(57)【要約】      （修正有）【課題】凝縮成分が含まれているガスの流量を、マスフローメータを用いて計測することを可能にする。【解決手段】バイオガス発生部１３と、バイオガス発生部１３から発生するバイオガスが配管を通って原燃料として供給される燃料電池発電部と、配管の途中に設置され、燃料電池発電部に供給されるバイオガスの流量を計測するガス流量計と、バイオガス発生部１３とガス流量計との間の配管の途中に設置され、配管を流れるバイオガスを加熱する加熱装置と、加熱装置より上流側のバイオガスの温度を検出する第１の温度検出器１４と、加熱装置により加熱されたバイオガスの温度を、ガス流量計の直近で検出する第２の温度検出器１５と、を備え、第２の温度検出器１５によって検出された温度が第１の温度検出器１４によって検出された温度より低くならないように、加熱装置によりバイオガスを加熱するようにしている。【選択図】図１
2011081989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガス発生部と、
前記バイオガス発生部から発生するバイオガスが配管を通って原燃料として供給される燃料電池発電部と、
前記配管の途中に設置され、前記燃料電池発電部に供給されるバイオガスの流量を計測するガス流量計と、
前記バイオガス発生部と前記ガス流量計との間の前記配管の途中に設置され、該配管を流れる前記バイオガスを加熱する加熱装置と、
前記加熱装置より上流側の前記バイオガスの温度を検出する第１の温度検出器と、
前記加熱装置により加熱された前記バイオガスの温度を、前記ガス流量計の直近で検出する第２の温度検出器と、を備え、
前記第２の温度検出器によって検出された温度が前記第１の温度検出器によって検出された温度より低くならないように、前記加熱装置により前記バイオガスを加熱することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
前記加熱装置は、ヒータであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記加熱装置として、前記燃料電池発電部からの熱源が供給される熱交換器をさらに備え、
前記燃料電池発電部が運転開始後、前記燃料電池発電部からの熱源が所定の温度に達するまでは、前記加熱装置として前記ヒータを使用し、
前記燃料電池発電部からの熱源が前記所定の温度に達してから以降は、前記加熱装置として前記熱交換器を使用することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記加熱装置は、前記燃料電池発電部からの熱源が供給される熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記第１の温度検出器は、前記バイオガス発生部に設置されることを特徴とする請求項１ないし４の何れか1項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記第１の温度検出器は、露点温度検出器であることを特徴とする請求項1ないし５の何れかの1項に記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
配管を流れるガスにセンサ部を暴露させる方式のガス流量計を用いてガスの流量を計測するガス流量計測装置であって、
前記ガス流量計のガス流入側の前記配管に設置され、該配管を流れるガスを加熱する加熱装置と、
前記加熱装置より上流側の前記ガスの温度を検出する第１の温度検出器と、
前記加熱装置により加熱された前記ガスの温度を、前記ガス流量計の直近で検出する第２の温度検出器と、を備え、
前記第２の温度検出器によって検出された温度が前記第１の温度検出器によって検出された温度より低くならないように、前記加熱装置により前記ガスを加熱することを特徴とするガス流量計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス流量計測装置及びこれを用いた燃料電池発電システムに関し、より詳細には、バイオガス等の飽和水蒸気を含んだガスを燃料とする燃料電池発電装置のガス流量計測装置及びこれを用いた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の従来例を図４に示す。燃料電池発電装置１は、都市ガス、ＬＰガス、メタノールなどの原燃料ガスを水蒸気改質して、水素に富むガスに改質する改質器２と、この改質器２で得られた改質ガスを燃料として発電を行う燃料電池本体３、および燃料電池本体３の直流出力を交流に変換する図示しない直交変換装置（インバータ）から成る。改質器２で生成した改質ガスは燃料電池の負荷、および水素利用率に応じて、燃料電池内部で消費され、余剰の水素ガスを含むガスはオフガス（燃料排ガス）として改質器２へ導かれた上でバーナーにて燃焼され、改質エネルギーとして消費されることは周知の通りである。
【０００３】
原燃料はガス流量計４および原燃料流量制御弁５を通った後、水蒸気と混合され改質器２の触媒層に供給される。改質器２の出口には、燃料電池本体３の燃料極３ａに至る改質ガス供給系６が接続される。また、燃料極３ａには電池反応に寄与しない未使用水素ガスを含むオフガスを、改質器２のバーナーに供給するオフガス供給系７が接続される。さらに、燃料電池本体３の空気極３ｂには空気を供給するための空気ブロア８を備えた反応空気供給系９が、改質器バーナーにはオフガスを燃焼する燃焼空気を供給する空気ブロア１０を備えた燃焼空気系１１が、それぞれ接続されている。
【０００４】
ところで、燃料電池本体３の燃料極３ａには、負荷や力率に応じた改質ガスを供給する必要がある。そのため、ここではインバータの出力側に出力電流検出器（図示しない）を接続し、出力電流検出器からの出力をもとに電池出力に相応した原燃料ガスの流量設定値を制御演算部１２にて演算し、原燃料流量制御弁５に付設したガス流量計４の計測値が上記流量設定値に一致するように、原燃料流量制御弁５の弁開度を制御するようにしている。
【０００５】
ガスの流量計測方式としては、オリフィス（しぼり機構）４ａと差圧発信器４ｂによる構成が一般的である。これは、オリフィス４ａの前後に発生する差圧を計測し、演算によって流量を求めるものである（例えば、特許文献１、２参照）。この方式は、ガス中の一部成分が凝縮した場合でも、凝縮による計測器への不可逆的な影響が発生しないという利点を有する。しかしながら、この方式には以下の様な問題点がある。
【０００６】
１）流量計測範囲（レンジアビリティー）が狭く、低負荷、特に起動時に流      量の精度が悪い。
２）差圧を利用する計測原理のため、必然的に圧力損失が発生する。
【０００７】
３）被測定流体の配管にオリフィスを挿入した上で、オリフィス前後の差圧      測定用の枝管を2本取出し、別途準備する差圧発信器にバルブを介して      接続させる必要がある。このため、配管施工上、機器配置上の工数、ス      ペースを必要とする。
【０００８】
４）質量流量を得るために、ガスの温度、圧力を測定し、補正演算する必要      がある（図４で、圧力計４ｃがガスの圧力を、温度計４ｄがガスの温度      をそれぞれ測定する）。
【０００９】
オリフィス４ａと差圧発信器４ｂの組合せによる流量計測方式に対して、近年技術的進歩が著しい流量計測方式として、流れに応じた微小チップ上の温度のゆがみを検知して流量を計測するマスフローメータを用いる方式がある（例えば、非特許文献１参照）。マスフローメータ４１は、差圧の発生を必要とせず、流量を直接電気信号で伝送することが可能であるため、配管にマスフローメータ４１を接続するだけで計測が可能である（図５）。また、精度、レンジアビリティー、コンパクト性の点でも、従来のオリフィスと差圧発信器による方式よりも優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１０２７１８号公報
【特許文献２】特開２０００−２１４３２号公報
【非特許文献１】ガス流量モニタCMGシリーズ取扱説明書  株式会社山武（No. CP-UM-5162）
【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、マスフローメータを用いたガスの流量計測方式は、センサ部にガスが直接接触する必要があるので、バイオガスのようにガス中に凝縮成分が含まれているガスに適用した場合に、ガス温度が低下した時センサ部に結露が生じてさびなどが発生し、センサの機能を不可逆的に損なう恐れがあるという問題があった。そのためマスフローメータを用いた計測方式は凝縮成分が含まれているバイオガス等のガスの流量計測にはこれまで用いられていない。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、凝縮成分が含まれているガスの流量を、マスフローメータを用いて計測することができるガス流量計測装置及びこれを用いた燃料電池発電システム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】
【００１３】
本発明の燃料電池発電システムは、バイオガス発生部と、バイオガス発生部から発生するバイオガスが配管を通って原燃料として供給される燃料電池発電部と、配管の途中に設置され、燃料電池発電部に供給されるバイオガスの流量を計測するガス流量計と、バイオガス発生部とガス流量計との間の配管の途中に設置され、配管を流れるバイオガスを加熱する加熱装置と、加熱装置より上流側のバイオガスの温度を検出する第１の温度検出器と、加熱装置により加熱されたバイオガスの温度を、ガス流量計の直近で検出する第２の温度検出器と、を備えている。そして、第２の温度検出器によって検出された温度（以降、検出温度２と言う）が第１の温度検出器によって検出された温度（以降、検出温度１と言う）より低くならないように、加熱装置によりバイオガスを加熱するようにしている。
【００１４】
また、本発明のガス流量計測装置は、配管を流れるガスにセンサ部を暴露させる方式のガス流量計を用いてガスの流量を計測するガス流量計測装置であって、ガス流量計のガス流入側の配管に設置され、配管を流れるガスを加熱する加熱装置と、加熱装置より上流側のガスの温度を検出する第１の温度検出器と、加熱装置により加熱されたガスの温度を、ガス流量計４１の直近で検出する第２の温度検出器と、を備えている。そして、検出温度２が検出温度１より低くならないように、加熱装置によりガスを加熱するようにしている。
【００１５】
バイオガスの発生部では液体が蒸発してガスになっており飽和状態といえる。したがってバイオガスの発生部の温度はガスの露点温度と等しい。また、バイオガスの発生部から燃料電池発電装置までのバイオガス配管途中でバイオガスが仮に冷やされた場合に、凝縮し発生した水は配管途中に備えられているドレイントラップで排水され、冷やされた後のガスの温度はやはりバイオガスの露点温度と等しい（加熱源が無いならば）。このように、配管途中のガスの温度（加熱装置より上流側のガスの温度）はバイオガスの露点温度に等しいので、ガス流量計に流入するガスの検出温度２が検出温度１（すなわちガスの露点温度）より低くならないようにガスを加熱することで、露点温度より高い温度のガスがセンサ部と接触することになり、センサ部の結露を防止することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、検出温度２が検出温度１より低くならないように、加熱装置によりバイオガスを加熱しているので、検出温度２を常に検出温度１（すなわちガスの露点温度）より高い状態に維持できる。その結果、ガス流量計への流入ガスが結露することは無く、凝縮成分が含まれているガスの流量を、マスフローメータを用いて計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池発電システムの動作フローチャートである。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。
【図４】従来の燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。
【図５】マスフローメータによる流量計測装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第1の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。図４の従来の燃料電池発電システムと同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００１９】
ガス流量計として、図４の装置に設置されているオリフィス４ａと差圧発信器４ｂの代わりにマスフローメータ４１を設置する。さらに、ガス流量補正演算のために従来必要であった圧力計４ｃと温度計４ｄは不要となる。
【００２０】
飽和水蒸気を含んだバイオガス発生部１３と燃料電池発電装置１の間に敷設されたバイオガス配管の途中にバイオガスの温度を検出する第１の温度検出器１４を設置する。第１の温度検出器１４で検出したバイオガスの温度（検出温度１）は制御演算部１２へ送られる。
【００２１】
マスフローメータ４１へのガス流入側の配管上であって、マスフローメータ４１の直近にバイオガスの温度を検出する第２の温度検出器１５を設置する。第２の温度検出器１５で検出したバイオガスの温度（検出温度２）は制御演算部１２へ送られる。
【００２２】
第１の温度検出器１４と第２の温度検出器１５の間であって、燃料電池発電装置１内のバイオガス配管上に、バイオガスを加熱するための、ヒータ１６および熱交換器１７を設置する。燃料電池本体３を冷却した後の冷却水が熱交換器１７に送られる。熱交換器１７は、燃料電池本体３から送られてくる燃料電池本体３を冷却した後の冷却水によってバイオガスを加熱する。バイオガスを加熱した冷却水は、再び燃料電池本体３の冷却水経路１８に戻される。
【００２３】
制御演算部１２がヒータ１６へヒータオン信号を送信し、ヒータ１６が制御演算部１２からのヒータオン信号を受信すると、ヒータ１６の電源がオンされ、バイオガスが加熱される。また、制御演算部１２がヒータ１６へヒータ信号を送信することをやめ、ヒータ１６が制御演算部１２からのヒータオン信号を受信しなくなると、ヒータ１６の電源がオフされ、バイオガスが加熱されなくなる。
【００２４】
燃料電池冷却水を熱交換器１７へ送るための配管である高温水配管系１９の途中に弁２０が設置される。制御演算部１２が弁２０へ開信号を送信し、制御演算部１２からの開信号を弁２０が受信すると弁２０が開き、燃料電池本体３を冷却した後の冷却水が熱源として熱交換器１７へ送られ、バイオガスが加熱される。また、制御演算部１２が弁２０へ開信号を送信するのをやめ、弁２０が弁開信号を受信しなくなくなると弁２０が閉じ、燃料電池本体３を冷却した後の冷却水が熱交換器１７へ送られなくなり、バイオガスが加熱されなくなる。
【００２５】
なお、熱交換器１７は、改質器２で加熱された冷却水を熱源としてもよい。また、熱交換器１７は、燃料電池本体３、および改質器２で加熱された冷却水を熱源としてもよい。
次に、図１の燃料電池発電システムの動作を説明する。図２は、図1に示す燃料電池発電システムの動作フローチャートである。
【００２６】
まず第１の温度検出器１４、第２の温度検出器１５がそれぞれ検出温度１、２を検出する（ステップＳ１）。次に、制御演算部１２が検出温度１と検出温度２の大小関係を比較する（ステップＳ２）。ステップＳ２で比較した結果、検出温度１≧検出温度２の場合はステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、制御演算部１２がヒータオン信号および弁開信号を発信し、その結果ヒータ１６および熱交換器１７がガスを加熱する。
【００２７】
ここで、燃料電池の運転開始時であって、改質器２や燃料電池本体３から得られる熱源の温度がまだ十分昇温していない間（概ね１００℃までの間）はヒータ１６のみを用いてガスを加熱し、改質器２や燃料電池本体３から得られる熱源の温度が、ガスを加熱できるほどに十分昇温（概ね１００℃以上）してからは、ヒータ１６を用いず、熱交換器１７のみを用いてガスを加熱するようにしてもよい。このようにすることで、ヒータ１６に投入する電力を節約することができる。
【００２８】
ステップＳ２で比較した結果、検出温度１＜検出温度２の場合はステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、制御演算部１２がヒータオン信号および弁開信号の発信を停止し、ヒータ１６および熱交換器１７はガスを加熱することをやめる。
【００２９】
以上のように動作することにより、検出温度２が検出温度１より常に高い状態を維持することができる。
ステップＳ２での判断として、（検出温度１＋α）と検出温度２の大小関係を比較してもよい。αは例えば１０℃である。このようにすることで、検出温度２は（検出温度１（＝露点温度）＋α）より高くなるので、より確実に結露を防止することができる。
【００３０】
また、ステップＳ２での判断においてヒステリシスをもたせても良い。すなわち、検出温度１≧検出温度２の場合にステップＳ３へ進み、ガスを加熱し、（検出温度１＋β）＜検出温度２の場合にステップＳ４へ進み、ガスの加熱を中断する。そして、検出温度１＜検出温度２≦（検出温度１＋β）の場合は、前回のステップＳ２で判断した結果と同じステップ（Ｓ３かＳ４）に進む。βはヒステリシス温度幅であり、例えば１０℃である。加熱動作と加熱中断動作の切替えが頻繁に発生し動作が不安定になる、機構部品が故障する、などの不具合を、ステップＳ２での判断にヒステリシスをもたせることで防止することができる。
【００３１】
［第２の実施形態］
第１の実施形態との相違点は、第1の実施形態では、第1の温度検出器１４が、バイオガス発生部１３と燃料電池発電装置１の間のガス配管途中の任意の位置に設置されているが、本発明の第２の実施形態では、第１の温度検出器１４が、バイオガス発生部１３に設置されている、ことである。
【００３２】
第1の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、バイオガス発生部１３と燃料電池発電装置１の配管途中で仮に日射などでガスの温度が上昇しこの上昇したガスの温度を第１の温度検出器１４が検出した場合、検出温度１は露点温度より高い温度となる。この場合は、露点温度より高い温度である検出温度１より検出温度２が低くならないようにガスを加熱することとなり、つまり過剰に（無駄に）ガスを加熱することとなる。
【００３３】
これに対して、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、バイオガス発生部１３と燃料電池発電装置１の間の配管途中で仮に日射などでガスの温度が上昇しても、バイオガス発生部１３に設置された第１の温度検出器１４は常にガスの露点温度を検出しているので、無駄にガスを加熱することなく本発明の効果を奏することができる。
【００３４】
［第３の実施形態］
図３は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。図１の本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムと同じ機能部材には同一の番号を付して説明を省略する。
【００３５】
図１との相違点は、第１の温度検出器１４が露点温度検出器２１に代わった点だけである。動作についても、検出温度１を露点温度に置き換えれば、後は第１の実施形態と同様である。
【００３６】
上記したように、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、バイオガス発生部１３と燃料電池発電装置１の配管途中で仮に日射などでガスの温度が上昇しこの上昇したガスの温度を第１の温度検出器１４が検出した場合、検出温度１は露点温度より高い温度となる。この場合は、露点温度より高い温度である検出温度１より検出温度２が低くならないようにガスを加熱することとなり、それはつまり過剰に（無駄に）ガスを加熱することとなる。
【００３７】
これに対して、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、バイオガス発生部１３と燃料電池発電装置１の間の配管途中で仮に日射などでガスの温度が上昇してもガスの露点温度を常に正しく検出できるので、無駄にガスを加熱することなく本発明の効果を奏することができる。
【００３８】
また、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムは、無駄にガスを加熱することはないが、第１の温度検出器１４の設置場所が限定される（具体的にはバイオガスの発生部）。これに対して、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムでは、露点温度計（第１の温度検出器に相当）を加熱装置の上流側配管のどこに設置しても無駄にガスを過熱することなく本発明の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池発電装置
２  改質器
３  燃料電池本体
３ａ  燃料極
３ｂ  空気極
４  流量計
４ａ  オリフィス
４ｂ  差圧発信器
４ｃ  圧力計
４ｄ  温度計
５  原燃料流量制御弁
６  改質ガス供給系
７  オフガス供給系
８  空気ブロア
９  反応空気供給系
１０  空気ブロア
１１  燃焼空気系
１２  制御演算部
１３  バイオガス発生部
１４  第１の温度検出器
１５  第２の温度検出器
１６  ヒータ
１７  熱交換器
１８  冷却水経路
１９  高温水配管系
２０  弁
２１  露点温度検出器
４１  マスフローメータ
【図１】
2011081989.tif 000003
【図２】
2011081989.tif 000004
【図３】
2011081989.tif 000005
【図５】
2011081989.tif 000006
【図４】
2011081989.tif 000007