(57)【要約】【課題】本発明は、除湿塔の性能を比較的長く維持しながら、燃料電池へ供給する燃料ガスを燃料電池が許容する露点値に可変制御する燃料電池の燃料供給装置とその方法及び燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置であって、燃料電池１６へ供給される燃料ガス１３から水分を除去する除湿装置１０と、除湿装置１０の上流側から下流側に除湿装置１０をバイパスして燃料ガス１３の一部を流すバイパス通路１８と、バイパス通路１８に挿入配置され、除湿装置１０の下流側で合流する除湿装置１０を通過する本流燃料ガスとバイパス通路１８を通過するバイパス流燃料ガスとの混合比１５を調整し、燃料電池１６へ供給する燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に可変制御する制御バルブ２０とを備える。【選択図】　　　　　図１
2004079251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置であって；
前記燃料電池へ供給される燃料ガスから水分を除去する除湿装置と；
前記除湿装置の上流側から下流側に前記除湿装置をバイパスして前記燃料ガスの一部を流すバイパス通路と；
前記バイパス通路に挿入配置され、前記除湿装置の下流側で合流する前記除湿装置を通過する本流燃料ガスと前記バイパス通路を通過するバイパス流燃料ガスとの混合比を調整し、前記燃料電池へ供給する燃料ガスを当該燃料電池が許容する露点値に可変制御する制御バルブとを備える；
燃料電池の燃料ガス供給装置。
【請求項２】
前記除湿装置の上流側に設けられ、前記本流燃料ガスの温度を検知する温度センサと；
前記制御バルブに接続され、前記温度センサの出力信号に基づいて前記制御バルブの開閉を制御する制御手段とをさらに備える；
請求項１に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記温度センサの出力信号に対応する燃料ガスの分流比データを分流比記憶装置から読み出して、前記制御バルブの開閉を制御する；
請求項２に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置と；
前記燃料電池の燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える；
燃料電池発電システム。
【請求項５】
燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給方法であって；
前記燃料電池へ供給する燃料ガスから水分を除去する除湿工程と；
水分を除去する前の前記燃料ガスの一部を前記除湿工程を経由することなく、取り出す取出し工程と；
前記取り出された一部の燃料ガスと前記除湿工程で水分を除去された燃料ガスとを混合する混合工程とを備え；
前記混合工程は、前記一部の燃料ガスと前記水分を除去された燃料ガスとの混合比を調整し、前記燃料電池へ供給する燃料ガスを当該燃料電池が許容する露点値に可変制御する制御工程を含む；
燃料電池の燃料ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の燃料ガス供給装置とその方法及び燃料電池発電システムに係り、特に、燃料電池へ供給する燃料ガス中の水分を除去し燃料電池が許容する露点値に調整する燃料電池の燃料ガス供給装置とその方法及び燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子電解質型や燐酸型の燃料電池へ供給する燃料ガスは、燃料電池内での結露を防止するために、或る一定温度以下の露点値が要求されている。燃料電池へ供給する燃料ガスを電解工業的又は石油化学工業的に副生した場合に、燃料ガスの露点が比較的高いため、燃料電池へ供給する前に除湿塔を用いて燃料ガスを除湿していた。また、燃料ガスの圧力が比較的高い場合は膜分離法又はＰＳＡを用いて除湿することができるが、低圧の燃料ガスが供給されるときはガスを昇圧するための所要時間が必要となり膜分離法等を適用することが困難であった。
【０００３】
図４は、従来の燃料ガス供給装置のブロック図である。燃料ガス供給装置は、燃料電池１６に燃料ガスを供給する供給ダクトに挿入配置された除湿塔１０を設けて、水素を主成分とした低圧の燃料ガス（メタンなど）１３を上流ダクト１２へ送入し、シリカゲルやＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系等の水蒸気吸着材を充填した除湿塔１０で燃料ガス中の水分を除去し、燃料ガスをマイナス４０℃の低露点値に下げてから下流ダクト１４を通じて燃料電池１６へ供給していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の如く、燃料電池へ供給する燃料ガス中の水分を除去する除湿塔１０は除湿効果が高く低露点値の燃料ガスを燃料電池へ供給するものの、燃料電池が要求する結露しない程度の品質以上に燃料ガスの露点値を低下させている。また、除湿塔１０の除湿性能を制御して下流ダクト１４中の燃料ガスの露点を調整することが困難であり、除湿塔１０の性能を維持するために頻繁に吸着材を交換しているため、燃料ガス供給装置の稼動時間を低下させていた。さらに、除湿塔１０の性能を維持すために大量の吸着材を充填する燃料ガス供給装置は、大型化を招き製造費用が増大するという課題も存在する。
【０００５】
本発明は、斯かる実情に鑑み、除湿塔の性能を比較的長く維持しながら、燃料電池へ供給する燃料ガスを燃料電池が許容する露点値に可変制御する燃料電池の燃料供給装置とその方法及び燃料電池発電システムを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明による燃料電池の燃料供給装置は、例えば、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置であって、燃料電池１６へ供給される燃料ガス１３から水分を除去する除湿装置１０と、除湿装置１０の上流側から下流側に除湿装置１０をバイパスして燃料ガス１３の一部を流すバイパス通路１８と、バイパス通路１８に挿入配置され、除湿装置１０の下流側で合流する除湿装置１０を通過する本流燃料ガスとバイパス通路１８を通過するバイパス流燃料ガスとの混合比１５を調整し、燃料電池１６へ供給する燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に可変制御する制御バルブ２０とを備える。
【０００７】
ここで、燃料電池１６は固体高分子電解質型や燐酸型の燃料電池を使用することができる。また、燃料ガス１３は水素ガスや改質することにより水素を得ることができるメタンガス等を用いることができる
【０００８】
このように構成すると、除湿装置１０の下流側で合流する除湿装置１０を通過する本流燃料ガスとバイパス通路１８を通過するバイパス流燃料ガスとの混合比１５を調整し、燃料電池１６へ供給する燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に可変制御する制御バルブ２０を備えるので、除湿装置１０を通過する燃料ガス１３の流量を減少させると共に、燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に制御することができる。
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項２にかかる発明による請求項１に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置は、例えば、図１に示すように、除湿装置１０の上流側に設けられ、本流燃料ガスの温度を検知する温度センサ２４と、制御バルブ２０に接続され、温度センサ２４の出力信号に基づいて制御バルブ２０の開閉を制御する制御手段２６とをさらに備える。
【００１０】
このように構成すると、除湿装置１０の上流側の燃料ガス温度に基づいて制御バルブ２０を開閉制御するため、燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に制御することができる。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項３にかかる発明による請求項２に記載の燃料電池の燃料供給装置は、例えば、図１に示すように、制御手段２６は、温度センサ２４の出力信号に対応する燃料ガスの分流比データを分流比記憶装置２７から読み出して、制御バルブ２０の開閉を制御するように構成されている。
【００１２】
このように構成すると、温度センサ２４の出力信号に対応する燃料ガスの分流比データを分流比記憶装置２７から読み出し制御バルブ２０の開閉制御を処理するため制御手段２６の処理速度が向上する。
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項４にかかる発明による燃料電池発電システムは、例えば、図１に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置と、燃料電池の燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池１６とを備える。
【００１４】
このように構成すると、発電システムは、燃料電池内の結露を防止することができ、水素イオンを透過させて酸化剤との電気化学的反応をむらなく順調に進行させることができる。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項５にかかる発明による燃料電池の燃料ガス供給方法は、例えば、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給方法であって、燃料電池１６へ供給する燃料ガスから水分を除去する除湿工程１０と、水分を除去する前の燃料ガスの一部を除湿工程を経由することなく、取り出す取出し工程１１と、取り出された一部の燃料ガスと除湿工程で水分を除去された燃料ガスとを混合する混合工程１５とを備え、混合工程１５は、一部の燃料ガスと水分を除去された燃料ガスとの混合比を調整し、燃料電池１６へ供給する燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に可変制御する制御工程２６を含むように構成されている。
【００１６】
このように構成すると、一部の燃料ガスと水分を除去された燃料ガスとの混合比を調整し、燃料電池１６へ供給する燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に可変制御することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。図１から図３は発明を実施する形態の一例であって、図中、図と同一または類似の符号を付した部分は同一物または相当物を表わし、重複した説明は省略する。
【００１８】
図１は、本発明による実施の形態である燃料電池の燃料ガス供給装置の模式的な系統図である。燃料電池の燃料ガス供給装置は、例えば、燃料ガスから得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池１６と、この燃料電池１６へ供給される燃料ガス１３から水分を除去する除湿装置１０と、除湿装置１０の上流側から下流側に除湿装置１０をバイパスして燃料ガス１３の一部を流すバイパス通路１８と、を備える。
【００１９】
ここで、除湿装置としての除湿塔１０は、円筒形又は立方体の容器にシリカゲルやＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系等の水蒸気吸着材を充填した吸着式除湿装置を用いることができる。また、燃料ガス１３は、水素ガス又は改質することにより水素を取り出すことができるメタンガス等を用いることができる。
【００２０】
上記バイパス通路１８に挿入配置する制御バルブ２０は、除湿装置１０の下流側で合流する除湿装置１０を通過する本流燃料ガスとバイパス通路１８を通過するバイパス流燃料ガスとの混合比１５を調整し、燃料電池１６へ供給する燃料ガスを燃料電池１６が許容する露点値に可変制御する。この露点値は、典型的には温度で表され、除湿塔１０に供給される燃料ガス１３の温度より約１０℃低い温度に設定するとよい。
【００２１】
上記制御バルブ２０は、駆動モータとしてのパルスモータ２２で駆動され制御バルブ２０を開閉することにより、バイパス通路１８を通過する燃料ガス１３の流量を変化させる。
【００２２】
上記パルスモータ２２は、ライン３１を通じてスイッチング電源２８から異なる位相の第１のパルス信号２９と第２のパルス信号３０を受信し、例えば、バルブを左右の何れか一方に回転させてバイパス通路１８中を通過する燃料ガス１３の流量を制御する。
【００２３】
上記スイッチング電源２８は、中央処理装置ＣＰＵ２６から制御信号を受信し、上述した異なる位相のパルス信号２９、３０を出力する。パルス信号は、図示した矩形波の他に、パルス幅変調インバータによる正弦波や三角波を用いることができる。
【００２４】
上記ＣＰＵ２６は、除湿塔１０の上流側に設けられた温度センサ２４から除湿塔１０又はバイパス通路１８を通過する燃料ガス１３の温度を示す温度検知信号をライン２５を通じて受信し、上述した制御信号を発生する。温度検出の対象となる燃料ガス１３は除湿塔１０を通過する本流燃料ガスとバイパス通路１８を通過するバイパス流燃料ガスの何れの燃料ガスを用いることもできる。要は、除湿塔１０で除湿する前の燃料ガス１３の温度を検知すればよいため、温度センサ２４は上流ダクト１２の入口近傍に配置する。
【００２５】
また、ＣＰＵ２６は、分流比記憶装置としての分流比メモリ２７に接続され、分流比メモリ２７から温度センサ２４の出力信号に対応する燃料ガスの分流比データを受信する。例えば、除湿塔１０へ流れる燃料ガス量をａ、バイパス通路１８へ流れる燃料ガス量をｂとした場合、燃料ガス１３の温度に対してａ＋ｂ＝１の混合比データのテーブルを予め分流比メモリ２７へ記憶する。分流比メモリ２７は電源をＯＦＦとした場合でもデータを保持するマスクＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭのような読出専用のメモリを用いるとよい。
【００２６】
図１の系統図を参照して、燃料ガス供給装置の動作について説明をする。燃料電池１６は、内部に流入する燃料ガス（水素又はメタン）に対して、上流ダクト１２の入口を通過する燃料ガス１３の供給温度より１０℃低い温度の露点値をもつことを要求している場合を例示する。
【００２７】
燃料ガス１３の温度Ｔ℃で露点値もＴ℃の燃料ガス１３が上流ダクト１２からＱ（Ｎｍ３／ｈ）の流量で供給され、燃料電池１６には温度Ｔ℃で露点値（Ｔ−１０℃）の燃料ガスが供給されるように構成する。
【００２８】
上流ダクト１２に供給される燃料ガス１３は、除湿塔１０に入る前にａ：ｂ（ａ＋ｂ＝１）の比率でバイパス通路１８に分流する。除湿塔１０に流入する燃料ガスａＱ中の含有水分の略全量は吸着材により吸着され、除湿塔１０の下流ダクト１４中の燃料ガス中に含まれる水分はゼロをみなすことができる。
【００２９】
燃料ガスのＴ℃における水分量をｘ（ｇ／Ｎｍ３）とし、温度（Ｔ−１０℃）における水分量をｙ（ｇ／Ｎｍ３）とすると、燃料電池１６の入口の露点値を（Ｔ−１０℃）にするためには、ｂＱｘ＝Ｑｙの関係を満たすように制御すればよい。すなわち、ＣＰＵ２６によりｂ＝ｙ／ｘとなるように演算処理を施し、制御バルブ２０をパルスモータで駆動し調整する。ここで、ｂの値は、例えば、燃料ガスを水素ガスとしたときの飽和水蒸気圧表に基づき演算をする。
【００３０】
図２は、飽和水蒸気圧表に基づく燃料ガス温度と水分量との関係図である。図中左端の欄３２には、上流ダクト１２へ流入する燃料ガスとしての水素ガス１３の温度を５℃から３０℃の範囲で示している。欄３２の右隣欄３３には、水素ガス１３の温度に対応する水分量が６．５４（ｇ／Ｎｍ３）から３１．８２（ｇ／Ｎｍ３）の範囲で示している。欄３３の右隣欄３４には、燃料電池１６の入口の露点値として水素ガス１３の温度に対応する露点値をマイナス５℃からプラス２０℃の範囲で示している。欄３４の右隣欄３５には、露点値に対応する水分量が３．００８（ｇ／Ｎｍ３）から１７．５４（ｇ／Ｎｍ３）の範囲で示している。図中右端欄３６は、各露点値の水分量ｙを各水素ガス温度で除した値を０．４６から０．５５の範囲で表示している。
【００３１】
図２の関係図に示す、上流ダクト１２内の水素ガス１３の温度Ｔ℃における水分量ｘ（ｇ／Ｎｍ３）、及び温度（Ｔ−１０）℃における水分量ｙ（ｇ／Ｎｍ３）は、各々飽和水蒸気圧表に基づいた値で表示されている。この水分量ｘとｙを変数としてｂ＝ｙ／ｘの演算処理を施し、制御バルブ２０の開閉度を制御する制御値を算出する。例示した水素ガス１３の場合は、上流ダクト１２内の水素ガス１３温度Ｔが５℃のときは水素ガス１３の水分量６．５４（ｇ／Ｎｍ３）に０．４６を乗じた水分量３．００８（ｇ／Ｎｍ３）の水素ガスを燃料電池１６へ供給すればよい。
【００３２】
図３は燃料ガス温度Ｔと分流比ｂとの関係を示す線グラフ図である。上述した関係式から演算した分流比ｂに基づいて、制御バルブ２０の開閉度を調整する。すなわち、上流ダクト１２の入口ガス温度Ｔ（℃）が５℃のときは分流比を０．４６、温度Ｔが１０℃のときは分流比を０．５０、温度Ｔが１５℃のときは分流比を０．５１、温度Ｔが２０℃のときは分流比を０．５３、温度Ｔが２５℃のときは分流比を０．５４、温度Ｔが３０℃のときは分流比を０．５５に設定し、ｂの値に１００を乗じた燃料ガスのバイパス量（％）を決定し、燃料ガスをバイパス通路１８へ分流させるように制御する。
【００３３】
図３の線グラフに示すように、上流ダクト１２の入口ガス温度Ｔを測定するだけで燃料電池１６に供給する燃料ガスの露点値（温度）を制御することができる。本実施の形態では、入口ガス温度Ｔに対して露点値はＴ−１０℃である。
【００３４】
例えば、入口ガス温度Ｔが３０℃の水素ガスを全て除湿塔１０に通過させた場合には、１Ｎｍ３当り３１．８２ｇの水分を除湿塔１０に吸収させることになるが、本実施の形態では１７．５４ｇの水分を除湿するだけで要求する燃料ガスの露点値を得ることができるため、除湿塔１０内の吸着材の寿命が延長され、燃料供給装置のメンテナンス頻度を減少させることができる。
【００３５】
また、燃料電池の要求する露点値が、入口ガス温度Ｔに対してＴ−１５℃やＴ−２０℃の場合でも、上述した飽和水蒸気圧表に基づき、所定の水分量を算出し、制御バルブの開閉度を制御するｂ値を演算出力することができる。
【００３６】
こうして、本発明の燃料電池の燃料供給装置によれば、燃料電池に供給する燃料ガスを燃料電池が要求する露点値に可変制御することができる。また、除湿塔を通過する本流燃料ガスとバイパス通路を通過するバイパス流燃料ガスの分流比を本流燃料ガスの入口ガス温度に基づいて演算出力するため、燃料ガスの温度変化に対して迅速に露点値を変更することができる。さらに、分流比メモリを備えるため、内部に記憶した分流比テーブルを参照し入口ガス温度をパラメータとして分流比のデータを迅速に出力し、制御バルブの開閉制御をコントロールできる。
【００３７】
尚、本発明の燃料電池発電システムは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３８】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の請求項１乃至請求項５に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置とその方法及び燃料電池発電システムによれば、除湿塔の性能を比較的長く維持しながら、燃料電池へ供給する燃料ガスを燃料電池が許容する露点値に可変制御する燃料電池の燃料供給装置とその方法及び燃料電池発電システムを提供する、という優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態である燃料電池の燃料供給装置の系統図である。
【図２】本発明の実施の形態に用いる燃料ガス温度と水分量との関係図である。
【図３】本発明の実施の形態に用いる燃料ガス温度と分流比との関係を示す線グラフ図である。
【図４】従来の燃料電池の燃料供給装置のブロック図である。
【符号の説明】
１０　　　除湿塔
１２　　　上流ダクト
１３　　　燃料ガス
１４　　　下流ダクト
１５　　　混合比
１６　　　燃料電池
１８　　　バイパス通路
２０　　　制御バルブ
２２　　　パルスモータ
２４　　　温度センサ
２６　　　中央処理装置
２７　　　分流比メモリ
２８　　　スイッチング電源
【図１】
2004079251.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004079251.tif 000005
【図４】
2004079251.tif 000006