成計測装置２１Ｃで計測することができ、これらの結果から、排燃料ガス１１Ａの再循環率、又は燃料ガス１１と排燃料ガス１１Ａとの混合量の比率による燃料電池の供給する水素当量の確認をすることができる。また、この計測により水素当量に変動がある場合には、水素又は窒素を添加することで、微調整ができ、常に適性な運用水素当量に合致した運転とすることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１１  燃料ガス
１２  酸化剤（空気）
１３  燃料電池（ＳＯＦＣ）
２１Ａ  第１のレーザ燃料組成計測装置
２１Ｂ  第２のレーザ燃料組成計測装置
２１Ｃ  第３のレーザ燃料組成計測装置
５０  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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