(57)【要約】【課題】ＬＰＧボンベ切替時の燃料流量制御を適切に行うことで、ボンベの切替時にも安定して運転を継続することが可能な燃料電池発電装置とその運転方法を提供する。【解決手段】燃料電池７と、改質器４と、流量計９および調節弁２を有するＬＰＧガス供給流量制御手段と、ガス一次圧計測手段（３３，３４）とを備え、さらに、前記ＬＰＧガス供給流量制御手段は、ボンベ切替制御部１１と、ボンベ切替時調節弁開度算出部１２と、ボンベの切替に伴う流量制御を行うＬＰＧ流量制御部１０とを備え、使用末期のＬＰＧボンベ（ボンベ１）から未使用の新ＬＰＧボンベ（ボンベ２）に切り替える際に、ボンベ１内のＬＰＧガス組成に基づき、改質器出口の改質ガス中の水素ガス量が略一定となるように、ボンベ２から改質器に供給するＬＰＧの流量制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、液化石油ガス（ＬＰＧ）ボンベから供給されるＬＰＧを水素リッチな改質ガスとし前記燃料電池に供給する改質器と、ＬＰＧガス供給流量制御手段とを備えた燃料電池発電装置の運転方法において、
使用末期のＬＰＧボンベ（ボンベ１）から未使用の新ＬＰＧボンベ（ボンベ２）に切り替える際に、ボンベ１内のＬＰＧガス組成に基づき、前記改質器出口の改質ガス中の水素ガス量が略一定となるように、ボンベ２から改質器に供給するＬＰＧの流量制御を行うことを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項２】
請求項１に記載の運転方法において、前記ボンベ１内のＬＰＧガス組成は、ボンベ１のガス出口部に設けた減圧弁の前段のガス一次圧とＬＰＧガス組成との、予め求めた相関に基づいて演算することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項３】
請求項２に記載の運転方法において、前記ボンベ１からボンベ２に切替える際に、ボンベ２の切替開始時のＬＰＧガス供給流量を、切替前のボンベ１からのＬＰＧガス供給流量と同一流量となるようにし、その後は、ボンベ２からのＬＰＧガス供給流量を、前記改質器出口の改質ガス中の水素ガス量が切替前と略同一となるように、あらかじめシミュレーションにより求めた所定の流量に変化させてボンベ２からのＬＰＧガスを供給し、前記改質器出口部において、ボンベ１からのＬＰＧガスの、ボンベ２からのＬＰＧガスによるガス置換が完了する所定時間後に、ボンベ２からのＬＰＧガス供給流量を、通常のＬＰＧガス組成に適した所定の最適流量に調節して、ボンベの切替に伴う流量制御を完了することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
【請求項４】
請求項３に記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、燃料電池と、改質器と、流量計および調節弁を有するＬＰＧガス供給流量制御手段と、ガス一次圧計測手段とを備え、さらに、前記ＬＰＧガス供給流量制御手段は、ボンベ切替制御手段と、ボンベ切替時調節弁開度算出手段と、前記請求項３に記載のボンベの切替に伴う流量制御を行うＬＰＧ流量制御手段とを備える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】
この発明は、燃料電池発電装置とその運転方法に関わり、特に液化石油ガス（ＬＰＧ）を原燃料に用いた燃料電池発電装置の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置の原燃料としては、メタン（ＣＨ4）成分主体の都市ガスが一般的であるが、プロパン（Ｃ3Ｈ8）成分主体のＬＰＧ（液化石油ガス）についても多くの実績がある。図５に、主に原燃料系統に着目して記載した代表的なＬＰＧ燃料電池発電システムの概略構成の一例を示す。
【０００３】
図５において、１は電磁開閉弁、２は流量調節弁、３は脱硫器、４は改質器、５は変成器、６はＣＯ除去器、７は燃料電池、８は改質器温度計測用の温度計、９はＬＰＧガス流量計、１０はＬＰＧガス供給流量を制御するためのＬＰＧ流量制御部、１１はボンベ切替制御部、３１，３２はＬＰＧボンベ、３３，３４は圧力計、３５，３６は電磁開閉弁、４０，４１は減圧弁である。なお、二点鎖線で囲んだ部分の２０は、燃料電池発電装置パッケージを示し、図示しない種々の周辺機器を含む。
【０００４】
図５のシステムの一般的動作は、以下のとおりである。まず、ＬＰＧボンベ３１から、減圧弁４０により、所定圧、例えば１〜３ｋＰａに減圧されたガスが、流量調節弁２により、燃料電池の負荷に応じて流量制御され脱硫器３を経て改質器４に送られる。この改質器４で生成した水素リッチな改質ガスは、改質ガス中のＣＯが変成器５においてＣＯ2に変成され、残留するＣＯの一部がＣＯ除去器６で除去された後、燃料電池７に供給される。
【０００５】
ＬＰＧボンベ３１内のＬＰＧの一次圧（１０〜２０ＭＰａ）が、ＬＰＧの消費とともに減少して、所定圧となった際には、ＬＰＧボンベ３１からＬＰＧボンベ３２に切り替えられ、減圧弁４１，流量調節弁２および脱硫器３を経て改質器４にガスが供給される。
【０００６】
上記のような、ＬＰＧを原燃料に用いた燃料電池発電装置は、備蓄可能なＬＰＧを原燃料とするので、都市ガスを原燃料に用いた燃料電池発電装置と異なり、災害等による都市ガスパイプラインの遮断時においても、発電を継続することが可能なメリットがある。一方、ＬＰＧはボンベで供給されるため、燃料の使用に伴いボンベの切替，交換等の手間が必要になる。
【０００７】
ところで、ＬＰＧの組成は、JIS・K2240に定められている通り、主にプロパン(C3H8)とブタン((C4H10)，n-ブタンとイソブタンの混合)から成り、その比率は種類によって異なるが、燃料電池発電装置の原燃料として用いるＬＰＧには，約３体積％のブタンが含まれているのが通常である。
【０００８】
ブタンの蒸気圧は、プロパン(C3H8)の1.275 MPa at 40#Cに比較し、n-ブタンは0.278 MPa at 40#C、イソブタンは0.427 MPa at 40#Cであり、プロパンと比較してブタンの方が気化しにくいため、ボンベ中に残留する傾向がある。このため、1本のボンベから供給されるガス組成は、徐々にではあるが、ブタン濃度割合が高くなっていく傾向がある。
【０００９】
また、ブタンの単位体積当りの水素発生能力は下式の通り、プロパンの1.3倍である。
【００１０】
プロパン：C3H8+6H2O      → 10H2+3CO2
ブタン  ：C4H10+8H2O      → 13H2+4CO2
従って、1本のボンベが使用末期に近づくと、ブタン濃度が僅かずつ高まるため、発生水素量は徐々に多くなる。一方、燃料電池スタックで消費される水素量は一定であるので、改質器バーナで燃焼する残余の水素（改質反応の熱源）が徐々に増加するが、この増加は時間的に緩やかな変化なので、改質器の温度を制御の対象に取り込んでいる原燃料流量制御が機能し、原燃料の流量を徐々に減少させることでシステムの熱・物質バランスを保持している。
【００１１】
このように、1本のボンベにおける、ガス組成の緩やかな変化に対しては、従来の制御で対応可能である。しかしながら、ボンベ使用末期のブタン濃度割合の高まったＬＰＧボンベから、プロパン主体の初期組成ＬＰＧが充填された未使用ボンベに燃料を切替える際には、切替と同時にガス組成が変化する。すなわち、燃料電池発電装置にとっては、ブタン濃度割合の高まったＬＰＧに対応して原燃料流量を絞っていた状態下において、プロパン主体の未使用ボンベに切替わることにより、改質器で発生する水素量の低下が発生し、燃料電池スタックでは発電を維持するため一定量の水素を消費してしまうので、改質反応の熱源である燃料電池の排水素（残水素）が不足し、改質器の温度が低下してしまう。
【００１２】
ここで、原燃料流量制御は改質器の温度低下を検知し、バーナの燃焼量を上げるべく、原燃料流量を増加方向に制御するが、原燃料を増加させることは、改質器触媒内を通過する原燃料が増加することであり、一時的に改質器の温度をさらに低下させる要因となる。この結果、改質器の温度が運転継続範囲を逸脱してしまい、緊急停止を余儀なくされるケースが生じてしまう。また、燃料電池本体にも燃料不足による不可逆的なダメージを与える、例えば、燃料電池セルが損傷し、効率が著しく低下する若しくは運転不能になる恐れがある。
【００１３】
図３は、ＬＰＧボンベの切替に伴う燃料不足の問題を説明する図であり、前記現象について、図３に基づいて具体的に説明する。図３では、ブタン濃度の増加したＬＰＧをLPG(B)、プロパン主体の初期組成ＬＰＧをLPG(P)、それらが混合したＬＰＧをLPG(P+B)と表している。
【００１４】
ボンベ切替前の燃料電池発電装置では、ブタン濃度の増加したLPG(B)に対応した原燃料流量で運転を行っている（状態1）。ここで、未使用LPG(P)ボンベに切替えても、切替直後は、改質器の温度変化が生じないので、原燃料流量は切替前と同流量で供給されるが（状態2）、脱硫器（関連配管を含む）の空間で、LPG(P)が混合され始めると、水素の発生量が低下してしまい（状態3,4,5）、燃料電池本体の燃料不足、ならびに改質器の熱源不足を生じる。この間の時間は、脱硫器等の容積および発電出力によって異なり、数〜十数秒程度であるが、燃料不足は、燃料電池本体に不可逆的ダメージを与える恐れがあり、また、改質器の温度低下を招くため、場合によっては装置停止に至ってしまう。
【００１５】
本現象を改善するために、切替後の一定時間、強制的に原燃料流量を増加させる制御を行うことが考えられるが、脱硫器等の空間におけるガスの置換を考慮せずに増加させると、今度は発生水素量過多となり、改質器の温度が上昇することで装置停止に至ってしまう場合がある。本現象を、ＬＰＧボンベの切替に伴う燃料過多の問題を説明する図４に基づき説明する。図４でも、ブタン濃度の増加したＬＰＧをLPG(B)、プロパン主体の初期組成のＬＰＧをLPG(P)、それらが混合したＬＰＧをLPG(P+B)と表している。
【００１６】
ボンベ切替前の燃料電池発電装置では、ブタン濃度の増加したLPG(B)に対応した原燃料流量で運転を行っている（状態1'）。ここで、未使用LPG(P)ボンベ切替時に、改質器の温度による原燃料流量制御を解除し、強制的に原燃料流量をLPG(P)に適した流量（LPG(B)よりも多い流量）で供給すると、切替直後は、脱硫器の空簡にLPG(B)が充満しているので、LPG(B)が、適切な量を超えて改質器に流入し、水素量過多の状態となってしまう(状態2')。その後、脱硫器等の空間で、LPG(P)が増加し始めると、水素の発生量が徐々に適切な量に近づくが(状態3',4',5')、この間に改質器が温度高状態になり、運転継続が不可能になってしまう恐れがある。
【００１７】
ところで、本件出願人は、運転を停止することなく燃料Ａから、組成の異なる燃料Ｂへ燃料を切替える際に燃料電池における水素不足や水素過剰，およびＳ／Ｃ異常が生ずることのない安定した運転が可能な、原燃料切替設備を有する燃料電池発電装置とその運転方法に関して、特許文献１により出願している。
【００１８】
上記特許文献１のように、異種の原燃料ガスの切替えにおける課題を解決する先行技術は公知であるが、ＬＰＧのみを原燃料に用いた燃料電池発電装置における、上記のようなＬＰＧボンベ切り替えに伴う問題点を解決する装置や方法に関しては、知られていない。
【特許文献１】特開２００１−２８２７０号公報（第２−６頁、図１−３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
この発明は上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、従来の運転方法における問題点を解消することにある。従来の問題点を要約すれば、下記のとおりである。即ち、従来の「改質器の温度と燃料電池の出力に応じた原燃料流量の調節制御」では、１本のＬＰＧボンベ内のガス消費に伴うブタン濃度の増加の如きガス組成の緩やかな変化に対しては対応可能であるが、ボンベ切替時のブタン濃度急低下(プロパン組成急増)の如きステップ的なガス組成の変化の場合には、切替前ボンベの使用末期と同流量で供給することにより水素発生量が不足し、また、改質器の温度応答が比較的緩かであるため、改質器の温度が低下し、運転継続範囲を逸脱することで、緊急停止を余儀なくされるケースが生じてしまう問題がある。さらに、これを改善すべく、ボンベ切替時に一時的に改質器温度による原燃料の流量制御を解除し、強制的に、未使用状態のＬＰＧガス組成に応じたガス流量を供給しても、脱硫器に残存する切替前ガスが過剰に供給される状態となり、改質器の温度が上昇し、運転継続範囲を逸脱することで、やはり緊急停止を余儀なくされるケースが生じてしまう問題がある。
【００２０】
従って、この発明の課題は、ＬＰＧボンベ切替時の燃料流量制御を適切に行うことで、ボンベの切替時にも安定して運転を継続することが可能な燃料電池発電装置とその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題は、以下により達成される。即ち、請求項１の発明によれば、燃料電池と、液化石油ガス（ＬＰＧ）ボンベから供給されるＬＰＧを水素リッチな改質ガスとし前記燃料電池に供給する改質器と、ＬＰＧガス供給流量制御手段とを備えた燃料電池発電装置の運転方法において、使用末期のＬＰＧボンベ（ボンベ１）から未使用の新ＬＰＧボンベ（ボンベ２）に切り替える際に、ボンベ１内のＬＰＧガス組成に基づき、前記改質器出口の改質ガス中の水素ガス量が略一定となるように、ボンベ２から改質器に供給するＬＰＧの流量制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
上記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、請求項１に記載の運転方法において、前記ボンベ１内のＬＰＧガス組成は、ボンベ１のガス出口部に設けた減圧弁の前段のガス一次圧とＬＰＧガス組成との、予め求めた相関に基づいて演算することを特徴とする（請求項２）。
【００２３】
また、前記請求項２に記載の運転方法において、前記ボンベ１からボンベ２に切替える際に、ボンベ２の切替開始時のＬＰＧガス供給流量を、切替前のボンベ１からのＬＰＧガス供給流量と同一流量となるようにし、その後は、ボンベ２からのＬＰＧガス供給流量を、前記改質器出口の改質ガス中の水素ガス量が切替前と略同一となるように、あらかじめシミュレーションにより求めた所定の流量に変化させてボンベ２からのＬＰＧガスを供給し、前記改質器出口部において、ボンベ１からのＬＰＧガスの、ボンベ２からのＬＰＧガスによるガス置換が完了する所定時間後に、ボンベ２からのＬＰＧガス供給流量を、通常のＬＰＧガス組成に適した所定の最適流量に調節して、ボンベの切替に伴う流量制御を完了することを特徴とする（請求項３）。
【００２４】
さらに、前記運転方法を実施するための装置としては、下記請求項４の発明が好ましい。即ち、請求項３に記載の運転方法を実施するための燃料電池発電装置であって、燃料電池と、改質器と、流量計および調節弁を有するＬＰＧガス供給流量制御手段と、ガス一次圧計測手段とを備え、さらに、前記ＬＰＧガス供給流量制御手段は、ボンベ切替制御手段と、ボンベ切替時調節弁開度算出手段と、前記請求項３に記載のボンベの切替に伴う流量制御を行うＬＰＧ流量制御手段とを備えることを特徴とする（請求項４）。
【００２５】
即ち、この発明では、ＬＰＧボンベを切替えたことを送信する信号と、その信号に基き、燃料電池発電装置のＬＰＧガス供給流量制御を、ＬＰＧのガス組成と、燃料電池発電装置内の脱硫器等の空間と、燃料電池発電装置の出力（負荷）とに基き適切に制御するものである。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、ＬＰＧボンベ切替時のガス組成変化による擾乱を最小限とし、安定した運転が継続可能な燃料電池発電装置とその運転方法を提供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】
【００２７】
次に、この発明の実施形態に関して、図１および図２に基いて説明する。図１は、この発明の実施形態に関わる燃料電池発電装置の概略システム系統図である。なお、図１において、図５に示した部材と同一機能を有する部材には、同一番号を付してその詳細説明を省略する。
【００２８】
図１において、図２と異なる主な点は、ＬＰＧガス供給流量制御手段に、ボンベ切替時の切替時調節弁開度算出部１２を設けた点である。また、図１におけるＬＰＧ流量制御部１０は、前記請求項３に記載のボンベの切替に伴う流量制御を行う機能を備える。
【００２９】
図１において、切替時調節弁開度算出部１２は、使用中のボンベの一次圧、すなわち残圧を常時監視し、あらかじめ予備試験等により求めておいた「ボンベの残圧とＬＰＧ中のブタン濃度の関係式」により、使用中のＬＰＧガス組成を算出する機能を備える。さらに、切替に備えて、脱硫器等の容積と使用中のＬＰＧの流量と使用中のＬＰＧガス組成とから、改質器出口での水素発生量を一定に保つための、切替完了時のLPGの流量とLPGの流量上昇速度を、予めシミュレーションで求めた値に演算設定し、これに基づいて調節弁の開度を求め、ＬＰＧ流量制御部１０に指令して流量調節弁２を制御する機能を有する。
【００３０】
次に、図２に基づき、本発明のＬＰＧボンベ切替に伴う状態変化について説明する。図２でも、ブタン濃度の増加したＬＰＧをLPG(B)、プロパン主体の初期組成ＬＰＧをLPG(P)、それらが混合したＬＰＧをLPG(P+B)と表している。
【００３１】
ボンベ切替前の燃料電池発電装置では、ブタン濃度の増加したLPG(B)に対応した原燃料流量で運転を行っている(状態1")。このとき、切替時調節弁開度算出部１２は、ボンベの切替に備え、脱硫器等の容積とLPG(B)の流量とLPG(B)のガス組成とから、切替中に改質器出口での水素発生量を一定に保つための、LPG(P)の流量上昇速度と切替完了時のLPG(P)の流量を演算している。ＬＰＧボンベ切替時には、ボンベ切替制御部より、ボンベ切替信号を受取ることで、改質器の温度による原燃料流量制御を解除し、切替直前のLPG(B)と同流量でLPG(P)を供給する(状態2")。さらに、状態1"で演算していたLPG(P)の流量上昇速度に基き、原燃料流量調節弁2を操作し(状態3",4")、やはり演算していた、切替完了時のLPG(P)の流量に至らせ(状態5")、その後、通常の「改質器の温度と燃料電池の出力に応じた原燃料流量の調節制御」に復帰させる。
【００３２】
図１および図２における燃料電池発電装置の構成およびボンベ切替時の操作の実施により、従来は不安定であったＬＰＧボンベ切替時の運転が安定状態で実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施形態に関わる燃料電池発電装置の概略システム系統図。
【図２】この発明の実施形態に関わるＬＰＧボンベ切替に伴う状態変化の説明図。
【図３】従来のＬＰＧボンベの切替に伴う燃料不足の問題を説明する図。
【図４】従来のＬＰＧボンベの切替に伴う燃料過多の問題を説明する図。
【図５】従来の燃料電池発電装置の概略システム系統図。
【符号の説明】
【００３４】
２    流量調節弁
３    脱硫器
４    改質器
７    燃料電池
９    流量計
１０    ＬＰＧ流量制御部
１１    ボンベ切替制御部
１２    切替時調節弁開度算出部
３１，３２    ＬＰＧボンベ
３３，３４    圧力計
４０，４１    減圧弁
【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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