(57)【要約】【課題】改質ガスを燃料電池１に供給する主配管１０に、改質ガスを水素精製装置５に供給する分岐配管１２が連結された燃料電池発電装置において、水素精製装置５へ供給する改質ガスの流量の多少にかかわらず、その流量を把握して、流量調節弁７を制御することにより、所望の流量の改質ガスを水素精製装置５に供給する手段を提供する。【解決手段】主配管１０に設置された第一流量計６１と第二流量計６２による流量測定値ａ１、ａ２の差ａ３（＝ａ１−ａ２）を、分岐配管１２を流れる改質ガスの流量として求め、ａ３をもとに流量調節弁７を制御して、水素精製装置５に供給する流量を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と改質器と水素精製装置とを備え、前記改質器で得られた改質ガスを前記燃料電池のアノードに供給する主配管の分岐点にて、前記改質ガスを前記水素精製装置に供給する分岐配管が連結された燃料電池発電装置において、前記分岐点より前記改質器側の前記主配管に設置された第一流量計と、前記分岐点より前記燃料電池側の前記主配管に設置された第二流量計と、前記分岐配管に設置された流量調節弁と、前記第一流量計および前記第二流量計による流量測定値をもとに前記流量調節弁を制御する流量制御装置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】
本発明は、原燃料を改質器により改質し、得られた水素に富む改質ガスを、燃料電池のアノードに供給するほか、水素精製装置にも供給する燃料電池発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、外部から燃料と酸化剤を連続的に供給しながら電気化学反応により電気を得るもので、化学エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する。燃料として、水素の他、都市ガス、ＬＰＧなどの燃料ガスが用いられ、酸化剤として、酸素や空気が使用される。ここで、都市ガス、ＬＰＧなどの炭化水素を含む燃料ガスは、改質器により改質され、水素に富む改質ガスとして、燃料電池に供給される。
燃料電池発電装置の中には、特許文献１に示されるように、改質器により得られた改質ガスを水素精製装置にも供給するものがある。図２は、かかる燃料電池発電装置について、従来技術による構成を示す図である。
燃料電池１は、カソード（または空気極）１ａとアノード（または燃料極）１ｂが対向して配置された単セルを複数個、積層したもので、カソード１ａには酸化剤として空気が、アノード１ｂには燃料として改質ガスが、それぞれ供給される。水蒸気とともに、改質器２に供給された都市ガス、ＬＰＧなどの原燃料は、改質器２内の改質器バーナー２ａにより加熱された改質触媒層２ｂにおいて、水蒸気改質反応により改質され、改質ガスを生成する。生成した改質ガスは、水素を主成分とする他、二酸化炭素、一酸化炭素などを含む。改質ガスは、さらに一酸化炭素変成器９に送られ、改質ガス中の一酸化炭素が除去されて、その一酸化炭素濃度が低減される。改質ガスをアノード１ｂに供給する主配管１０を通り、アノード１ｂに供給された改質ガスは、電池反応により、所定の燃料利用率に従って水素が消費されたのち、アノードオフガスとしてアノード１ｂから排出されるが、さらに改質器２の改質バーナー２ａに送られて、残余の水素が燃焼し、改質触媒層２ｂの加熱に用いられる。
【０００３】
電池反応に使用される反応空気として、空気ブロア、コンプレッサーなどによりカソード１ａに供給された空気は、酸素が電池反応により消費されたのち、カソード１ｂからカソードオフガスとして排出されるが、さらに生成水回収装置３に送られて、電池反応により生じた生成水が回収されたのち、大気へ排気される。
燃料電池１は、電池反応により発熱するため、燃料電池１を構成する冷却板１ｃに流される冷却水により冷却され、一定温度に保持される。
本燃料電池発電装置において、改質器２により得られた改質ガスは、燃料電池１の他に、水素精製装置５にも供給される。水素精製装置５として、圧力を変動させて特定のガス種を吸着分離する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）やガスの選択透過性を有する膜を用いる膜分離装置などが用いられる。一酸化炭素変成器９から排出された改質ガスは、アノード１ｂに至る主配管１０の分岐点１１に連結された分岐配管１２を通り、流量計６および流量調節弁７を経たのち、バッファタンク８、圧縮機４を経て、水素精製装置５に供給される。圧縮機４は、改質ガスを加圧するもので、改質ガスは通常、０．６〜１．０ＭＰａほどに加圧されて水素精製装置５に送られ、水素精製装置５において、高純度の水素に精製される。
【０００４】
このように本燃料電池発電装置は、改質器２により得られた改質ガスが、燃料電池１の他に、水素精製装置５にも供給されるものであるため、電力需要量が少ない夜間などにおいては、燃料電池１の発電運転を停止または減少して、改質ガスを水素精製装置５に供給し、高純度水素を得ることとすることができる。これにより、燃料電池１の発電運転の停止など燃料電池１の運転状態が変化しても、改質器２を停止することなく運転することが可能となり、改質器２および燃料電池発電装置全体を効率的に運転できる効果が得られる。
ここで、改質ガスの水素精製装置５への供給方法として、燃料電池１の発電運転を停止して、改質ガスのすべてを水素精製装置５に供給することができる。また、燃料電池１の発電運転中に、改質ガスの一部を水素精製装置５に供給して水素の精製を行うこともできる。このように、改質器２により得られた改質ガスを水素精製装置５に供給する場合、燃料電池１の運転状態や水素精製装置５の処理能力などを考慮して、改質器２により得られた改質ガスを分配し、水素精製装置５に供給する流量を設定することが必要となる。そして、設定された流量の改質ガスを水素精製装置５に供給するため、分岐配管１２に設置された流量計６および流量調節弁７により、改質ガスの流量を調節することが行われる。すなわち、分岐配管１２を流れる改質ガスの流量を流量計６により測定し、その測定値をもとに流量調節弁７を制御して、設定された流量の改質ガスが水素精製装置５に供給されるようにする。ここで、分岐配管１２に設置される流量計６として、水素精製装置５に、通常、供給される改質ガスの流量の範囲を測定できる流量計が選定される。
【０００５】
しかし、分岐配管１２に設置された流量計６による流量の測定には、次のような問題点がある。流量小から流量大までの広い範囲をカバーして測定できる流量計が無いことが問題となる。たとえば、水素精製装置５に供給する流量として、１０Ｎｍ3／ｈ、３０Ｎｍ3／ｈ、５０Ｎｍ3／ｈの３点を設定する場合、１０〜５０Ｎｍ3／ｈの範囲を測定できる流量計６を設置することとなるが、１０〜５０Ｎｍ3／ｈを測定範囲とする流量計はなく、５０Ｎｍ3／ｈを最大流量とする流量計は、２０〜５０Ｎｍ3／ｈを測定範囲とするものに限られる。このため、５０Ｎｍ3／ｈを測定できる流量計６を設置する場合、測定範囲外の流量１０Ｎｍ3／ｈは測定できないこととなり、水素精製装置５に供給する流量として、１０Ｎｍ3／ｈを設定できない問題が生じる。一方、１０Ｎｍ3／ｈを測定できる流量計６を設置する場合、流量５０Ｎｍ3／ｈを測定範囲内とするものはなく、水素精製装置５に供給する流量として、５０Ｎｍ3／ｈを設定することはできないこととなる。
また、２０〜５０Ｎｍ3／ｈを測定範囲とする流量計６を分岐配管１２に設置し、水素精製装置５に改質ガス５０Ｎｍ3／ｈを供給する場合にも、問題点が生じる。水素精製装置５への供給開始時に、分岐配管１２を流れる流量は少量であることが望ましい。これは、流量調節弁７を開き、水素精製装置５への供給を開始する際には、少量の流量から開始し、その流量を測定しながら、流量調節弁７の開き具合を調節して、徐々に流量を増し、所望の流量に達することが望ましいからである。しかし、供給開始後の流量が２０Ｎｍ3／ｈ未満の少量であるとき、２０〜５０Ｎｍ3／ｈを測定範囲とする流量計６ではその流量を測定することができないため、流量測定値をもとにした流量調節弁７の調節による流量制御は困難となる。このため、供給を開始したのち、流量調節弁７による流量制御ができないこととなり、所望の流量の改質ガスを水素精製装置５へ供給することはできない問題がある。
【０００６】
流量を測定する方法に代えて、分岐配管１２が接続するバッファタンク８内の改質ガスの圧力を圧力計で測定し、その測定値をもとに流量調節弁７の開閉を制御する方法をとることができる。バッファタンク８への改質ガスの出入による圧力変化をもとに、水素精製装置５へ供給される流量を制御するものである。しかし、この方法にも問題点がある。バッファタンク８は、分岐配管１２、主配管１０を介して、燃料電池１にも連結していることから、バッファタンク８内のガス圧力は、改質ガスの燃料電池1への供給圧力の影響を受ける。このため、燃料電池１の出力の変動により、改質ガスの消費量が変わり、燃料電池1への供給圧力が変動するとき、バッファタンク８内のガス圧力も変動することとなる。このように、バッファタンク８内のガス圧力の測定値が、水素精製装置５へ供給される改質ガスの流量以外の要因で変動するため、圧力測定による流量制御は不精確なものとなり、所望の流量が変動することなく、水素精製装置５に供給されることは困難となる。
以上のように、分岐配管１２に流量計６を設置し、分岐配管１２を流れる流量を直接、測定することにより、その流量を制御する方法、およびバッファタンク８内のガスの圧力を圧力計で測定し、その測定値をもとに流量調節弁７の開閉を制御する方法には、ともに問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、分岐配管１２を通って水素精製装置５へ供給する改質ガスの流量の多少にかかわらず、その流量を把握して、流量調節弁７を制御することにより、所望の流量の改質ガスを供給する手段を提供することを課題とする。
【特許文献１】特開２０００−３４８７５０号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、改質ガスを燃料電池１のアノード１ｂに供給する主配管１０の分岐点１１にて、改質ガスを水素精製装置５に供給する分岐配管１２が連結された燃料電池発電装置において、分岐点１１より改質器２側の主配管１０に設置された第一流量計による流量測定および分岐点１１より燃料電池１側の主配管１０に設置された第二流量計による流量測定を行うことにより解決できる。
請求項１に記載の発明は、燃料電池と改質器と水素精製装置とを備え、前記改質器で得られた改質ガスを前記燃料電池のアノードに供給する主配管の分岐点にて、前記改質ガスを前記水素精製装置に供給する分岐配管が連結された燃料電池発電装置において、前記分岐点より前記改質器側の前記主配管に設置された第一流量計と、前記分岐点より前記燃料電池側の前記主配管に設置された第二流量計と、前記分岐配管に設置された流量調節弁と、前記第一流量計および前記第二流量計による流量測定値をもとに前記流量調節弁を制御する流量制御装置とを備えることを特徴とする燃料電池発電装置に係るものである。
分岐点１１より改質器２側の主配管１０に設置された第一流量計による流量の測定値ａ１は、改質器２から排出され、燃料電池１のアノード１ｂと、水素精製装置５に供給される改質ガスの流量を示す。すなわち、改質器２で得られた改質ガスの７０％が燃料電池１のアノード１ｂに、３０％が水素精製装置５に分配されて供給される場合、分配前の改質ガス（１００％）の流量を示すものである。
【０００９】
分岐点１１より燃料電池１側の主配管１０に設置された第二流量計による流量の測定値ａ２は、燃料電池１のアノード１ｂに供給される改質ガスの流量を示す。改質器２で得られた改質ガスの７０％が燃料電池１のアノード１ｂに、３０％が水素精製装置５に分配されて供給される場合、分配された７０％の改質ガスの流量を示すものである。したがって、第一流量計による流量測定値ａ１と、第二流量計による流量測定値ａ２との差ａ３（＝ａ１−ａ２）は、分岐配管１２を通って水素精製装置５に供給される改質ガスの流量を示すこととなる。改質器２で得られた改質ガスの７０％が燃料電池１のアノード１ｂに、３０％が水素精製装置５に分配されて供給される場合、分配された３０％の改質ガスの流量を示すものである。
このように、分岐配管１２を流れる改質ガスの流量測定について、従来技術では、分岐配管１２に流量計６を設置して、直接、その流量を測定するものであるのに対し、本発明は、分岐配管１２を流れる改質ガスの流量を、主配管１０に設置された２台の流量計の測定値の差として求めるものである。第一流量計による流量測定値ａ１と、第二流量計による流量測定値ａ２との差ａ３（＝ａ１−ａ２）が、分岐配管１２を通って水素精製装置５に供給される改質ガスの流量を示すことによる。
【００１０】
第一流量計、第二流量計として、ともに流量範囲が７０〜２００Ｎｍ3／ｈである流量計を設置した本発明の燃料電池発電装置において、燃料電池１に改質ガスを１５０Ｎｍ3／ｈ供給して、発電運転を行う。このとき、流量調節弁７を開いて、改質ガス５０Ｎｍ3／ｈを水素精製装置５に供給する場合、第一流量計による流量測定値ａ１は１５０Ｎｍ3／ｈを、第二流量計による流量測定値ａ２は１００Ｎｍ3／ｈを示し、両者の差ａ３（＝５０Ｎｍ3／ｈ）により、分岐配管１２を流れる流量が求められる。水素精製装置５に供給する流量が１０Ｎｍ3／ｈである場合、ａ１は１５０Ｎｍ3／ｈ、ａ２は１４０Ｎｍ3／ｈとして、測定可能であり、測定されたａ１、ａ２をもとに、分岐配管１２を流れる流量（１０Ｎｍ3／ｈ）が求められる。
また、改質ガス５０Ｎｍ3／ｈを水素精製装置５に供給する場合、供給を開始する際には、少量の流量から開始し、その流量を測定しながら、流量調節弁７の開き具合を調節して、徐々に流量を増していく。この徐々に増す流量は、流量測定値ａ１、ａ２をもとに、両者の差ａ３により求められる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、第一流量計、第二流量計を主配管１０に設置する本発明によれば、第一流量計による流量測定値ａ１と第二流量計による流量測定値ａ２をもとに、分岐配管１２を通り水素精製装置５に供給される改質ガスの流量が求められる。このため、分岐配管１２を流れる改質ガスの流量を流量計６で直接、測定する従来技術では測定できない流量について、本発明によれば求めることが可能であり、求めた流量をもとに、流量調節弁７を制御して、所望の流量の改質ガスを水素精製装置５に供給することができる。また、水素精製装置５への供給開始後、少量から徐々に増していく流量についても、流量測定値ａ１とａ２の差として求められるため、流量を制御して徐々に増し、所望の流量の改質ガスを水素精製装置５に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の燃料電池発電装置において、改質器により得られた改質ガスを水素精製装置に供給する実施例について、以下の実施例１にて説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、実施例１に係る燃料電池発電装置の構成を示すものである。本燃料電池発電装置は、図２の従来技術に係る燃料電池発電装置と同様、燃料電池１、改質器２、一酸化炭素変成器９、バッファタンク８、圧縮機４、水素精製装置５、生成水回収装置３、流量調節弁７を備えるものであり、燃料電池１、改質器２などの構造、機能は従来技術に係る燃料電池発電装置のものと同様なものである。また、改質器２で得られた改質ガスをアノード１ｂに供給する主配管１０の分岐点１１に分岐配管１２が連結されていることも同様であり、改質ガスは分岐配管１２を通り水素精製装置５に供給される。
実施例１においても、流量計が使用されるが、その設置箇所は図２の従来技術とは異なる。従来技術の燃料電池発電装置では、流量計６は分岐配管１２に設置されたが、実施例１では、分岐点１１より改質器２側の主配管１０に第一流量計６１が設置され、また分岐点１１より燃料電池１側の主配管１０に第二流量計６２が設置される。第一流量計６１は、分岐点１１より改質器２側の主配管１０に設置されたものであり、改質ガスが、燃料電池１への供給用と、水素精製装置５への供給用に分配される前に、主配管１０を通る改質ガスの流量を測定する。第二流量計６２は、分岐点１１より燃料電池１側の主配管１０に設置されたものであり、主配管１０を通り、燃料電池１のアノード１ｂに供給される改質ガスの流量を測定する。したがって、第一流量計６１による流量測定値ａ１と、第二流量計６２による測定値ａ２の差ａ３（＝ａ１−ａ２）は、水素精製装置５への供給用に分配され、分岐配管１２を通り、水素精製装置５に供給される改質ガスの流量を示すものである。
【００１４】
流量制御装置１３は、第一流量計６１、第二流量計６２、流量制御弁７と信号線によって連結されたものであり、第一流量計６１による流量測定値ａ１と第二流量計６２による流量測定値ａ２から求められる両者の差ａ３をもとに、流量制御弁７を制御する。すなわち、流量制御装置１３は、燃料電池１の運転状態や水素精製装置５の処理能力などを考慮して設定された水素精製装置５に供給する流量ａ４をもとに、分岐配管１２を通る改質ガスの流量ａ３がａ４に一致するよう、流量制御弁７の開閉を調整する。
以上の燃料電池発電装置について、改質器２で得られた改質ガスを、燃料電池１と水素精製装置５に供給する実験を行った結果を以下に述べる。第一流量計６１、第二流量計６２として、ともに、測定流量範囲が６０〜１８０Ｎｍ3／ｈのカルマン渦流量計を用いた。流量調節弁７を閉じ、分岐配管１２に改質ガスが流れない状態で、改質ガスを１４０Ｎｍ3／ｈの流量で、燃料電池１のアノード１ｂに供給して、発電運転を行った。このとき、第一流量計６１よる流量測定値ａ１として１４０Ｎｍ3／ｈが、第二流量計６２による流量測定値ａ２として１４０Ｎｍ3／ｈがそれぞれ得られた。
次に、燃料電池１に改質ガスを供給して発電しながら、水素精製装置５に３０Ｎｍ3／ｈ、５０Ｎｍ3／ｈの改質ガスを供給する実験を行った。流量制御装置１３により、流量調節弁７を制御して、水素精製装置５への供給を開始し、徐々に、供給する流量を増した。流量調節弁７の制御は、分岐配管１２を流れる流量として、流量測定値ａ１とａ２から求めたａ３（＝ａ１−ａ２）をもとに行った。流量測定値ａ１は１４０Ｎｍ3／ｈであって変化は無いが、流量測定値ａ２は１４０Ｎｍ3／ｈから次第に減少した。さらに流量を増しながら、流量測定値ａ２が１１０Ｎｍ3／ｈとなるよう流量調節弁７を制御した。ａ２が１１０Ｎｍ3／ｈとなったのち、一定に保持することが可能であった。ａ２が１１０Ｎｍ3／ｈであることは、分岐配管１２を通り水素精製装置５に供給される改質ガスの流量が３０Ｎｍ3／ｈ（＝ａ１−ａ２）であることを示す。さらに、流量を増して、ａ２が１１０Ｎｍ3／ｈから９０Ｎｍ3／ｈになるよう流量調節弁７を制御した。ａ２が９０Ｎｍ3／ｈとなったのち、一定に保持することが可能であった。ａ２が９０Ｎｍ3／ｈ一定で保持されたことは、５０Ｎｍ3／ｈ（＝ａ１−ａ２）の改質ガスが水素精製装置５に供給されたことを示す。
【００１５】
以上のように、流量測定値ａ１、ａ２をもとに、流量調節弁７を制御することにより、３０Ｎｍ3／ｈ、５０Ｎｍ3／ｈの改質ガスを一定に保持して、水素精製装置５に供給することが可能であった。なお、実施例１では、第一流量計６１、第二流量計６２を用いたが、主配管１０に設置した第一流量計６１、第二流量計６２に加えて、第三の流量計を分岐配管１２に設置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池発電装置の構成を表す図
【図２】従来技術の燃料電池発電装置の構成を表す図
【符号の説明】
【００１７】
１      燃料電池
１ａ    カソード（空気極）
１ｂ    アノード（燃料極）
１ｃ    冷却板
２      改質器
２ａ    改質器バーナー
２ｂ    改質触媒層
３      生成水回収装置
４      圧縮機
５      水素精製装置
６      流量計
６１    第一流量計
６２    第二流量計
７      流量調節弁
８      バッファタンク
９      一酸化炭素変成器
１０    主配管
１１    分岐点
１２    分岐配管
１３    流量制御装置
【図１】
2009080944.tif 000003
【図２】
2009080944.tif 000004