(57)【要約】【課題】  複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、全ての複数の燃料電池に対して燃料として使用するガスを安定的に供給することができ、ガス供給用の配管の閉塞や腐食を発生させないようにする。【解決手段】  改質器３と、配管ネットワーク５、８、３４、３５、３６と、タンク９とを具備する。改質器３は、燃料と第１水とを含む混合原料を改質して改質ガスを生成する。配管ネットワークは、その改質ガスを複数の燃料電池システム２１へ分配する。タンク９は、配管ネットワーク内のその改質ガスから凝縮した第２水を収容する。その第２水はその第１水として再利用される。配管ネットワークは、その改質ガスを循環させながらその改質ガスを複数の燃料電池システム２１へ分配するようにしても良い。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と第１水とを含む混合原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを複数の燃料電池システムへ分配する配管ネットワークと、
前記配管ネットワーク内の前記改質ガスから凝縮した第２水を回収するドレイン回収器と
を具備する
ガス供給システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガス供給システムにおいて、
前記配管ネットワークは、前記改質ガスを循環させながら前記改質ガスを前記複数の燃料電池システムへ分配する
ガス供給システム。
【請求項３】
燃料と第１水とを含む混合原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスを複数の燃料電池システムへ分配する配管ネットワークと、
を具備し、
前記配管ネットワークは、前記改質ガスを循環させながら前記改質ガスを前記複数の燃料電池システムへ分配する
ガス供給システム。
【請求項４】
請求項２に記載のガス供給システムにおいて、
前記配管ネットワークは、
前記改質器から供給される前記改質ガスを昇圧するポンプと、
昇圧された前記改質ガスを一方向へ流して前記複数の燃料電池システムへ分配する往路配管ネットワークと、
前記往路配管ネットワークを流れた前記改質ガスを回収して、前記ポンプへ循環する復路配管ネットワークと
を備える
ガス供給システム。
【請求項５】
請求項４に記載のガス供給システムにおいて、
前記往路配管ネットワークは、
複数に分岐した分配経路に対応する複数の分配配管と、
前記複数の分配配管の各々の途中に設けられ、前記改質ガスが逆方向へ流れないようにする弁と
を含む
ガス供給システム。
【請求項６】
請求項４に記載のガス供給システムにおいて、
前記往路配管ネットワークは、
分岐のない分配経路に対応する配管を含む
ガス供給システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載のガス供給システムにおいて、
前記分配配管は、前記ドレイン回収器が接続されている
ガス供給システム。
【請求項８】
請求項７に記載のガス供給システムにおいて、
前記分配配管は、前記ドレイン回収器の接続部分へ前記第２水が流れ込むように水平面に対して傾いている
ガス供給システム。
【請求項９】
請求項４乃至８のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
前記ポンプで昇圧した後の前記改質ガスの圧力が所定の範囲に収まるように、前記改質器の運転条件を制御する制御部を更に具備する
ガス供給システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のガス供給システムにおいて、
前記運転条件は、前記改質器に供給される前記混合原料の単位時間あたりの流量を含む
ガス供給システム。
【請求項１１】
請求項４乃至１０のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
前記制御部は、前記改質ガス中のカーボン転化率が所定の値以上となるように、前記改質器の運転条件を制御する
ガス供給システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のガス供給システムにおいて、
前記運転条件は、前記改質器に供給される燃焼用のガスの単位時間あたりの流量を含む
ガス供給システム。
【請求項１３】
請求項４乃至１２のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
前記制御部は、前記改質ガスの圧力が所定の範囲に収まり、且つ、前記ポンプで昇圧した後の前記改質ガスの圧力が所定の範囲に収まるように、前記ポンプの運転条件を制御する
ガス供給システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のガス供給システムにおいて、
前記運転条件は、前記ポンプの回転数である
ガス供給システム。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
前記配管ネットワークは、複数の配管を備え、
前記複数の配管の少なくとも一つは、鉛直方向の高さが極小となる極小点を含み、
前記ドレイン回収器は、前記極小点に接続されている
ガス供給システム。
【請求項１６】
複数の燃料電池システムと、
前記複数の燃料電池システムの各々へ改質ガスを分配する請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のガス供給システムと
を具備し、
前記複数の燃料電池システムは、一つ又は複数の建物に設置されている
エネルギ供給システム。
【請求項１７】
（ａ）燃料と第１水とを含む混合原料を改質器で改質して改質ガスを生成するステップと、
（ｂ）前記改質ガスをポンプで昇圧するステップと、
（ｃ）昇圧された前記改質ガスを、往路配管ネットワークを介して複数の燃料電池システムへ分配するステップと、
（ｄ）前記往路配管ネットワークを流れた前記改質ガスを、復路配管ネットワークを介して回収するステップと
（ｅ）回収された前記改質ガスを前記ポンプへ供給するステップと
を具備する
ガス供給方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載のガス供給方法において、
前記（ａ）ステップは、
（ａ１）前記ポンプで昇圧した後の前記改質ガスの第１圧力を計測するステップと、
（ａ２）計測された前記第１圧力に基づいて、前記第１圧力が所定の範囲に収まるように、前記改質器の運転条件を制御するステップと
を備える
ガス供給方法。
【請求項１９】
請求項１７又は１８に記載のガス供給方法において、
前記（ａ）ステップは、
（ａ３）前記改質器の出口温度を計測するステップと、
（ａ４）計測された前記出口温度に基づいて、前記改質ガス中のカーボン転化率が所定の値以上となるように、前記改質器の運転条件を制御するステップと
を備える
ガス供給方法。
【請求項２０】
請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載のガス供給方法において、
前記（ｂ）ステップは、
（ｂ１）前記ポンプで昇圧した後の前記改質ガスの第１圧力を計測するステップと、
（ｂ２）計測された前記第１圧力に基づいて、前記改質ガスの昇圧前の第２圧力が所定の範囲に収まり、且つ、前記第１圧力が所定の範囲に収まるように、前記ポンプの運転条件を制御するステップと
を備える
ガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法に関し、特に改質ガスを供給するガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を分散型電源として用いる技術が知られている。例えば、一般の住宅やマンション、ビルのような建物に併設され、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いるコジェネレーションシステムが検討されている。そのようなコジェネレーションでは、複数のＰＥＦＣの各々を個々の住宅や部屋、フロア毎に分散して配置する場合が考えられる。その場合、個々のＰＥＦＣはできるだけ小さく、場所を取らないようにすることが必要である。その解決方法としては、例えば、複数のＰＥＦＣで共用することが可能な設備をひとまとめにする方法がある。
【０００３】
共用可能な設備として、燃料と水とを含む混合原料を改質して改質ガスを生成する改質器がある。改質器から改質ガスを複数のＰＥＦＣの各々へ供給する方法として、一般的に知られている一方通行（非循環）のガス供給方法がある。ただし、一方通行方式で改質ガスを供給分配しようとすると、一定期間改質ガスの需要が無い燃料電池への配管内に、改質ガス中の水分が凝集する可能性があり、配管の閉塞や腐食が発生する恐れがある。配管の閉塞や腐食の発生しない技術が望まれる。
【０００４】
複数のＰＥＦＣの各々へ改質ガスを供給する際には、各ＰＥＦＣにおける改質ガスの使用量の増減に関わらず、全てのＰＥＦＣに対する供給量が不足することがないようにすることも重要である。改質ガスの供給を安定的に行うことが可能な技術が望まれる。
【０００５】
関連する技術として特開２００３−２８４４９号公報に地域社会へのエネルギ供給システムおよび方法が開示されている。この地域社会へのエネルギ供給システムは、エネルギ発生設備を核として、地域社会の住民の家庭へ発生されたエネルギを供給する。エネルギ供給経路と、情報通信ラインと、使用状況検出手段と、管理手段とを含む。エネルギ供給経路は、エネルギ発生設備および住民の家庭を結ぶ。情報通信ラインは、エネルギ供給経路に沿って設けられる。使用状況検出手段は、各家庭に設けられ、情報通信ラインに接続され、各家庭でのエネルギ使用状況を検出する。管理手段は、情報通信ラインを介して各家庭の使用状況検出手段からの検出出力を収集し、各家庭でのエネルギの使用を平準化して、地域社会全体でのエネルギの使用量が予め設定される基準を越えないように管理する。
【０００６】
関連する技術として特開２００２−２８１５６８号公報にコジェネレーションシステムが開示されている。このコジェネレーションシステムは、電力会社から供給される商用電力と、分散型発電装置から発生する電力とを併用する一方、該分散型発電装置からの廃熱を給湯に利用する。前記分散型発電装置、電力コントローラ、ガスコントローラ、貯湯槽、及び、システムコントローラを備えている。分散型発電装置は、ガス会社から供給されるガスをエネルギー源として使用する。電力コントローラは、分散型発電装置及び商用電力からの電力の供給を制御する。ガスコントローラは、ガス会社からのガスの供給を制御する。貯湯槽は、分散型発電装置からの廃熱により得られた湯を貯蔵する。システムコントローラは、分散型発電装置、電力コントローラ及びガスコントローラを制御する。
【０００７】
関連する技術として特開平８−３０８５８７号公報に水素供給設備およびコジェネレーション設備が開示されている。この水素供給設備は、培養装置（７）と、培養温度維持機構（８）と、有機物供給機構（１８）とを備える。培養装置（７）は、常温より高い温度の嫌気性雰囲気内で有機物を栄養として培養され、水素を発生する水素発生超好熱菌を培養する。培養温度維持機構（８）は、排熱源から排出される８０℃以上の排熱保有媒体から給熱されて培養装置（７）を水素発生超好熱菌の増殖に適した温度に維持する。有機物供給機構（１８）は、水素発生超好熱菌の増殖に必要な有機物を培養装置（７）内に供給する。水素発生超好熱菌の増殖により培養装置（７）内で発生する水素を、培養装置（７）から取り出して貯蔵する水素貯蔵器（１４）を備え、水素貯蔵器（１４）から水素を取り出し可能に構成した。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２８４４９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８１５６８号公報
【特許文献３】特開平８−３０８５８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、全ての複数の燃料電池に対して燃料として使用するガスを安定的に供給することが可能なガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、ガス供給用の配管の閉塞や腐食を発生させないガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の更に他の目的は、複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、共用設備や各燃料電池を安定的に動作させることが可能なガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１３】
従って、上記課題を解決するために、本発明のガス供給システムは、改質器（３）と、配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）と、ドレイン回収器（１２、１３）と、タンク（９）とを具備する。改質器（３）は、燃料と第１水とを含む混合原料を改質して改質ガスを生成する。配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）は、その改質ガスを複数の燃料電池システム（２１）へ分配する。ドレイン回収器（１２、１３）は、配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）内のその改質ガスから凝縮した第２水を回収する。
本発明のように配管ネットワークの第２水をタンク（９）に回収することで、配管ネットワーク内の第２水による閉塞や腐食を防止することができる。それにより、全ての複数の燃料電池に対して安定的に改質ガスを供給することができる。
【００１４】
上記のガス供給システムにおいて、配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）は、その改質ガスを循環させながらその改質ガスを複数の燃料電池システム（２１）へ分配する。
本発明のように、更に、改質ガスを循環させることにより、改質ガスが滞留せず第２水の発生を抑制することができる。
【００１５】
本発明のガス供給システムは、改質器（３）と、配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）とを具備する。改質器（３）は、燃料と第１水とを含む混合原料を改質して改質ガスを生成する。配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）は、その改質ガスを複数の燃料電池システム（２１）へ分配する。配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）は、その改質ガスを循環させながらその改質ガスを複数の燃料電池システム（２１）へ分配する。
本発明のように改質ガスを循環させることにより、改質ガスが滞留せず第２水の発生を抑制することができる。
【００１６】
上記のガス供給システムにおいて、配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）は、ポンプ（５）と、往路配管ネットワーク（３４、３５、８１、８２／３４、３５、８４／３４、３５、８５、８６）と、復路配管ネットワーク（８３、３６／３６／８７、３６）とを備える。ポンプ（５）は、改質器（３）から供給されるその改質ガスを昇圧する。往路配管ネットワーク（３４、３５、８１、８２／３４、３５、８４／３４、３５、８５、８６）は、昇圧されたその改質ガスを一方向へ流して複数の燃料電池システム（２１）へ分配する。復路配管ネットワーク（８３、３６／３６／８７、３６）は、往路配管ネットワーク（３４、３５、８１、８２／３４、３５、８４／３４、３５、８５、８６）を流れたその改質ガスを回収して、ポンプ（５）へ循環する。
本発明のように改質後にポンプ（５）で昇圧することにより、改質器（３）におけるカーボン転化率を所定の高い範囲に収めることが容易となる。加えて、配管ネットワークにおいて、全ての複数の燃料電池に対して改質ガスをより安定的に供給することが可能となる。
【００１７】
上記のガス供給システムにおいて、往路配管ネットワーク（３４、３５、８１、８２／３４、３５、８５、８６）は、複数の分配配管（８２／８６）と、弁（５１）とを含む。複数の分配配管（８２／８６）は、複数に分岐した分配経路に対応している。弁（５１）は、複数の分配配管（８２／８６）の各々の途中に設けられ、その改質ガスが逆方向へ流れないようにする。
本発明により、その改質ガスが逆方向へ流れないように弁（５１）を設けることで、配管ネットワーク中の改質ガスの流れを一方向に制御し、改質ガスの滞留や、急激な改質ガスの需給の変化に対応可能にすることができる。それにより、改質ガスの安定的な供給や、ガス供給用の配管の閉塞や腐食の防止を達成することができる。
【００１８】
上記のガス供給システムにおいて、往路配管ネットワーク（３４、３５、８４）は、分岐のない分配経路に対応する配管（８４）を含む。
本発明により、分配経路に分岐を設けないことで、配管ネットワーク中の改質ガスの流れを一方向に制御し、改質ガスの滞留や、急激な改質ガスの需給の変化に対応可能にすることができる。それにより、改質ガスの安定的な供給や、ガス供給用の配管の閉塞や腐食の防止を達成することができる。
【００１９】
上記のガス供給システムにおいて、分配配管（８２／８４／８６）は、ドレイン回収器（１２、１３）が接続されている。
本発明により、分配配管に生じる第２水を効率的に回収することができる。
【００２０】
上記のガス供給システムにおいて、分配配管（８２／８４／８６）は、ドレイン回収器（１２、１３）の接続部分へその第２水が流れ込むように水平面に対して傾いている。
本発明により、分配配管に生じる第２水を効率的に回収することができる。
【００２１】
上記のガス供給システムにおいて、ポンプ（５）で昇圧した後のその改質ガスの圧力が所定の範囲に収まるように、改質器（３）の運転条件を制御する制御部（３０）を更に具備する。
本発明により昇圧後の改質ガスの圧力に基づいて改質器（３）を運転することで、複数の燃料電池システム（２１）が全く異なる運転をする場合にも、改質ガスの供給を対応させることができる。
【００２２】
上記のガス供給システムにおいて、その運転条件は、改質器（３０）に供給されるその混合原料の量を含む。
【００２３】
上記のガス供給システムにおいて、制御部（３０）は、その改質ガス中のカーボン転化率が所定の値以上となるように、改質器（３）の運転条件を制御する。
本発明によりカーボン転化率を所定の値以上に保つことができる。
【００２４】
上記のガス供給システムにおいて、その運転条件は、改質器（３０）に供給される燃焼用のガスの量を含む。
【００２５】
上記のガス供給システムにおいて、制御部（３０）は、改質ガスの圧力が所定の範囲に収まり、且つ、ポンプ（５）で昇圧した後のその改質ガスの圧力が所定の範囲に収まるように、ポンプ（５）の運転条件を制御する。
本発明により、改質ガスの圧力の範囲を所定の範囲に収めることで、改質器（３）の圧力を所定の範囲に収められ、カーボン転化率を所定の範囲に収めることができる。加えて、昇圧後の改質ガスの圧力を所定の範囲に収めることで、複数の燃料電池システム（２１）が全く異なる運転をする場合にも、改質ガスの供給を対応させることができる。
【００２６】
上記のガス供給システムにおいて、その運転条件は、ポンプ（５）の回転数である。
【００２７】
上記のガス供給システムにおいて、配管ネットワーク（５、８、３４、３５、３６）は、複数の配管（８１、８２／８４／８５、８６）を備える。複数の配管（８１、８２／８４／８５、８６）の少なくとも一つは、鉛直方向の高さが極小となる極小点（８９）を含む。ドレイン回収器（１２、１３）は、極小点（８９）に接続されている。
本発明により、配管ネットワークに生じる第２水を効率的に回収することができる。
【００２８】
上記課題を解決するために、本発明のエネルギ供給システムは、複数の燃料電池システム（２１）と、複数の燃料電池システム（２１）の各々へ改質ガスを分配する上記のいずれか一項に記載のガス供給システム（１）とを具備する。複数の燃料電池システム（２１）は、一つ又は複数の建物（２０）に設置されている。
本発明により、複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、全ての複数の燃料電池に対して燃料として使用するガスを安定的に供給すること、ガス供給用の配管の閉塞や腐食を防止すること、共用設備や各燃料電池システムを安定的に動作させることが可能となる。
【００２９】
上記課題を解決するために、本発明のガス供給方法は、（ａ）〜（ｅ）ステップを具備する。（ａ）ステップは、燃料と第１水とを含む混合原料を改質器（３）で改質して改質ガスを生成する。（ｂ）ステップは、その改質ガスをポンプ（５）で昇圧する。（ｃ）ステップは、昇圧されたその改質ガスを、往路配管ネットワーク（３４、３５、８１、８２／３４、３５、８４／３４、３５、８５、８６）を介して複数の燃料電池システム（２１）へ分配する。（ｄ）ステップは、往路配管ネットワーク（３４、３５、８１、８２／３４、３５、８４／３４、３５、８５、８６）を流れたその改質ガスを、復路配管ネットワーク（８３、３６／３６／８７、３６）を介して回収する。（ｅ）ステップは、回収されたその改質ガスをポンプ（５）へ供給する。
【００３０】
上記のガス供給方法において、（ａ）ステップは、（ａ１）ポンプ（５）で昇圧した後のその改質ガスの第1圧力（Ｐ２）を計測するステップと、（ａ２）計測された第1圧力（Ｐ２）に基づいて、第1圧力（Ｐ２）が所定の範囲に収まるように、改質器（３）の運転条件を制御するステップとを備える。
【００３１】
上記のガス供給方法において、（ａ）ステップは、（ａ３）改質器（３）の出口温度を計測するステップと、（ａ４）計測されたその出口温度に基づいて、その改質ガス中のカーボン転化率が所定の値以上となるように、改質器（３）の運転条件を制御するステップとを備える。
【００３２】
上記のガス供給方法において、（ｂ）ステップは、（ｂ１）ポンプ（５）で昇圧した後のその改質ガスの第1圧力（Ｐ２）を計測するステップと、（ｂ２）計測された第１圧力（Ｐ２）に基づいて、その改質ガスの昇圧前の第２圧力（Ｐ１）が所定の範囲に収まり、且つ、第１圧力（Ｐ２）が所定の範囲に収まるように、ポンプ（５）の運転条件を制御するステップとを備える。
【発明の効果】
【００３３】
本発明により、複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、全ての複数の燃料電池に対して燃料として使用するガスを安定的に供給することができ、ガス供給用の配管の閉塞や腐食を発生させないようにすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明のガス供給システム、エネルギ供給システム及びガス供給方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池システムに供給される酸化剤ガス（例示：酸素ガス、空気）に関しては省略する。
【００３５】
まず、本発明のガス供給システムを適用したエネルギ供給システムの実施の形態の構成について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明のエネルギ供給システムの実施の形態の構成を示すブロック図である。エネルギ供給システムは、複数の燃料電池システム２１及びガス供給システム１を具備する。
【００３６】
複数の燃料電池システム２１の各々は、ガス供給システム１から燃料ガスとしての改質ガスの供給を受けて、主にその建物２０で使用する電力及び熱（高温の水）を生成する。建物２０内に設けられている。図中の複数の建物２０は、一戸建て住宅が複数集まった住宅団地を示しているが、その例に限定されるものではない。例えば、建物２０は、マンションやビル、一戸建て住宅のような個別の建物だけでなく、マンション内の各住居やビルの一フロアのような個別の建物内における一つの燃料電池システム２１が担当する領域を示す。
【００３７】
ガス供給システム１は、ガス供給部２、改質器３、熱交換器４、昇圧ポンプ５、バッファタンク６、減圧弁７、配管８、水ダンク９、イオン交換処理設備１０、複数のドレイン検知器１２及びドレイン回収弁１３、オフガス燃焼器１１、リリーフ弁１４、逆止弁１５、複数の流量調節計１６（１６ａ〜１６ｄ）、圧力計１７ａ、圧力計１７ｂ、圧力計１７ｃ、温度計１８、イオン導電計１９、制御部３０、配管３１〜３２、配管３３〜３６、配管３７〜３９、配管４１〜４４、熱媒配管４５〜４７を具備する。
【００３８】
ガス供給部２は、改質器３へ水（水蒸気）、燃料（燃料ガス）及び空気を供給する。水は、その供給装置（図示されず）から、配管４１を介して改質器３へ供給される。その流量は、配管４１の途中に設けられた流量調節計１６ａで調整される。改質ガスへ改質される燃料は、その供給装置（図示されず）から、配管４２を介して改質器３へ供給される。その流量は、配管４２の途中に設けられた流量調節計１６ｂで調整される。改質器３で必要な熱量を発生するための燃焼に用いられる燃料は、その供給装置（図示されず）から、配管４３を介して改質器３へ供給される。その流量は、配管４３の途中に設けられた流量調節計１６ｃで調整される。改質器３で必要な熱量を発生するための燃焼に用いられる空気は、その供給装置（図示されず）から、配管４４を介して改質器３へ供給される。その流量は、配管４４の途中に設けられた流量調節計１６ｄで調整される。流量調節計１６（１６ａ〜１６ｄ）は、制御部３０に制御されている。
【００３９】
改質器３は、供給された水及び燃料（燃料ガス）を含む混合原料を、触媒を用いた改質（水蒸気改質，ＣＯシフト、及びＣＯ除去）により、水素ガスを含む改質ガスに変換する。そして、配管３３へ送出する。燃料は、メタンガス（都市ガス）やプロパンガス、エタノールに例示される。改質器３の出口温度は温度計１８により計測されている。そして、制御部３０は、その温度が常に所定の範囲内にあるように流量調整弁（１６ｃ〜１６ｄ）を調整する。出口温度を所定の範囲（例示：６５０℃以上）に収めることは、燃料のカーボン転化率を所定の範囲（例示：９０％以上）に入れることができる点で好ましい。すなわち、改質ガス中の水素ガス濃度が所定の濃度範囲にあるようにすることができる。改質器３の圧力は、大気圧程度である。昇圧するとカーボン転化率が低下するからである。改質ガスは、主成分として、水素ガス、二酸化炭素、水蒸気を含む。
【００４０】
熱交換器４は、改質器３からの改質ガスと熱媒配管４６の冷媒（例示：冷却水）との熱交換を行い、改質ガスの温度を低くする。冷却された改質ガスは、配管３３を介して昇圧ポンプ５へ送出される。配管３３中の圧力Ｐ１は、圧力計１７ａにより計測されている。
【００４１】
昇圧ポンプ５は、配管３３からの改質ガスと配管３３へ合流する配管３６からの改質ガスとを、圧力Ｐ１から昇圧して、配管３４を介してバッファタンク６へ送出する。
【００４２】
バッファタンク６は、昇圧された改質ガスを蓄積している。急激な需給の変化を緩和して、その後段への影響を低減する。バッファタンク中の圧力Ｐ２は、圧力計１７ｂにより計測されている。圧力Ｐ２が所定の圧力よりも高くなった場合には、リリーフ弁１４及び逆止弁１５の働きにより、配管３７及び配管３８を介してオフガス燃焼器１１へ改質ガスを逃がす。バッファタンク６の改質ガスは、熱媒配管４７の冷媒（例示：冷却水）との熱交換により、更に冷却される。冷却された改質ガスは、配管３５へ送出される。
【００４３】
減圧弁７は、圧力Ｐ２の改質ガスを圧力Ｐ３へ減圧する。減圧弁７の下流側の圧力Ｐ３は、圧力計１７ｃにより計測されている。減圧された圧力Ｐ３の改質ガスは、配管３５から配管８を介して、複数の燃料電池システム２１へ分配される。圧力Ｐ３は分配に関わる圧力であるため、減圧弁７は圧力Ｐ３を通常一定に保つ。ただし、Ｐ１＜Ｐ３＜Ｐ２である。
【００４４】
ドレイン検知器１２及びドレイン回収弁１３は、一組で配管中の水分を回収するドレイン回収装置である。例えば、配管８、バッファタンク６、配管３３において、改質ガス中の水蒸気が凝縮して溜まった水を配管３１又は水タンク９へ送出する。その時、ドレイン検知器１２は、所定の量になるまで水を溜める。所定の量の水が溜まったら、そのことを示す信号をドレイン回収弁１３へ出力する。ドレイン回収弁１３は、ドレイン検知器１２からの信号に応答して、予め設定された量の水が流れるまで弁を開放する。
【００４５】
水タンク９は、配管３１を介して水を取得し、蓄積しておく。ドレイン回収装置からの水も蓄積する。急激な需給の変化を緩和して、その後段への影響を低減する。水タンク９の水は、所定の純度（イオン導電度）となるように、イオン交換処理設備１０により処理される。イオン導電度は、イオン導電計１９で計測されている。イオン交換処理設備１０は、配管３２を介してガス供給部２へ水を送出する。
【００４６】
オフガス燃焼器１１は、改質器３で必要な熱量を発生するための燃焼による燃焼ガス、配管３３−配管３８からの改質ガスの一部、配管３７−配管３８からのリリーフ弁１４により逃がされた改質ガスの一部を燃焼し、無害化される。その燃焼ガスは、熱媒配管４５の冷媒（例示：冷却水）との熱交換により、冷却される。冷却された燃焼ガスは、外部へ排気される。
【００４７】
制御部３０は、ポンプ５で昇圧した後の改質ガスの圧力Ｐ２を圧力計１７ｂから受信し、圧力Ｐ２が所定の範囲（例示：Ｐ２＞Ｐ３、Ｐ３は一定）に収まるように、改質器３の運転条件を制御する。運転条件としては、例えば、改質器３へ改質ガス用に供給される水及び燃料の流量である。その場合、流量調節計１６ａ及び流量調節計１６ｂを制御する。また、制御部３０は、改質器３の出口温度Ｔを温度計１８から受信し、改質器３で生成される改質ガス中のカーボン転化率が所定の範囲（例示：９０％以上）となる出口温度Ｔとなるように、改質器３の運転条件を制御する。運転条件は、例えば、改質器３へ燃焼用に供給される燃料及び空気の流量である。その場合、流量調節計１６ｃ及び流量調節計１６ｄを制御する。更に、制御部３０は、改質器３の改質ガスの圧力に概ね等しい圧力Ｐ１を圧力計１７ａから受信し、圧力Ｐ１が所定の範囲（例示：大気圧＜Ｐ１＜Ｐ２）となるように、且つ、圧力Ｐ２が所定の範囲（例示：Ｐ２＞Ｐ３）となるように、昇圧ポンプ５の運転条件を制御する。運転条件は、例えば、回転数である。制御部３０は、例えば、予め設定されたゲインを用いるＰＩＤ制御により制御する。
【００４８】
図１に示すような複数の燃料電池システム２１の各々は、常時運転される場合や、ＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔｕｐ  ａｎｄ  Ｓｈｕｔｄｏｗｎ）運用する場合などがあり、個々の燃料電池システムの運用はばらばらである。そのため、複数の燃料電池システム２１全体として使用する改質ガスの使用量は時々刻々と変化する。制御部３０が、ある制御量に基づいて、操作量（水及び燃料の流量、又は、それらの流量による改質ガスの生成量）を決定する制御を行う場合、制御部３０が用いる制御量としては、例えば、複数の燃料電池システム２１の電流値の総和が考えられる。その電流値の総和は瞬間のガス需要量の総和に対応している。しかし、配管８等の内容積がバッファとして存在するため、電流値の総和は単独の制御量としては適していない。そのため、改質器３における改質ガスの生成量は、使用量及び供給余力に関連する圧力３の値を参照することが好ましい。それにより、改質ガスの使用量（需要量）に適した生成量を算出することができる。なお、配管の圧力Ｐ３及び複数の燃料電池システム２１の電流値の総和の両方を制御に用いることは可能である。この場合、圧力Ｐ３だけよりも制御がより良くなる。
【００４９】
なお、熱媒配管４５〜４７により回収された熱は、本エネルギ供給システム内、あるいは、その外部で再利用することが可能である。
【００５０】
図２は、燃料電池システム２１の構成の一例を示すブロック図である。燃料電池システム２１は、弁２２、ＰＥＦＣ２３、パワーコンディショナ２４、補機２６を備える。ＰＥＦＣ２３は、弁２２を介して配管８から改質ガスと、空気のような酸化剤ガス（図示されず）とを供給され、直流電力を発生する。パワーコンディショナ２４は、発生した直流電力を交流に変換し、交流電力として出力する。補機２６は、ＰＥＦＣ２３やパワーコンディショナ２４の動作に利用される。ＰＥＦＣ２３で発生する熱は、水との熱交換により給湯に利用される。
【００５１】
図３は、配管ネットワークを示す構成図である。配管ネットワークは、配管８に接続されている複数の燃料電池システム２１へ改質ガスを分配、供給する。その際、改質ガスを常に配管ネットワーク内で循環させることにより、改質ガスが配管内で滞留することを防止する。それにより、改質ガスが配管内で滞留し改質ガス中の水分が凝縮して配管を閉塞したり、腐食したりすることを防止することができる。配管ネットワークは、昇圧ポンプ５、配管３４、配管３５、配管８及び配管３６を備える。
【００５２】
昇圧ポンプ５で昇圧された改質ガスは、配管３４及び配管３５を介して配管８に供給される。配管８は、第１配管８１、複数の絞り弁５１、複数の第２配管８２及び第３配管８３を含む。第１配管８１は、配管３５から供給される改質ガスを複数の第２配管８２へ分配、供給する。複数の第２配管８２の各々は、絞り弁５１及び複数の燃料電池システム２１が接続されている。改質ガスは、絞り弁５１により所定の減圧をされた後、第２配管８２を流れて、第３配管８３へ到達する。その一部は、途中で、燃料電池システム２１へ供給される。絞り弁５１は、改質ガスの流れが第１配管８１から第２配管８２を通り第３配管８３へ向かう一方向の流れとするために設けられている。第３配管８３は、複数の第２配管８２から改質ガスを受け取り、配管３６へ送出する。配管３６は、改質ガスを昇圧ポンプ５へ循環させる。このような配管ネットワークにより、改質ガスが配管内で滞留することを防止することができる。そして、改質ガス中の水分が凝縮して配管を閉塞したり、腐食したりすることを防止することができる。
【００５３】
凝縮水の発生が防止されることは、以下の点でも好ましい。燃料電池システム２１は、常時運転される場合だけでなく、ＤＳＳ運用が有り得る。そのため、特に、冬季には凝縮水が凍結するなどの問題が発生することが想定される。その場合にも、凝縮水がなくなれば、そのような問題を回避することができる。なお、配管８は、凝縮水が凍結しないように、加熱装備を有していても良い。例えば、配管に巻かれたヒータである。
【００５４】
図４は、改質ガスを循環させない配管の構成を示す図である。この配管１０８ａにおいて、第１配管１８１へ供給された改質ガスは、複数の第２配管１８２の各々へ分配、供給される。そして、各第２配管１８２に接続された複数の燃料電池システム１２１へ供給される。このとき、第２配管１８２の下流端（図中、Ｐ１やＰ２）においては、改質ガスの流速が小さくなる。そのため、下流端における改質ガスの需要の急激な増加には対応することが出来ない。加えて、下流端側で改質ガスの需要がない場合、改質ガスの流れが止まり、凝縮水が溜まり易くなる。したがって、図４の配管１０８ａは、何らかの対策が必要となる。
【００５５】
図５は、改質ガスを循環させるが絞り弁を用いない配管の構成を示す図である。この配管１０８ｂにおいて、第１配管１８１へ供給された改質ガスは、複数の第２配管１８２の各々へ分配、供給される。そして、各第２配管１８２に接続された複数の燃料電池システム１２１へ供給される。その後、第３配管８３で集められ、配管３６を介して昇圧ポンプ５へ循環する。このとき、絞り弁５１がない場合、改質ガスの需要が非常に多い箇所（図中、Ｐ３）があると、流れの向きが変わる可能性がある。その場合、改質ガスの流れの非常に遅い箇所（図中、Ｐ４）又は流れのない箇所が発生する。そうなると、改質ガスが配管内で滞留するため、改質ガス中の水分が凝縮して配管を閉塞したり、腐食したりすることになる。したがって、改質ガスの需要が燃料電池システムごとに大きく異なる場合、図４の配管１０８ｂは、何らかの対策が必要となる。
【００５６】
このように、改質ガスの配管ネットワークでは、図３のように、改質ガスが常に流れていることが好ましく、且つ、その流れる方向も常に一定であることが好ましい。それにより、改質ガスを安定的に複数の燃料電池システム２１へ分配、供給することが可能となる。
【００５７】
改質ガスが常に流れ且つその流れる方向が常に一定となる配管ネットワークとしては、図３の構成に限定されるものではない。例えば、図６や図７のような構成が考えられる。
【００５８】
図６は、配管ネットワークの変形例を示す構成図である。昇圧ポンプ５で昇圧された改質ガスは、配管３４及び配管３５を介して配管８に供給される。改質ガスは、第１配管８５を介して複数の第２配管８６へ分配、供給される。ここでは、複数の第２配管８６の系統が２系統ありる点で、図３の場合と異なる。改質ガスは、絞り弁５１により所定の減圧をされた後、第２配管８６を流れて、それぞれの第３配管８７へ到達する。その一部は、途中で、燃料電池システム２１へ供給される。改質ガスは、第３配管８７及び配管３６を介して昇圧ポンプ５へ循環する。この場合にも、配管ネットワークにより、改質ガスが配管内で滞留することを防止することができる。そして、改質ガス中の水分が凝縮して配管を閉塞したり、腐食したりすることを防止することができる。ここでは、複数の第２配管８６の系統が２つであるが、その系統の数を更に増加しても良い。
【００５９】
図３及ぶ図６において、絞り弁５１を用いず、配管の太さを、配管３５に接続している側から配管３６に接続している側へ向かって、段階的に細くするようにすることも可能である。それにより、絞り弁５１を省略しながら、改質ガスの流れる方向が常に一定となるようにすることが可能となる。
【００６０】
図７は、配管ネットワークの他の変形例を示す構成図である。昇圧ポンプ５で昇圧された改質ガスは、配管３４及び配管３５を介して配管８に供給される。改質ガスは、第１配管８１を介して第２配管８４へ分配、供給される。ここでは、第２配管８４が一本で枝分かれすることなく、一筆書きのように連続して配管３６へ接続している点で、図３の場合と異なる。このようにすることで、改質ガスの流れる方向が常に一定とすることができ、絞り弁５１を省略することができる。改質ガスは、第２配管８４を流れて、それぞれの配管３６へ到達する。その一部は、途中で、第２配管８４に接続された燃料電池システム２１へ供給される。改質ガスは、配管３６を介して昇圧ポンプ５へ循環する。この場合にも、配管ネットワークにより、改質ガスが配管内で滞留することを防止することができる。そして、改質ガス中の水分が凝縮して配管を閉塞したり、腐食したりすることを防止することができる。
【００６１】
図８は、水の循環に関わる構成を示す図である。ここでは、図１の構成における配管８として、図３の配管８を用いている例を示す。第２配管８２には、第２配管８２内に凝縮する恐れのある改質ガスの水分を回収するドレイン回収装置（ドレイン検知器１２及びドレイン回収弁１３）が接続されている。第２配管８２は、ドレイン回収装置へ凝縮水が流れ込みやすいように、ドレイン回収装置へ向かって、水平方向に対して所定の角度θだけ傾いていても良い（図参照）。ドレイン回収装置の水は、原料水を水タンク９へ供給する配管３１へ合流し、水タンク９へ集められる。その水は、イオン導電率を調整された後、原料水として改質器３で再利用される。プロセスで余る水を回収することで、イオン交換処理設備１０におけるイオン交換樹脂の消費速度を下げることができる。
【００６２】
図９は、配管８における第２配管８２の変形例の構成を示す図である。ここでは、図１の構成における配管８として、図３の配管８を変形した例を示す。絞り弁５１は省略している。破線の矢印は、凝縮水の流れを示す。実線の矢印は、改質ガスの流れを示す。第２配管８２には、第２配管８２内に凝縮する恐れのある改質ガスの水分を回収するドレイン回収装置（ドレイン検知器１２及びドレイン回収弁１３）が接続されている。第２配管８２は、ドレイン回収装置へ凝縮水が流れ込みやすいように、ドレイン回収装置の接続部分を鉛直方向に対して少し低くしている。すなわち、ドレイン回収装置は、第２配管８２の鉛直方向の高さの極小点に接続されている。また、燃料電池システム２１に対する凝縮水の影響を最小限に抑えるため、燃料電池システム２１の接続部分を鉛直方向に対して少し高くしている。すなわち、燃料電池システム２１は、第２配管の鉛直方向の高さの極大点に接続されている。このようにすることで、改質ガスの流れを一方向にしつつ、効率的に凝縮水を取り除くことができる。
【００６３】
図１０は、第２配管８２と燃料電池システム２１との接続部分の構成を示す図である。ここでは、図１の構成における配管８として、図３の配管８を変形した例を示す。弁２２は、第２配管８２の凝縮水が浸入しないように、第２配管８２に対して鉛直上方に設けられている。そのため、ＰＥＦＣ２３への凝縮水の悪影響を排除することができる。
【００６４】
次に、本発明のガス供給方法の実施の形態について、図１を参照して説明する。
【００６５】
燃焼用の燃料及び空気は、それぞれ流量調節計１６ｃ及び流量調節計１６ｄで流量を調整され、改質器３へ供給される。その燃料及び空気の燃焼により改質器３が所定の温度に加熱されている。改質ガス用の水（水蒸気）及び燃料（燃料ガス）が、それぞれ流量調節計１６ａ及び流量調節計１６ｂで流量を調整され、改質器３へ供給される。その水及び燃料（燃料ガス）を含む混合原料が改質器３内で改質（水蒸気改質）され、改質ガスとなる。その際、制御部３０は、改質器３の出口温度Ｔに基づいて、改質器３で生成される改質ガス中のカーボン転化率が所定の範囲（例示：９０％以上）となる出口温度Ｔとなるように、改質器３の燃焼用に供給される燃料及び空気の流量を制御する。
【００６６】
改質ガスは、熱交換器４で冷却され、昇圧ポンプ５へ向かう。冷却時に発生する凝縮水は、配管３３のドレイン回収装置で回収される。配管３３からの改質ガスは、配管３３へ合流する配管３６からの改質ガスと混合され、、圧力Ｐ１（概ね大気圧）から昇圧され、バッファタンク６へ送出される。その際、制御部３０は、圧力Ｐ１が所定の範囲（例示：略大気圧＜Ｐ１＜Ｐ２）となるように、且つ、圧力Ｐ２が所定の範囲（例示：Ｐ２＞Ｐ３）となるように、昇圧ポンプ５の回転数を制御する。制御部３０は、昇圧ポンプ５で昇圧した後の改質ガスの圧力Ｐ２に基づいて、圧力Ｐ２が所定の範囲（例示：Ｐ２＞Ｐ３、Ｐ３は一定）に収まるように、改質器３の改質ガス用に供給される水及び燃料の流量を制御する。バッファタンク６の改質ガスは冷却される。冷却時に発生する凝縮水は、ドレイン回収装置で回収される。
【００６７】
バッファタンク６から送出された改質ガスは、減圧弁７で、圧力Ｐ２から圧力Ｐ３へ減圧される。圧力Ｐ３の改質ガスは、配管８へ送出される。改質ガスは、第１配管８１から複数の第２配管８２へ分配され、絞り弁５１で減圧されて、複数の燃料電池システム２１の各々へ供給される。複数の燃料電池システム２１は改質ガスを用いて発電を行う。残りの改質ガスは、第３配管８３へ到達した後、配管３６を介して昇圧ポンプ５へ循環する。複数の第２配管８２の各々で発生した凝縮水は、ドレイン回収装置で回収される。
【００６８】
ドレイン回収装置で回収された凝縮水は、配管３１を介して、又は、直接に水タンク９へ集められる。一方、原料水も配管３１を介して水タンク９へ集められる。それらは、イオン交換処理設備１０でイオン導電度を調整された後、ガス供給部２へ供給される。
【００６９】
改質器３からの燃焼ガス（オフガス）、配管３３−配管３８からの改質ガスの一部、及び、配管３７−配管３８からのリリーフ弁１４により逃がされた改質ガスの一部は、オフガス燃焼器１１で燃焼され無害化されたのち排気される。
【００７０】
本発明により、複数の燃料電池を所定の領域内で使用する際、全ての複数の燃料電池に対して燃料として使用するガスを安定的に供給することが可能となる。また、ガス供給用の配管の閉塞や腐食を発生を防止することができる。そして、共用設備や各燃料電池を安定的に動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、本発明のエネルギ供給システムの実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、配管ネットワークを示す構成図である。
【図４】図４は、改質ガスを循環させない配管の構成を示す図である。
【図５】図５は、改質ガスを循環させるが絞り弁を用いない配管の構成を示す図である。
【図６】図６は、配管ネットワークの変形例を示す構成図である。
【図７】図７は、配管ネットワークの他の変形例を示す構成図である。
【図８】図８は、水の循環に関わる構成を示す図である。
【図９】図９は、配管における第２配管の変形例の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第２配管と燃料電池システムとの接続部分の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１    ガス供給システム
２    ガス供給部
３    改質器
４    熱交換器
５    昇圧ポンプ
６    バッファタンク
７    減圧弁
８    配管
９    水ダンク
１０    イオン交換処理設備
１１    オフガス燃焼器
１２    ドレイン検知器
１３    ドレイン回収弁
１４    リリーフ弁
１５    逆止弁
１６、１６ａ〜１６ｄ    流量調節計
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ    圧力計
１８    温度計
１９    イオン導電計
２０    建物
２１    燃料電池システム
２２    弁
２３    ＰＥＦＣ
２４    パワーコンディショナ
２６    補機
３０    制御部
３１〜３９、４１〜４４    配管
４５〜４７    熱媒配管
５１    絞り弁
８１、８５、１８１    第１配管
８２、８４、８６、１８２    第２配管
８３、８７    第３配管
１０８ａ、１０８ｂ    配管
【図１】
2006040597.tif 000003
【図２】
2006040597.tif 000004
【図３】
2006040597.tif 000005
【図４】
2006040597.tif 000006
【図５】
2006040597.tif 000007
【図６】
2006040597.tif 000008
【図７】
2006040597.tif 000009
【図８】
2006040597.tif 000010
【図９】
2006040597.tif 000011
【図１０】
2006040597.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月24日(2004.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
請求項１、２、４乃至１４のいずれか一項に記載のガス供給システムにおいて、
前記配管ネットワークは、複数の配管を備え、
前記複数の配管の少なくとも一つは、鉛直方向の高さが極小となる極小点を含み、
前記ドレイン回収器は、前記極小点に接続されている
ガス供給システム。