(57)【要約】【課題】燃料ガスの圧力変動や流量変動を効果的に抑制可能な燃料電池用燃料ガス供給装置を提供する。【解決手段】燃料電池用燃料ガス供給装置が，供給ラインから供給される炭化水素系の燃料ガスの流量を計測する流量計測手段と，前記流量計測手段から流出する燃料ガスの圧力変動及び流量変動を抑える調圧手段と，前記調圧手段から流出する燃料ガスを加圧する燃料ポンプと，前記流量計測手段での計測結果に対応して，前記燃料ポンプの動作を制御する燃料ポンプ制御手段と，を具備する。 【選択図】図１
2009301971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給ラインから供給される炭化水素系の燃料ガスの流量を計測する流量計測手段と，
前記流量計測手段から流出する燃料ガスの圧力変動及び流量変動を抑える調圧手段と，
前記調圧手段から流出する燃料ガスを加圧する燃料ポンプと，
前記流量計測手段での計測結果に対応して，前記燃料ポンプの動作を制御する燃料ポンプ制御手段と，
を具備することを特徴とする燃料電池用燃料ガス供給装置。
【請求項２】
前記供給ラインと前記燃料ポンプとの間に配置され，前記燃料ガスの圧力を所定の圧力近傍に安定化させる圧力安定化手段
をさらに具備する請求項１記載の燃料電池用燃料ガス供給装置。
【請求項３】
前記燃料ポンプで加圧された燃料ガスと，水蒸気と，を混合するミキシングチャンバと，
前記ミキシングチャンバで水蒸気と混合された燃料ガスを改質する改質処理装置と，
をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用燃料ガス供給装置。
【請求項４】
前記調圧手段が，燃料ガスに含有される硫黄成分を除去する脱硫機能を有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用燃料ガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，燃料電池に燃料ガスを供給する燃料電池用燃料ガス供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池は，固体酸化物を用いて，燃料ガスと酸素を反応させて，電力を発生する。ここで，固体酸化物形燃料電池に燃料ガスを供給するための技術が開示されている（特許文献１，２参照）。特許文献１記載の技術では，燃料電池の燃料ガス供給ラインに，流量制御器，バッファタンク，ポンプを設置する。燃料ガスの供給量を流量制御器によって制御することで，燃料ガスの圧力変動や流量変動を抑制する。特許文献２記載の技術では，ポンプ動作量とポンプの下流に設置した流量計の値との相関から燃料電池へ供給するガス流量を制御する。
【特許文献１】特開２００６−２６０８７４号公報
【特許文献２】特開２００２−３５８９９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら，特許文献１，２記載の技術では，ポンプの下流での圧力変動の抑制が必ずしも十分とはいえない。固体酸化物形燃料電池では，燃焼ガス改質用水の気化や燃焼器での未燃ガスの燃焼に伴う圧力変動が有り得る。
また，特許文献１，２記載の技術において，ポンプ下流に脈動抑制のための容器を配置しているが，ポンプ下流に調圧容器を設置する場合はポンプ上流に設置する場合よりも容器体積が大きくなり，発電システムが大きくなる。さらにポンプ下流に設置する容器の容量が大きいと，燃料電池の発電に必要な流量を供給する際のロスになりうる。
上記に鑑み，本発明は，燃料ガスの圧力変動や流量変動を効果的に抑制可能な燃料電池用燃料ガス供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様に係る燃料電池用燃料ガス供給装置は，供給ラインから供給される炭化水素系の燃料ガスの圧力を所定の圧力近傍に安定化させる圧力安定化手段と，前記圧力が安定化された燃料ガスの流量を計測する流量計測手段と，前記流量計測手段から流出する燃料ガスの圧力変動及び流量変動を抑える調圧手段と，前記調圧手段から流出する燃料ガスを加圧する燃料ポンプと，前記流量計測手段での計測結果に対応して，前記燃料ポンプの動作を制御する燃料ポンプ制御手段と，を具備することを特徴とする。即ち，燃料ガスの圧力安定化手段と，流量計測手段と，調圧手段とを燃料ポンプの燃料供給ライン上流側に順に設置し，燃料ポンプの動作を制御する。この結果，燃料ポンプの下流での燃焼ガスの圧力変動，流量変動を抑制できる。
【０００５】
（１）燃料電池用燃料ガス供給装置が，前記燃料ポンプで加圧された燃料ガスと，水蒸気と，を混合するミキシングチャンバと，前記ミキシングチャンバで水蒸気と混合された燃料ガスを改質する改質処理装置と，をさらに具備しても良い。ミキシングチャンバによって，例えば，改質用水の気化および燃焼器での未燃ガスの燃焼に伴う圧力変動を抑制できる。
【０００６】
（２）前記調圧手段が，燃料ガスに含有される硫黄成分を除去する脱硫機能を有しても良い。燃料ガスが硫黄成分を含む場合，燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する機能を前記調圧器に具備させることで，燃料電池発電システムの構造のコンパクト化が可能になる。
【０００７】
なお，燃料ポンプの上流に脱硫機能を備えることで，燃料ポンプの劣化を防止することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば，燃料ガスの圧力変動や流量変動を効果的に抑制可能な燃料電池用燃料ガス供給装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムを表す図である。この燃料電池発電システムは，燃料電池スタック１，発電制御装置２，改質処理装置３，弁４，ゼロガバナ５，流量計測手段６，バッファタンク７，燃料ポンプ８，燃料ポンプ制御手段９，改質用水送液ポンプ１０，ミキシングチャンバ１１，酸化剤ガス流量計測手段１２，酸化剤ガスブロワ１３，燃焼器１４，オフガス排出ライン１５，断熱容器１６，ＤＣ−ＡＣインバータ１７，ＡＣ電流出力ライン１８を有する。
【００１０】
燃料電池スタック１は，複数個の発電セルが積層されて構成され，燃料ガスと酸化剤ガスが供給されることで発電が可能となる。発電制御装置２が燃料電池スタック１での発電量を制御する。燃料ガスは燃料ガス供給ライン上にある改質処理装置３により改質されて，燃料電池スタック１に供給される。酸化剤ガスは，酸化剤ガス流量計測手段１２，酸化剤ガスブロワ１３を経由して，燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１で，燃料ガスと酸化剤ガスが反応することで，発電がなされる。発電された電力は，ＤＣ−ＡＣインバータ１７で，ＤＣ−ＡＣ変換され，ＡＣ電流として，ＡＣ電流出力ライン１８から出力される。燃料電池スタック１で未反応の燃焼ガス（未燃ガス）は，燃焼器１４で燃焼され，排ガス（オフガス）として，オフガス排出ライン１５から断熱容器１６の外へ流出される。
【００１１】
燃料電池スタック１と改質処理装置３は，同一の断熱容器１６内に収納され，起動時に，断熱容器１６内の加熱手段で加熱されることで，発電機能及び改質処理機能を発揮する。この加熱手段は，図示しないが，例えば，電気ヒータやガスバーナーを利用できる。但し，他の加熱手段を適宜に利用しても良い。
【００１２】
燃料ガス供給ラインの最上流には弁４が設けられ，この弁４の開閉は発電制御装置２が制御する。弁４と燃料電池スタック１の間の燃料ガス供給ラインには燃料ガスを加圧する燃料ポンプ８があり，燃料ガス（低圧の炭化水素系ガス（都市ガス，天然ガスなど））を燃料電池スタック１に供給する。燃料ポンプ８としては，小型で安価なものとしてダイアフラム式ポンプやベローズポンプを利用できる。
【００１３】
ここで，燃料ポンプ８から供給される燃料ガスに流量や圧力の変動が生じる可能性が有る。例えば，容積式ポンプ（ダイアフラム式ポンプやベローズポンプ）は，原理的に脈動を発生させ，供給する燃料ガスの流量や圧力が変動する。燃料ポンプ８から燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの流量変動や圧力変動は，改質処理装置３でのカーボンの析出や，発電そのものの不安定の原因となる。
【００１４】
弁４と燃料ポンプ８の間に，ゼロガバナ５，流量計測手段６，バッファタンク７とを上流から順に配置し，燃料ポンプ８等に起因する流量変動や圧力変動を抑制する。
ゼロガバナ５は，燃料ポンプ８に入る前の燃料ガスの圧力（二次圧）を大気圧近傍に安定化するものであり（弁４から供給される燃料ガスの元圧（一次圧）に依存しない），燃料ガスの圧力を所定の圧力近傍に安定化させる圧力安定化手段として機能する。供給される燃料ガスとしては，都市ガスなどの低圧ガスがあるが，その供給圧力は，２±１ｋＰａＧの間で不安定である。このため，供給圧力が変動するよりも大気圧で安定している方が特に低負荷時の発電に燃料ポンプ８の運転に必要な電力を抑制しつつ，必要な燃料流量制御が容易となる。
【００１５】
尚，二次圧は，必ずしも大気圧である必要はない。即ち，ゼロガバナ５に換えて，元圧（一次圧）よりも低い所定の圧力に圧力（二次圧）を安定化するガバナや圧力安定化手段を用いることができる。また，例えば，弁４から供給される燃料ガスの圧力がある程度安定な場合，ゼロガバナ５を省略することも可能である。
【００１６】
図２は，ゼロガバナ５の内部構成の一例を表す模式図である。図２に示すゼロガバナ５は，弁５１，ダイヤフラム５２，弾性手段５３，調節機構５４を有する。弁５１は，ガス通路の開度を調整する。ダイヤフラム５２は，大気圧Ｐｔと二次圧Ｐ２の圧力差に応じて変形することで，弁５１を開閉する。弾性手段５３は，例えば，スプリングであり，弁５１およびダイヤフラム５２を支持する。調節機構５４は，弾性手段５３の支持の強度，即ち，ゼロガバナ５の感度を調節する。一次圧Ｐ１の変動に基づいて，弁５１が開閉され，二次圧Ｐ２が大気圧Ｐｔに保たれる。例えば，一次圧Ｐ１が上昇したときには，その圧力変動に伴って，二次圧Ｐ２も上昇する。この圧力変動に伴って，弁５１が下方に移動し，二次圧Ｐ２を下降させて，大気圧Ｐｔになるように調整する。このようにして，一次圧Ｐ１が変動した場合においても，二次圧Ｐ２が大気圧Ｐｔになるように調整される。
【００１７】
ここで，仮に，燃料ポンプ８の上流にゼロガバナ５とバッファタンク７を設置して，燃料ポンプ８の下流に，流量計測手段６のみを配置する場合を考える。この場合，燃料ポンプ８の下流での流量や圧力の変動に起因して，流量計測手段６での計測結果が不安定になり易い。また，バッファタンク７によって，燃料ポンプ８での脈動，即ち，流量変動や圧力変動が低減される。また，流量変動の低減により，流量計測手段６での指示値も安定化される。
【００１８】
この流量計測手段６の指示値を取り込み，燃料ポンプ８の動作量を制御する燃料ポンプ制御手段９が発電制御装置２に組み込まれている。燃料ポンプ制御手段９が流量計測手段６の計測結果に基づき，燃料ポンプ８を制御することで，燃料ポンプ８からの燃料ガスの供給が安定化する。例えば，流量計測手段６の指示値が所望の流量値になるように，燃料ポンプ８を制御する。
【００１９】
この所望の流量値は，燃料電池スタック１に供給される燃料ガス流量（正確には，燃料ポンプ８の燃料ガス吸込量）に対応している。所望の流量値を変更することで，燃料電池発電システムの発電量の制御が可能となる。
【００２０】
燃料ポンプ制御手段９が，負荷変動および燃料電池スタック１や改質処理装置３の温度に応じて，燃料ポンプ８の動作量を変更しても良い。燃料ポンプ８の消費電力の抑制が可能となる。
【００２１】
改質処理装置３は改質触媒を有し，燃料ガスを水蒸気改質する。水蒸気改質のために必要な水は，改質用水送液ポンプ１０から送られて，断熱容器１６内で水蒸気化される。水蒸気化された水は燃料ポンプ８と燃料電池スタック１の間に配置されるミキシングチャンバ１１内で炭化水素系燃料ガスと混合されて，改質処理装置３へ送られる。
【００２２】
改質用水送液ポンプ１０によって送り込まれる水が気化する際に，圧力変動が生じる。また，燃料電池スタック１の下流にある未燃ガスを燃焼処理する燃焼器１４で，燃焼に伴う圧力変動が生じ，上流側へも影響を及ぼす。ミキシングチャンバ１１がある程度の容積を有すれば，これらの圧力変動を抑制できる。このため，ミキシングチャンバ１１を用いることで，改質処理装置３に安定した流量と圧力で水蒸気混合ガスを送ることが可能になる。
【００２３】
流量計測手段６としては，熱線式質量流量計や差圧式流量計などを利用できる。但し，他の計測手段を適宜に利用できる。
【００２４】
燃料ポンプ制御手段９は，例えば，ＰＩＤ制御により燃料ポンプ８の動作を制御する。但し，流量計測手段６の指示値を所望の値に制御可能であれば，制御の手法は問われない。
【００２５】
バッファタンク７の内部構造について記す。図３Ａ〜図３Ｃはそれぞれ，バッファタンク７の内部構造の一例を表す断面図である。バッファタンク７に入口側配管７１，出口側配管７２が接続され，必要に応じて，その内部に羽根板７３が配置される。
【００２６】
バッファタンク７は容積が大きいほど脈動抑制の効果が得られる。但し，図３Ａに示すように，バッファタンク内部に羽根板７３を配置し，流路を形成することで，バッファタンク７のコンパクト化が可能となる。
【００２７】
図３Ｂに示すように，入口側配管７１と出口側配管７２を互い違いに（同軸とならないように）配置することで，脈動流を抑制し，バッファタンク７のコンパクト化が可能となる。
【００２８】
さらに，図３Ｃに示すように，バッファタンク７内に羽根板７３を配置し，かつ入口側配管７１と出口側配管７２を互い違いに配置しても良い。バッファタンク７のさらなるコンパクト化が可能となる。
【００２９】
ここで，バッファタンク７に脱硫機能を持たせ，炭化水素系ガスに含有される硫黄成分を除去し，燃料ポンプ８及び改質処理装置３へと送ることが可能になる。例えば，都市ガスでは，臭い付けのため，硫黄成分を添加することがあり，燃料電池アノード材料，改質触媒および燃料ポンプ８の劣化の原因となる。燃料ポンプ８の上流で，炭化水素系ガスの硫黄成分を除去することで，改質触媒および燃料ポンプ８の部品の劣化を防止できる。この結果，燃料電池発電システムの耐久性の向上が図れる。
【００３０】
この場合，例えば，図４に示すように，バッファタンク７内に脱硫触媒７４を充填する。この脱硫触媒７４は粒状あるいは粉体状であり，脱硫触媒７４が充填された構造自体が脈動を抑えるための効果を発揮する。バッファタンク７内の出口側に，脱硫触媒７４の流出防止のため，フィルタカバー７５を設けている（図示しないがバッファタンクの入口側にも同様のフィルタを設けている）。脱硫触媒７４としてはゼオライト系や酸化マンガン系などを利用できる。バッファタンク７に脱硫機能を発揮する脱硫触媒が少なくとも１種類以上充填されていれば，バッファタンク７が脱硫機能を有すると言える。
【００３１】
本実施形態では，燃料ガスの供給を制御し，燃料電池発電システムの安定動作が可能になる。また，燃料ガスを脱硫することで，燃料電池発電システムの耐久性の向上が図れる。
【００３２】
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システムを表す図である。
【図２】ゼロガバナ５の内部構成の一例を表す模式図である。
【図３Ａ】バッファタンク７の内部構成の一例を表す断面図である。
【図３Ｂ】バッファタンク７の内部構成の一例を表す断面図である。
【図３Ｃ】バッファタンク７の内部構成の一例を表す断面図である。
【図４】脱硫機能を持たせたバッファタンク７の内部構成の一例を表す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池スタック
２  発電制御装置
３  改質処理装置
４  弁
５  ゼロガバナ
６  流量計測手段
７  バッファタンク
８  燃料ポンプ
９  燃料ポンプ制御手段
１０  改質用水送液ポンプ
１１  ミキシングチャンバ
１２  酸化剤ガス流量計測手段
１３  酸化剤ガスブロワ
１４  燃焼器
１５  オフガス排出ライン
１６  断熱容器
１７  ＤＣ−ＡＣインバータ
１８  ＡＣ電流出力ライン
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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