(57)【要約】【課題】  脱硫用改質リサイクルガスの流量制御手段として、マスフローメータのような高価な流量制御装置や、閉塞する危険性ある制限オリフィス機構によるものとは異なるガス流量制御手段を備えた燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】  改質リサイクルガスを還流させるための還流ガス管路にガス充填容器１を配置し、該ガス充填容器１への改質リサイクルガスの流入及びガス充填容器からの改質リサイクルガスの流出を制御する弁装置２を設けることにより、改質リサイクルガスを前記ガス充填容器１のガス充填部分に所定時間滞留せしめた後、原燃料ガスと混合せしめるように構成する。前記還流ガス管路は、該還流ガス管路の途中から分岐した複数の並列流路を有し、各並列流路にガス充填容器１をそれぞれ配置し、各ガス充填容器への改質リサイクルガスの流入及び各ガス充填容器からの改質リサイクルガスの流出を制御するように構成することが好ましい。【選択図】  図１
2006092764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスに含まれる硫黄化合物濃度を低減する脱硫器と、前記脱硫器により処理された燃料ガスを水素リッチガスに改質する改質器と、前記改質器により処理された燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度を低減するＣＯ濃度低減器と、前記ＣＯ濃度低減器により処理された燃料ガスに含まれる水素を酸化して電流を発生せしめる燃料電池と、燃料ガスを前記脱硫器、前記改質器、前記ＣＯ濃度低減器及び前記燃料電池に流通させるための燃料ガス管路と、少なくとも前記改質器を通り前記燃料電池に至る間の燃料ガス管路の途中から分岐させて、前記改質器により水素リッチガスに改質された燃料ガスの一部を改質リサイクルガスとして前記脱硫器に還流させるように接続した還流ガス管路とを備えた燃料電池発電装置において、前記還流ガス管路にガス充填容器を配置し、該ガス充填容器への改質リサイクルガスの流入及びガス充填容器からの改質リサイクルガスの流出を制御する弁装置を設けることにより、改質リサイクルガスを前記ガス充填容器のガス充填部分に所定時間滞留せしめた後、原燃料ガスと混合せしめるように構成したことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記ＣＯ濃度低減器は、前記改質器により処理された燃料ガスに含まれる一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器により処理された燃料ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化するＣＯ選択酸化器とから構成され、前記還流ガス管路は、前記ＣＯ変成器と前記ＣＯ選択酸化器との間の燃料ガス管路の途中から分岐したガス管路であって、前記ＣＯ変成器により処理された燃料ガスの一部を改質リサイクルガスとして前記脱硫器に還流させるように接続したガス管路である請求項１記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記還流ガス管路は、該還流ガス管路の途中から分岐した複数の並列流路を有し、各並列流路にガス充填容器をそれぞれ配置し、各ガス充填容器への改質リサイクルガスの流入及び各ガス充填容器からの改質リサイクルガスの流出を制御する弁装置を設けた請求項１又は２記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項１〜３記載の燃料電池発電装置において、更に、燃料ガスを昇圧する燃料ガス圧縮器を含み、前記燃料ガス圧縮器は、前記脱硫器に燃料ガスを流入させるために前記脱硫器の上流に配された燃料ガス管路の途中に接続され、前記還流ガス管路は、改質リサイクルガスが前記燃料ガス圧縮器の吸入側に還流させるように配置され、改質リサイクルガスを混合された燃料ガスが前記燃料ガス圧縮器を流通した後、前記脱硫器に流入するように配置したことを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項１〜４記載の燃料電池発電装置において、更に、改質リサイクルガスの水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離器を含み、前記水蒸気凝縮分離器を前記ＣＯ濃度低減器と前記ガス充填容器との間に配される前記還流ガス管路の途中に接続して、前記ＣＯ濃度低減器から流出し改質リサイクルガスとして還流ガス管路に流入するガスが前記水蒸気凝縮分離器を流通した後、前記ガス充填容器に流入するように配置したことを特徴とする燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電装置に関し、より詳細には、脱硫用改質リサイクルガスの供給システムを備えた燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質を介して水素と酸素を電気化学的に反応させることで物質の化学結合エネルギーから直接に電気エネルギーを取り出すことができる燃料電池発電装置は、１ｋＷ級から１０００ｋＷ級の電気出力の幅広い範囲の発電システムで高い発電効率が得られ、また、窒素酸化物NOxや硫黄酸化物SOx等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、クリーンエネルギーの供給法としてその利用が期待されている。
【０００３】
燃料電池発電装置のなかで比較的小型のものは、コスト面でも実用的な発電システムを構築できることから、家庭用のコージェネレーションシステムとしてのエネルギー供給手段としても利用可能である。すなわち、生活用電気エネルギーの使用地点である各家庭において電気を発生させ、発生した電気エネルギーと共に、その発電排熱エネルギーをも利用することで、エネルギー資源をより効率的に利用するエネルギー供給／使用システムとすることができる。このようなエネルギー供給／使用システムが普及すれば、社会的な省エネルギー化の要請に応えることに貢献できることとなる。
【０００４】
燃料電池に供給される燃料ガスは水素ガス濃度が高い水素リッチガスである必要があり、燃料電池発電装置において燃料となる水素ガスの製造・供給方法は、そのシステムによって様々であるが、一般家庭の電気需要や熱需要のために適した１〜数ｋＷ級の電気出力の発電システムでは、広く一般家庭に供給されているメタンを主成分とする都市ガスやＬＰガス（液化石油ガス）等をそのまま水素ガスの供給原料とすることができるので、インフラ基盤を整備する必要がなく社会的にも低コストで利用することができ、好都合である。
【０００５】
都市ガスやＬＰガス（液化石油ガス）から水素リッチガスへの変換は、反応触媒の存在下、水蒸気と都市ガスの主成分であるメタンやＬＰガスの主成分であるプロパン等の炭化水素化合物とを反応させる、いわゆる水蒸気改質反応によっておこなうことができる。例えば、メタンガスを水蒸気改質した場合の水素ガス発生反応系は次式に示す化学反応式によって代表的に記述される。
【０００６】
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２
【０００７】
触媒に依存する反応である水蒸気改質反応では、炭化水素化合物を主成分とする燃料ガスが改質器を流通し、至適反応温度下、改質器を構成する触媒保持用の担体に担持される改質触媒に接触することによってその反応が進行するが、一般に生活用ガス燃料として家庭に供給されているガスには付臭剤として数ｐｐｍ程度の微量の硫黄化合物が添加されており、反応に伴って改質触媒に接触する硫黄化合物が、その付着による改質触媒の機能低下の原因となる。そのような硫黄分による改質触媒の被毒を防ぐためには、改質器の上流に脱硫器を設置して、あらかじめ原燃料ガスから硫黄化合物を除去しておかなければならない。
【０００８】
脱硫法には、硫黄化合物を吸着剤に吸着する方法や、水素を添加していったん硫化水素にしてから硫化水素を除去する方法などがある。このうち水素を添加して行なう水添脱硫は原理的には次式に示す化学反応式によって説明される。なお、次式においてＲは炭化水素基を示す。
【０００９】
Ｒ−ＣＨ２ＳＨ ＋ Ｈ２ → Ｒ−ＣＨ３ ＋Ｈ２Ｓ    （１）
Ｈ２Ｓ + ＺｎＯ → ＺｎＳ + Ｈ２Ｏ              （２）
【００１０】
すなわち、原燃料ガス中の硫黄化合物（Ｒ−ＣＨ２ＳＨ）が、脱硫器を構成する触媒保持用の担体に担持される脱硫用触媒の触媒作用によって、水素と反応して硫化水素（Ｈ２Ｓ）に変換される。発生する硫化水素は、脱硫器を構成する吸着剤保持用の担体に担持される吸着剤、酸化亜鉛（ＺｎＯ）と反応し、硫化亜鉛（ＺｎＳ）として脱硫器を構成する担体に保持され、燃料ガス中から除去される。ここで、前式（１）より明らかなとおり、この反応には水素が要求されるため、原燃料ガスとなる都市ガスやＬＰガス等に水素を添加する必要がある。燃料電池発電装置では、水添脱硫に必要な水素を供給するために、改質器により水素リッチガスに改質された燃料ガスの一部を改質リサイクルガスとして脱硫器に還流させるシステムを採用するのが一般的である。
【００１１】
改質リサイクルガスを脱硫器に還流させるシステムを採用した例として、例えば、下記特許文献１には、脱硫用改質リサイクルガスの供給方式を、ガス流量制御手段を備えたものとすることで、微量な酸素を含む都市ガスを原燃料に使用して燃料電池発電システムを運転する場合に、原燃料に含まれている酸素を無害化して安定よく燃料改質がおこなえるようにすることが開示されている。
【００１２】
また、下記特許文献２には、水添脱硫触媒を充填した脱硫器と、炭化水素系燃料を改質して得た改質ガスの一部を前記脱硫器の入口に戻すラインとを備えた燃料ガス改質装置において、前記改質ガスの一部の戻りライン中に、改質ガス中の水分を除去する水分除去手段を設けたことを特徴とする燃料ガス改質装置が開示されている。
【００１３】
更に、下記特許文献３には、原燃料を改質して水素リッチガスに変換する改質反応器と、前記改質反応器の下流側に設けられて、改質反応済の燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を選択的に二酸化炭素（ＣＯ２）に酸化するＣＯ選択酸化反応器とを少なくとも備え、原燃料を改質してＣＯ濃度の低い水素リッチガスを製造する燃料改質システムにおいて、前記改質反応器の下流側であって前記ＣＯ選択酸化反応器の上流側の間の改質反応済の燃料ガスの少なくとも一部のガスから水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離手段と、前記水蒸気凝縮分離手段で水蒸気が凝縮分離除去されたガスを、前記改質反応器に供給する原燃料にリサイクルガスとして混合するリサイクルラインとを備えたことを特徴とする燃料改質システムが開示されている。
【特許文献１】特開平９−２７３３７号公報
【特許文献２】特開２００２−９７００１号公報
【特許文献３】特開２００２−３５６３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
通常、水添脱硫のために原燃料ガスに供給すべき水素量は、水素ガス濃度として５〜１５％程度であり、その際、脱硫反応系の反応当量にあわせて水素濃度を精密に制御する必要はないが、循環する改質リサイクルガスに蓄積する微量不純物等が改質触媒や脱硫用触媒の触媒活性に与える影響を避けるためには、原燃料ガスに戻される改質リサイクルガスは必要最小限にとどめることが望まれる。
【００１５】
また、日本ガス協会が規定する都市ガス規格の１２Ａガスのように、原燃料ガスにはその熱量や比重を調整するために１％程度の酸素を含有することもあり、その場合水素は脱硫反応系において酸素との反応に消費されるため、酸素を含有しない原燃料ガスと比べてその必要最小当量が大きく異なる。
【００１６】
このような事由から、脱硫器に還流させる改質リサイクルガスの供給方式は、その流量管理のために、ある程度の融通性のある簡便なガス流量調節機構を備えるシステムとすることが望まれる。
【００１７】
しかし、１〜数ｋＷ級の小型の燃料電池発電システムでは、水素を含有した改質リサイクルガスの流量が１Ｌ／ｍｉｎ程度と微少であるために、例えば、制限オリフィスによって流量の上限を制御しようとしてもオリフス径が０．４ｍｍ程度と小さく、オリフィスの穴が改質ガスに含まれる水分によって閉塞する可能性があるなどの問題があった。
【００１８】
これに関して、上記特許文献１に開示される脱硫用改質リサイクルガスのガス流量制御手段は、通常のガス流量計とガス流量調節弁から構成されるものであり、上記課題を十分に解決することはできなかった。また、上記特許文献２や特許文献３は、脱硫用改質リサイクルガスの流量制御手段を開示するものではなかった。
【００１９】
一方、高度なガス流量制御機構を具備したマスフローコントローラーのような流量制御装置を利用して課題を解決することもできるが、高価でありコスト面で不利であった。
【００２０】
したがって、本発明の目的は、脱硫用改質リサイクルガスの流量制御手段として、マスフローメータのような高価な流量制御装置や、閉塞する危険性ある制限オリフィス機構によるものとは異なるガス流量制御手段を備えた燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために鋭意研究した結果、脱硫用改質リサイクルガスの流量制御手段として、単純な機構からなるガス流量制御手段を燃料電池発電装置に導入することで、本発明を完成するに至った。
【００２２】
すなわち、本発明の燃料電池発電装置は、原燃料ガスに含まれる硫黄化合物濃度を低減する脱硫器と、前記脱硫器により処理された燃料ガスを水素リッチガスに改質する改質器と、前記改質器により処理された燃料ガスに含まれる一酸化炭素濃度を低減するＣＯ濃度低減器と、前記ＣＯ濃度低減器により処理された燃料ガスに含まれる水素を酸化して電流を発生せしめる燃料電池と、燃料ガスを前記脱硫器、前記改質器、前記ＣＯ濃度低減器及び前記燃料電池に流通させるための燃料ガス管路と、少なくとも前記改質器を通り前記燃料電池に至る間の燃料ガス管路の途中から分岐させて、前記改質器により水素リッチガスに改質された燃料ガスの一部を改質リサイクルガスとして前記脱硫器に還流させるように接続した還流ガス管路とを備えた燃料電池発電装置において、前記還流ガス管路にガス充填容器を配置し、該ガス充填容器への改質リサイクルガスの流入及びガス充填容器からの改質リサイクルガスの流出を制御する弁装置を設けることにより、改質リサイクルガスを前記ガス充填容器のガス充填部分に所定時間滞留せしめた後、原燃料ガスと混合せしめるように構成したことを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、弁装置の開閉によって還流ガス管路を遮断することで改質リサイクルガスの流量を制限することができ、また、遮断されたガスの一定量を、ガス充填容器のガス充填部分に所定時間滞留せしめることができるので、遮断中に生じるガス圧差を緩衝することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池発電装置においては、前記ＣＯ濃度低減器は、前記改質器により処理された燃料ガスに含まれる一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、前記ＣＯ変成器により処理された燃料ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化するＣＯ選択酸化器とから構成され、前記還流ガス管路は、前記ＣＯ変成器と前記ＣＯ選択酸化器との間の燃料ガス管路の途中から分岐したガス管路であって、前記ＣＯ変成器により処理された燃料ガスの一部を改質リサイクルガスとして前記脱硫器に還流させるように接続する構成とすることもできる。
【００２５】
この態様によれば、ＣＯ変成器によってＣＯ濃度が１％程度にまで低減した改質ガスの一部を改質リサイクルガスとして脱硫器に還流させることができる。また、燃料電池に流入し燃料となる改質ガス中のＣＯ濃度を、ＣＯ選択酸化器によって１０ｐｐｍ以下程度にまで低くすることができ、同時に、一酸化炭素の選択的酸化に必要な空気から、改質リサイクルガスへ窒素が混入することを回避することができる。
【００２６】
更に、本発明の燃料電池発電装置においては、前記還流ガス管路は、該還流ガス管路の途中から分岐した複数の並列流路を有し、各並列流路にガス充填容器をそれぞれ配置し、各ガス充填容器への改質リサイクルガスの流入及び各ガス充填容器からの改質リサイクルガスの流出を制御する弁装置を設けることもできる。
【００２７】
この態様によれば、改質リサイクルガスの各ガス充填容器への流出入の経路を弁装置によって切り替えることで、改質リサイクルガスを継続的に下流へ供給することができる。
【００２８】
本発明の燃料電池発電装置のもう一つは、上記燃料電池発電装置において、更に、燃料ガスを昇圧する燃料ガス圧縮器を含み、前記燃料ガス圧縮器は、前記脱硫器に燃料ガスを流入させるために前記脱硫器の上流に配された燃料ガス管路の途中に接続され、前記還流ガス管路は、改質リサイクルガスが前記燃料ガス圧縮器の吸入側に還流させるように配置され、改質リサイクルガスを混合された燃料ガスが前記燃料ガス圧縮器を流通した後、前記脱硫器に流入するように配置したことを特徴とする。
【００２９】
この態様によれば、供給される原燃料ガスと還流ガス管路内の改質リサイクルガスとのガス圧差によって、燃料ガス圧縮器の吸入側に必要量の脱硫用改質リサイクルガスを流入させることができる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池発電装置のもう一つは、上記燃料電池発電装置において、更に、改質リサイクルガスの水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離器を含み、前記水蒸気凝縮分離器を前記ＣＯ濃度低減器と前記ガス充填容器との間に配される前記還流ガス管路の途中に接続して、前記ＣＯ濃度低減器から流出し改質リサイクルガスとして還流ガス管路に流入するガスが前記水蒸気凝縮分離器を流通した後、前記ガス充填容器に流入するように配置したことを特徴とする。
【００３１】
この態様によれば、上記還流ガス管路に流入する改質ガスから水分を除いておくことで、水蒸気改質されたガスに含まれる水蒸気の凝縮による上記還流ガス管路の閉塞を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、燃料電池発電装置の脱硫用改質リサイクルガスの流量制御手段として、還流ガス管路に接続したガス充填容器に、改質リサイクルガスを所定時間滞留せしめ、その後、該滞留した改質リサイクルガスを原燃料ガスと混合せしめるように構成されるシステムを導入することで、特に１〜数ｋＷ級の小型の燃料電池発電システムにおいて有用な改質リサイクルガス流量制御方法を提供することができる。
【００３３】
すなわち、例えば、還流ガス管路に並列に接続するガス充填容器２個と３方弁等の弁装置２個によってガス流量制御手段を構成すれば、改質ガスをいったん容器に充填して上流側の弁を閉止し、次に下流側の弁を開して、その容器から圧力差によって原燃料に改質ガスを導入し、1つの容器から改質ガスを導入している間にもう1つの容器に改質ガスを充填し、改質ガスを原燃料に供給している容器の圧力が低下したら、もう1つの容器に切り替えて改質ガスを持続的に下流側に供給することができる。
【００３４】
このような構成のガス流量制御手段によって、改質リサイクルガスに含まれる水分が凝縮する等してガス管路が閉塞することを防止できるとともに、水添脱硫に必要な改質リサイクルガスを原燃料ガスに安定して供給できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明において使用される原燃料ガスに特に制限はないが、一般家庭に供給される都市ガスやＬＰガス等を好ましく利用することができる。また、その供給ガス圧は通常値であればよく、１０２．３〜１０３．８ｋＰａ（ａｂｓ）のものを好ましく利用することができる。
【００３６】
本発明において使用される燃料電池に特に制限はないが、固体高分子型燃料電池やりん酸型燃料電池を好ましく用いることができる。その場合、発電出力０．５〜３ｋＷ級の燃料電池発電システムとすれば、本発明の燃料電池発電装置はより効果的に構成される。
【００３７】
小型の燃料電池発電システムにおいては、通常、上記還流ガス管路に流入する改質リサイクルガスの水素ガス濃度は６０〜７０％であり、また、そのガス圧、流量は、それぞれ、１０６〜１１６ｋＰａ（ａｂｓ）、０．７〜４．２Ｌ／ｍｉｎ程度となる。したがって、２．１〜１３Ｌ／ｍｉｎ程度の流量で供給される原燃料ガスに、水素ガス濃度が５〜１５％程度となるように脱硫用改質リサイクルガスを混合するために、上記還流ガス管路の径は３〜６ｍｍであることが好ましく、また、上記ガス充填容器の容量は０．２〜１Ｌであることが好ましい。
【００３８】
脱硫用改質リサイクルガスを上記還流ガス管路を通じて原燃料ガスが供給されるガス管路内に流入させるためには、ガス管路内の背圧の差による受動的な流入によればよいが、脱硫器の上流に燃料ガス圧縮器を配置して改質リサイクルガスを混合された燃料ガスが燃料ガス圧縮器を流通した後に脱硫器に流入するようにすれば、供給される原燃料ガスと還流ガス管路内の改質リサイクルガスとのガス圧差によって、燃料ガス圧縮器の吸入側に必要量の脱硫用改質リサイクルガスを流入させることができ、好ましい。
【００３９】
原燃料ガスと脱硫用改質リサイクルガスとの混合は、上記還流ガス管路を通じて原燃料ガスが供給されるガス管路内に流入した改質リサイクルガスの受動拡散によればよいが、ガス管路に混合のための緩衝領域を設ける等の工夫を施してもよい。
【００４０】
改質反応で発生する一酸化炭素（ＣＯ）は、通常、ＣＯ濃度低減器に流通させて低減するが、固体高分子型燃料電池を用いる場合は、燃料となる改質ガス中のＣＯが電解質膜の機能低下をもたらすため、ＣＯ濃度を１０ｐｐｍ以下程度にまで低くする必要があり、ＣＯ濃度を１％程度にまで低減するためのＣＯ変成器の下流には、更に空気中の酸素によって一酸化炭素を選択的に酸化するＣＯ選択酸化器が設けられる。この場合、ＣＯ選択酸化器を流通した改質ガスには窒素が混入するが、窒素は改質器でアンモニアとなって燃料電池の特性を下げるので、このような窒素を含む改質ガスを燃料ガスに還流させることは好ましくない。したがって、ＣＯ選択酸化器を設けてＣＯ選択酸化反応をおこなう場合は、上記還流ガス管路は、ＣＯ変性器の下流であってＣＯ選択酸化器の上流から分岐するように構成することが好ましい。
【００４１】
上記水添脱硫、水蒸気改質、ＣＯ変成、など一連の反応は高温条件下での反応であるため、上記還流ガス管路に流入する改質ガスは１２０〜１５０℃程度の高温であるが、還流ガス管路内を流通する間の放熱によってその露点以下の環境温度にさらされることとなり、改質されたガスに含まれる水蒸気の凝縮による閉塞の原因となる。そこで、上記還流ガス管路に流入する改質ガスが水蒸気を凝縮分離する水蒸気凝縮分離器を流通するように配置し、上記還流ガス管路に流入する改質ガスから水分を除いておくことが好ましい。
【００４２】
以下、図面を用いて本発明について更に詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。
【００４３】
図１は、本発明による燃料電池発電装置の一実施形態を模式的に示す構成図である。この実施形態は、原燃料ガスとして都市ガスを利用する燃料電池発電装置に適用したものである。
【００４４】
この燃料電池発電装置では、原燃料ガスである都市ガスが、図中直線と矢印で示すガス管路を、ガス圧縮機９、脱硫器３、改質器４、改質ガス中のＣＯを水蒸気により二酸化炭素（ＣＯ2）と水素に変成するＣＯ変成器５、ＣＯ変成器５からの改質ガス中に約１％程度含まれるＣＯを、更に１０ｐｐｍ以下にまで低減するＣＯ選択酸化器６の順に通過して、水素リッチガスに改質された燃料ガスが、燃料電池の燃料電池セル７のアノード電極側２１に供給される。なお、２２はカソード電極側、２３は電解質である。
【００４５】
また、ＣＯ変成器５とＣＯ選択酸化器６のガス管路の途中から分岐するガス管路が、再び原燃料ガスが供給されるガス管路へと戻されるように配置される還流ガス管路が形成されている。ＣＯ変成器５により処理され水素リッチガスに改質された燃料ガスの一部は、その還流ガス管路を流通し、原燃料である都市ガスと混合される。
【００４６】
CO変成器５から還流ガス管路に流入する水素リッチな改質ガスは、水蒸気分離器８において、冷却されて、水分を除かれた後、流量制御手段２０に流入する。そして、流量制御手段２０にて、流量を制御されながら都市ガスに混合され、ガス圧縮機９を通して脱硫器３に供給される。
【００４７】
図２は、本発明の燃料電池発電装置に導入されるガス流量制御手段の実施形態の模式図である。図２（a）に示す流量制御手段は、図１の実施形態で採用されているものであり、２個のガス充填容器１がガス管路に並列に接続され、ガス管路の上流側及び下流側に弁装置である三方弁２がそれぞれ配置されている。
【００４８】
ここでは、ガス管路を流通するガスはいったんガス充填容器１aに充填され、次に上流側の弁を閉じ下流側の弁を開いて、圧力差によってガス充填容器１aからガスが下流に流出する。その間、ガス充填容器１ｂにおいては、下流側の弁が閉じ、上流側の弁が開くので、ガスが充填される。そして、ガスの流出によってガス充填容器１a内のガス圧が低下した段階で、三方弁を切り替えることにより、今度は、ガス充填容器１aの上流側の弁を開き、下流側の弁を閉じ、ガス充填容器１ｂの上流側の弁を閉じ、下流側の弁を開いて、ガス充填容器１ｂからガスが下流に流出する。こうしてガス圧を調整しながら、ガスを持続的に下流側に供給することができる。
【００４９】
また、図２（ｂ）に示す別の実施形態による流量制御手段では、上記２つのガス充填容器１a、１ｂの各々の上流側にそれぞれ配されるガス充填容器１ｃ、１ｄが、ガス管路に直列に接続されている。この態様によれば、改質ガスタンクを2個直列に接続することによって、下流に配されるガス充填容器１a（または１ｂ）へのガスの流通量は制限され、リサイクルガス流量を制限することができる。
【００５０】
図３には、上記図２（a）に示す実施形態において、各容器の容積を1リットル、ガス流路の切り替え時間を６秒、ガス温度を５０℃、下流側弁の閉止の間にガス充填容器１a（または１ｂ）に流入し滞留するガスの背圧Ｐ１の初期値を１１３．３ｋＰａ（ａｂｓ）とし、燃料ガス圧縮機入口の圧力Ｐ２を一定値１０１．３ｋＰａ（ａｂｓ）としたときのガス充填容器内のガス圧及び下流側へのガス流量の挙動をシュミレーションした結果を示す。
【００５１】
シミュレーションには、容器から流出するリサイクルガス流量Ｆ（ｍｏｌ／ｓ）（単位時間当たりに容器から流出するリサイクルガスのモル量）はP１−Ｐ２間の圧力差の関数として表すことができるとして下記数式（１）を使用し、また、ガス圧Ｐ１はガス充填容器内に充填されているリサイクルガスのモル量ｎ（ｍｏｌ）の関数として表すことができるとして、下記数式（２）を使用した。
【００５２】
【数１】
2006092764.tif 000003
【００５３】
なお、数式（１）中のＫは配管構成などによって異なる流量係数であり、ここではその値を２×１０−８（ｍｏｌ／ｓ・Ｐａ）とした。また、数式（２）中のＲはガス定数８．３１４４（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）であり、Ｔはガス充填容器内の温度３２３Ｋであり、Ｖはガス充填容器の容積０．００１ｍ３ である。
【００５４】
図３（ａ）は、ガス充填容器内のガス圧の経時変化をシミュレーションした結果を示している。ここでは、シミュレーションによって得られたガス圧変動が６秒毎の１サイクルをなし、２つのガス充填容器１ａ、１ｂからのガス流路の切り替えによって、そのガス圧変動の１サイクルが連続するように図示されている。
【００５５】
図３（ｂ）は、上記図３（ａ）に示すガス圧変動の連続サイクルに対応してガス充填容器から流出するリサイクルガスの流量（単位をＮＬ／ｓに換算した）の変動を示している。すなわち、1つのガス充填容器から下流側に流出にするガスの流量は、ガス流路の切り替え直後から６秒間、容器の圧力の低下を伴って減少する。次の６秒間は、他のガス充填容器から同様の挙動でガスが下流側に流出するため、ガスの流量は６秒の周期をもって最大値０．０２ＮＬ／ｓと最小値０．００５ＮＬ／ｓの間を変化することとなる。
【００５６】
したがって、上記図２（ａ）に示す本発明におけるガス流量制御手段の実施形態によって、通常小型の燃料電池発電装置においてリサイクルガス流量の好適範囲とされる０．００６〜０．０２３ＮＬ／ｓとなるように、脱流用改質リサイクルガスを安定に供給することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の燃料電池発電装置は、エネルギー資源をより効率的に利用するエネルギー供給／使用システムに利用することができ、社会的な省エネルギー化の要請に応えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の燃料電池発電装置の一実施形態を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明におけるガス流量制御手段の実施形態の模式図である。
【図３】本発明におけるガス充填容器内でのガス圧及びガス充填容器からのガス流出量の経時変化をシュミレーションした結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ    ガス充填容器
２    三方弁
３    脱硫器
４    改質器
５    ＣＯ変成器
６    ＣＯ選択酸化器
７    燃料電池セル
８    水蒸気分離器
９    ガス圧縮器
２０   流量制御手段
２１   アノード電極側
２２   カソード電極側
２３   電解質
【図１】
2006092764.tif 000004
【図２】
2006092764.tif 000005
【図３】
2006092764.tif 000006