JP2008084822A - Fuel cell device - Google Patents

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JP2008084822A JP2007045613A JP2007045613A JP2008084822A JP 2008084822 A JP2008084822 A JP 2008084822A JP 2007045613 A JP2007045613 A JP 2007045613A JP 2007045613 A JP2007045613 A JP 2007045613A JP 2008084822 A JP2008084822 A JP 2008084822A
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晋平 白石
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell device capable of improving the power generation efficiency by supplying fuel gas of an optimum flow rate. <P>SOLUTION: This fuel cell device comprises a solid electrolyte fuel cell 31, and a fuel gas supplying device 33 for supplying hydrogen to the solid electrolyte fuel cell 31. The fuel gas supplying device 33 comprises a reformer 53 for reforming hydrocarbon gas to hydrogen, a pump 45 for supplying hydrocarbon gas to the reformer 53, and a relief valve 51 which opens at a pressure greater than the gas pressure on the upstream side, or a zero governor 61 which adjusts the gas pressure on the downstream side to the atmospheric pressure, disposed at the upstream side of the pump 45. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置とを具備する燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell device including a fuel cell and a fuel gas supply device for supplying fuel gas to the fuel cell.

従来、固体電解質形燃料電池は、例えば都市ガスから生成した水素を燃料電池セルに供給して、酸素と化学反応させることによって発電しながら、同時に発生する熱エネルギを給湯に利用して、全体として高いエネルギ効率を実現しようとするものである。ここで、都市ガスから水素を生成するためには、適当な触媒を入れた改質器と呼ばれるリアクタが必要である。   Conventionally, solid oxide fuel cells, for example, supply hydrogen generated from city gas to a fuel cell and generate electricity by chemically reacting with oxygen, while using the generated thermal energy for hot water supply as a whole. It is intended to achieve high energy efficiency. Here, in order to generate hydrogen from city gas, a reactor called a reformer containing an appropriate catalyst is required.

高温に維持した改質器に都市ガス、水蒸気を送り込むと、化学反応により水素リッチなガスを得ることができる。この水素リッチなガスを固体電解質形燃料電池の燃料側電極に、空気を燃料電池の酸素側電極に供給することで、化学反応によって電気エネルギを得ることができる。   When city gas and water vapor are fed into a reformer maintained at a high temperature, a hydrogen-rich gas can be obtained by a chemical reaction. By supplying this hydrogen-rich gas to the fuel-side electrode of the solid oxide fuel cell and air to the oxygen-side electrode of the fuel cell, electric energy can be obtained by a chemical reaction.

従来、都市ガス管を燃料電池に接続し、都市ガス管と燃料電池との間にポンプを設け、ポンプを定格条件で運転させることによって都市ガスを昇圧し、一定圧力で圧送することにより燃料電池へ供給していた（例えば、特許文献１参照）。   Conventionally, a city gas pipe is connected to a fuel cell, a pump is provided between the city gas pipe and the fuel cell, the city gas is boosted by operating the pump under rated conditions, and the fuel cell is pumped at a constant pressure. (See, for example, Patent Document 1).

このような燃料電池装置では、図５に示すように、都市ガスは、２つの電磁弁１１、脱硫容器１３、昇圧ポンプ１５、バッファ１７、ガス流量計１９、改質器２０を介して固体高分子形燃料電池２１に供給されていた。   In such a fuel cell apparatus, as shown in FIG. 5, the city gas passes through two solenoid valves 11, a desulfurization vessel 13, a booster pump 15, a buffer 17, a gas flow meter 19, and a reformer 20. It was supplied to the molecular fuel cell 21.

このような燃料電池装置では、改質器２０に供給された都市ガスの流量（以降、都市ガス供給量と呼ぶ）を計測したガス流量計１９は、電気信号として制御装置２５に出力し、制御装置２５は、所定量発電するのに要する都市ガス要求量の信号に応じて、都市ガス供給量が都市ガス要求量になるようにポンプ１５の運転を制御し、所定量の都市ガスを改質器２０で改質して所定量の水素を燃料電池２１に供給することができる。
特開２００２−３５８９９０号公報 In such a fuel cell device, the gas flow meter 19 that measures the flow rate of the city gas supplied to the reformer 20 (hereinafter referred to as city gas supply amount) outputs it to the control device 25 as an electrical signal for control. The device 25 controls the operation of the pump 15 so that the city gas supply amount becomes the city gas requirement amount in accordance with the signal of the city gas requirement amount required for generating the predetermined amount of electricity, and reforms the predetermined amount of city gas. A predetermined amount of hydrogen can be supplied to the fuel cell 21 by reforming in the vessel 20.
JP 2002-358990 A

しかしながら、都市ガスの供給圧力を都市ガスの元圧（１．５〜３．０ｋＰａ）よりも低い圧力で供給しても所定の発電量が得られる場合がある。例えば、夜中等は使用電力が少ないため、都市ガスの元圧よりも低い圧力で少量供給しても十分に使用電力を賄える。   However, even if the supply pressure of the city gas is supplied at a pressure lower than the original pressure (1.5 to 3.0 kPa) of the city gas, a predetermined power generation amount may be obtained. For example, since the amount of power used is low at night, etc., even if a small amount is supplied at a pressure lower than the original pressure of the city gas, the power used can be sufficiently covered.

このような場合であっても、上記燃料電池装置の燃料ガス供給装置によれば、都市ガスの流量を最小に絞るとしても昇圧ポンプを停止するしかなく、この場合には都市ガスの元圧と大気圧との圧力差による流れが最低流量となり、それ以下の流量制御は不可能であった。その結果、無駄に多くの都市ガスを使用する一方で、発電量は微量となり、発電効率が悪化するという問題があった。   Even in such a case, according to the fuel gas supply device of the fuel cell device, even if the flow rate of the city gas is reduced to the minimum, the booster pump must be stopped. The flow due to the pressure difference from the atmospheric pressure was the minimum flow rate, and flow control below that was impossible. As a result, there is a problem in that while a large amount of city gas is wasted, the amount of power generation becomes very small and the power generation efficiency deteriorates.

固体高分子形燃料電池では、所定量の燃料ガスに対する発電量、いわゆる発電効率が理論的に低いため、所定の発電量を得るために、都市ガスの元圧（１．５〜３．０ｋＰａ）よりも高い圧力で都市ガスを常時供給する場合が多いが、固体酸化物形燃料電池は、所定量の燃料ガスに対する発電量が高分子形燃料電池よりも非常に多く、発電効率が高いため、例えば、夜中等は使用電力が少ないため、都市ガスの元圧よりも低い圧力で少量供給しても十分に使用電力を賄える。   In the polymer electrolyte fuel cell, the power generation amount for a predetermined amount of fuel gas, so-called power generation efficiency is theoretically low, so that the original pressure of city gas (1.5 to 3.0 kPa) is used to obtain the predetermined power generation amount. In many cases, city gas is constantly supplied at a higher pressure than a solid oxide fuel cell, but the amount of power generated for a given amount of fuel gas is much higher than that of polymer fuel cells, and power generation efficiency is high. For example, since the amount of power used is low at night, etc., even if a small amount is supplied at a pressure lower than the original pressure of the city gas, the power used can be sufficiently covered.

特に、家庭用の固体酸化物形燃料電池を負荷変動運転する場合には、例えば、夜中等は使用電力が少ないため、都市ガス使用量の割には電力使用量は少なく、発電効率が低下するという問題があった。   In particular, when a home-use solid oxide fuel cell is subjected to load fluctuation operation, for example, the amount of power used is small during the night, so the amount of power used is small for the amount of city gas used, and the power generation efficiency decreases. There was a problem.

本発明は、最適流量の燃料ガスを供給して、発電効率を向上できる燃料電池装置を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the fuel cell apparatus which can supply the fuel gas of the optimal flow volume and can improve a power generation efficiency.

本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池に水素を供給するための燃料ガス供給装置とを具備する燃料電池装置であって、前記燃料ガス供給装置が、炭化水素ガスを水素に改質する改質器と、該改質器に炭化水素ガスを供給するためのポンプと、前記炭化水素ガスの前記改質器への供給圧を前記炭化水素ガスの元圧よりも下げる供給圧調整器とを具備することを特徴とする。   The fuel cell device of the present invention is a fuel cell device comprising a fuel cell and a fuel gas supply device for supplying hydrogen to the fuel cell, wherein the fuel gas supply device converts hydrocarbon gas into hydrogen. A reformer for reforming, a pump for supplying hydrocarbon gas to the reformer, and a supply pressure for lowering the supply pressure of the hydrocarbon gas to the reformer below the original pressure of the hydrocarbon gas And a regulator.

このような燃料電池装置では、例えば、都市ガス、プロパンガス等の炭化水素ガスの前記改質器への供給圧を前記炭化水素ガスの元圧よりも下げる供給圧調整器を具備するため、供給圧調整器よりも下流側では、本来有していた炭化水素ガスの元圧よりも低い圧力で炭化水素ガスが改質器に供給されるため、都市ガス等の低流量の供給制御が可能となる。   In such a fuel cell device, for example, a supply pressure regulator for lowering the supply pressure of the hydrocarbon gas such as city gas and propane gas to the reformer is lower than the original pressure of the hydrocarbon gas. On the downstream side of the pressure regulator, the hydrocarbon gas is supplied to the reformer at a pressure lower than the original pressure of the hydrocarbon gas that it originally had, so it is possible to control supply of a low flow rate such as city gas. Become.

また、本発明の燃料電池装置は、前記供給圧調整器は、リリーフ弁又はゼロガバナであり、前記ポンプのガス上流側に設けられていることを特徴とする。リリーフ弁は、ガス上流側のガス圧よりも大きな圧力で開く弁であり、ゼロガバナは、下流側のガス圧を大気圧に調整するものである。   In the fuel cell device of the present invention, the supply pressure regulator is a relief valve or a zero governor, and is provided on the gas upstream side of the pump. The relief valve is a valve that opens at a pressure higher than the gas pressure on the gas upstream side, and the zero governor adjusts the gas pressure on the downstream side to atmospheric pressure.

このような燃料電池装置では、例えば、都市ガス、プロパンガス等の炭化水素ガスは、ポンプにて吸引され改質器に供給され、この改質器にて水素に改質され、燃料電池に供給され、酸素含有ガスと水素を用いて発電することになる。そして、ポンプのガス上流側にはリリーフ弁が設けられ、このリリーフ弁は、リリーフ弁よりもガス上流側のガス圧よりも大きな圧力で開くように設定されている。言い換えれば、ポンプの吸入側にガス元圧より大きな圧力で開くように設定されたリリーフ弁を備えている。これにより、ポンプを稼働し、リリーフ弁よりもガス下流側にガス元圧より大きな圧力が掛からないと都市ガス等の炭化水素ガスが流れないため、さらに言い替えると、ポンプが稼働しない限り都市ガス等の炭化水素ガスが流れないため、炭化水素ガスの低流量の供給制御が可能となる。   In such a fuel cell device, for example, a hydrocarbon gas such as city gas or propane gas is sucked by a pump and supplied to a reformer, reformed to hydrogen by this reformer, and supplied to the fuel cell. Then, power is generated using oxygen-containing gas and hydrogen. A relief valve is provided on the gas upstream side of the pump, and the relief valve is set to open at a pressure larger than the gas pressure on the gas upstream side of the relief valve. In other words, a relief valve set to open at a pressure larger than the gas source pressure is provided on the suction side of the pump. As a result, hydrocarbon gas such as city gas does not flow unless the pump is operated and pressure greater than the gas source pressure is applied downstream from the relief valve. In other words, city gas, etc. unless the pump is activated Since the hydrocarbon gas does not flow, it is possible to control supply of the hydrocarbon gas at a low flow rate.

具体的には、ガス元圧は１．５〜３．０ｋＰａであるので、リリーフ弁の設定は、それよりも大きく、例えば３．５〜６ｋＰａ程度とすることが適正である。リリーフ弁は、後述するゼロガバナと比較して、構造が簡素であるため、安価であり、このため燃料電池装置を安価に作製できる。   Specifically, since the gas source pressure is 1.5 to 3.0 kPa, it is appropriate that the relief valve is set larger than that, for example, about 3.5 to 6 kPa. Since the relief valve has a simple structure as compared with the zero governor described later, the relief valve is inexpensive, and therefore, the fuel cell device can be manufactured at a low cost.

一方、ポンプのガス上流側にゼロガバナが設けられている場合について説明する。このゼロガバナは二次側の圧力を大気圧に減圧するもので、言い換えれば、ゼロガバナのガス上流側はガス元圧１．５〜３．０ｋＰａとされ、下流側（ポンプの吸入側）は、常に大気圧に維持されるため、都市ガス等の炭化水素ガスの元圧に影響されることなく、ポンプの吸引により炭化水素ガスの低流量の供給制御が可能となる。   On the other hand, a case where a zero governor is provided on the gas upstream side of the pump will be described. This zero governor reduces the pressure on the secondary side to atmospheric pressure. In other words, the gas upstream side of the zero governor has a gas source pressure of 1.5 to 3.0 kPa, and the downstream side (pump suction side) is always Since the atmospheric pressure is maintained, it is possible to control the supply of the hydrocarbon gas at a low flow rate by sucking the pump without being affected by the original pressure of the hydrocarbon gas such as city gas.

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記供給圧調整器は、電磁弁と、該電磁弁を迂回し、下流側のガス圧を前記炭化水素ガスの元圧よりも下げる抵抗管とからなることを特徴とする。このような燃料電池装置では、電磁弁は炭化水素ガスの供給路を開閉するものであり、電磁弁が閉じて供給路が遮断され、炭化水素ガスが、電磁弁を迂回する抵抗管を通過し、炭化水素ガスの改質器への供給圧が炭化水素ガスの元圧よりも下げられ、都市ガス等の炭化水素ガスの低流量の供給制御が可能となる。   Further, in the fuel cell device of the present invention, the supply pressure regulator includes an electromagnetic valve and a resistance pipe that bypasses the electromagnetic valve and lowers the downstream gas pressure below the original pressure of the hydrocarbon gas. It is characterized by. In such a fuel cell device, the solenoid valve opens and closes the hydrocarbon gas supply path, the solenoid valve is closed and the supply path is shut off, and the hydrocarbon gas passes through a resistance pipe that bypasses the solenoid valve. The supply pressure of the hydrocarbon gas to the reformer is lowered below the original pressure of the hydrocarbon gas, and the supply control of the hydrocarbon gas such as city gas at a low flow rate becomes possible.

また、本発明の燃料電池装置は、前記供給圧調整器は減圧弁からなり、前記ポンプのガス上流側に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池装置では、減圧弁により、炭化水素ガスの改質器への供給圧が炭化水素ガスの元圧よりも下げられ、都市ガス等の炭化水素ガスの低流量の供給制御が可能となる。   In the fuel cell device of the present invention, the supply pressure regulator includes a pressure reducing valve and is provided on the gas upstream side of the pump. In such a fuel cell device, the supply pressure of the hydrocarbon gas to the reformer is lowered from the original pressure of the hydrocarbon gas by the pressure reducing valve, and supply control of hydrocarbon gas such as city gas at a low flow rate is possible. It becomes.

また、本発明の燃料電池装置は、前記改質器に供給される炭化水素ガス量を測定するガス流量計と、炭化水素ガス中の硫黄を除去する脱硫器とを具備するとともに、前記供給圧調整器のガス下流側に前記脱硫器が設けられ、該脱硫器のガス下流側に前記ガス流量計が設けられていることを特徴とする。   The fuel cell device of the present invention comprises a gas flow meter for measuring the amount of hydrocarbon gas supplied to the reformer, and a desulfurizer for removing sulfur in the hydrocarbon gas, and the supply pressure The desulfurizer is provided on the gas downstream side of the regulator, and the gas flow meter is provided on the gas downstream side of the desulfurizer.

ポンプが稼働すると、例えば、リリーフ弁からなる供給圧調整器の二次側（ガス下流側）の圧力が下がり、リリーフ弁が開となる。リリーフ弁が開となると、リリーフ弁の一次側（ガス上流側）と二次側（ガス下流側）が均圧化し、リリーフ弁が閉となる。リリーフ弁が閉となると、再び、ポンプの吸引により、リリーフ弁の二次側の圧力が下がり、リリーフ弁が開となる。この動作を繰り返すため、リリーフ弁の二次側近傍ではガス流量に変動が生じ、ガス流量計での計測が不安定となる。ガス流量計の計測が不安定となると、このガス流量計からの信号を受けた制御装置によるポンプの駆動制御が不安定となり、改質器へのガス供給が不安定となる。この現象は、ゼロガバナ等の他の供給圧調整器であっても同様に生じる。   When the pump is operated, for example, the pressure on the secondary side (gas downstream side) of the supply pressure regulator composed of the relief valve is lowered, and the relief valve is opened. When the relief valve is opened, the pressure is equalized on the primary side (gas upstream side) and the secondary side (gas downstream side) of the relief valve, and the relief valve is closed. When the relief valve is closed, the pressure on the secondary side of the relief valve is lowered again by the suction of the pump, and the relief valve is opened. Since this operation is repeated, the gas flow rate fluctuates near the secondary side of the relief valve, and the measurement with the gas flow meter becomes unstable. When the measurement of the gas flow meter becomes unstable, the drive control of the pump by the control device that receives the signal from the gas flow meter becomes unstable, and the gas supply to the reformer becomes unstable. This phenomenon occurs similarly in other supply pressure regulators such as a zero governor.

本願発明では、内容積の大きな脱硫器がリリーフ弁（ゼロガバナ）とガス流量計との間にあるため、リリーフ弁（ゼロガバナ）の二次側近傍での流量の変動は、脱硫器のバッファ効果で流量がほぼ均一化された後、ガス流量計に供給されるため、ガス流量計によりガス流量を適正に感知でき、ガスの流量制御をより正確に行なうことができる。   In the present invention, since a desulfurizer with a large internal volume is located between the relief valve (zero governor) and the gas flow meter, fluctuations in the flow rate near the secondary side of the relief valve (zero governor) are caused by the buffer effect of the desulfurizer. After the flow rate is substantially equalized, it is supplied to the gas flow meter, so that the gas flow rate can be properly sensed by the gas flow meter, and the gas flow rate can be controlled more accurately.

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記ポンプが前記ガス流量計のガス下流側に設けられていることを特徴とする。ポンプ、特にダイヤフラム方式のポンプの吐出側では、流量変動が大きく、ガス流量計にて計測するには、その間にバッファを配置し、流れを均一化する必要があるが、本発明の燃料電池装置では、ポンプの吸入側では、ガス流量計の前に内容積の大きな脱硫器があるため、流れは均一化され、バッファ等を別途設ける必要がなく、安価に、精度良く、流量制御が可能となる。尚、ポンプの吐出側に脱硫器を配置し、その後ろにガス流量計を配置する方法も考えられるが、脱硫器の容量が大きすぎるため、昇圧ポンプの動作を変化させてもガス流量計でその変化を感知できるまで、時差が生じ、流量制御が正しく行なえない。   Furthermore, the fuel cell device of the present invention is characterized in that the pump is provided on the gas downstream side of the gas flow meter. On the discharge side of a pump, particularly a diaphragm type pump, the flow rate fluctuation is large, and in order to measure with a gas flow meter, it is necessary to arrange a buffer between them to make the flow uniform, but the fuel cell device of the present invention Then, on the suction side of the pump, there is a desulfurizer with a large internal volume in front of the gas flow meter, so the flow is made uniform, there is no need to provide a separate buffer, etc., and flow control can be performed with low cost and high accuracy. Become. Although a method of arranging a desulfurizer on the discharge side of the pump and a gas flow meter behind it is conceivable, the capacity of the desulfurizer is too large, so even if the operation of the booster pump is changed, the gas flow meter Until the change can be sensed, a time difference occurs and the flow rate cannot be controlled correctly.

また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする。固体酸化物形燃料電池は、所定量の燃料ガスに対する発電量が高分子形燃料電池よりも非常に多く、発電効率が高いため、例えば、夜中等は使用電力が少ないため、都市ガスの元圧よりも低い圧力で少量供給しても十分に使用電力を賄える場合がある。本発明の燃料電池装置では、炭化水素ガスの改質器への供給圧が炭化水素ガスの元圧よりも下げられ、都市ガス等の炭化水素ガスの低流量の供給制御が可能となるため、固体酸化物形燃料電池に好適に用いることができる。   In the fuel cell device of the present invention, the fuel cell is a solid oxide fuel cell. Solid oxide fuel cells generate much more power than a polymer fuel cell for a given amount of fuel gas and have higher power generation efficiency. Even if a small amount is supplied at a lower pressure, there may be a case where sufficient power can be supplied. In the fuel cell device of the present invention, the supply pressure of the hydrocarbon gas to the reformer is lowered from the original pressure of the hydrocarbon gas, and supply control of a low flow rate of hydrocarbon gas such as city gas becomes possible. It can be suitably used for a solid oxide fuel cell.

また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池及び前記改質器が収納容器内に収容されていることを特徴とする。このような燃料電池装置では、改質器から固体電解質形燃料電池までの間に流量制御装置等を設けることができないため、特に、本発明を用いる意義が高い。   The fuel cell device of the present invention is characterized in that the fuel cell and the reformer are accommodated in a storage container. In such a fuel cell device, since a flow rate control device or the like cannot be provided between the reformer and the solid oxide fuel cell, the significance of using the present invention is particularly high.

さらに、本発明の燃料電池装置は、燃料電池は家庭用であり、負荷変動運転されることを特徴とする。このような燃料電池装置は家庭用として負荷変動運転されるため、電力を使用する時間帯と使用しない時間帯が頻繁に短時間に発生し、このような場合に負荷変動運転しても、ガスを適正量供給することができるため、高い発電効率を維持できる。   Furthermore, the fuel cell device according to the present invention is characterized in that the fuel cell is for home use and is operated under load fluctuation. Since such a fuel cell device is operated with a load variation for home use, a time zone in which power is used and a time zone in which the fuel cell device is not used are frequently generated in a short time. Therefore, high power generation efficiency can be maintained.

本発明の燃料電池装置は、炭化水素ガスの改質器への供給圧を炭化水素ガスの元圧よりも下げることができ、炭化水素ガスの低流量の供給制御が可能となり、最適流量の燃料ガスを供給して、発電効率を向上できる。   The fuel cell device of the present invention can reduce the supply pressure of the hydrocarbon gas to the reformer below the original pressure of the hydrocarbon gas, enables the supply control of the hydrocarbon gas at a low flow rate, and enables the fuel with the optimum flow rate. Supplying gas can improve power generation efficiency.

図１は、本発明の燃料電池装置を示すもので、燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池３１と、この燃料電池３１に水素を供給する燃料ガス供給装置３３とを具備して構成されている。   FIG. 1 shows a fuel cell device according to the present invention. The fuel cell device comprises a solid oxide fuel cell 31 and a fuel gas supply device 33 for supplying hydrogen to the fuel cell 31. ing.

燃料ガス供給装置３３は、都市ガス本管に接続される配管３９に設けられた２つの電磁弁４１、脱硫器４３、ポンプ４５、バッファ４７、ガス流量計４９を具備しており、この順で配管３９の上流側から配置されている。脱硫器４３は、都市ガス中に含まれる硫黄分を除去するためのものであり、ポンプ４５は、都市ガスを圧送するためのもので、バッファ４７は、ポンプ４５による脈動を防止するためのものであり、ガス流量計４９は、配管３９を流れる都市ガス量を計測するためのものである。   The fuel gas supply device 33 includes two solenoid valves 41, a desulfurizer 43, a pump 45, a buffer 47, and a gas flow meter 49 provided in a pipe 39 connected to the city gas main. Arranged from the upstream side of the pipe 39. The desulfurizer 43 is for removing sulfur contained in the city gas, the pump 45 is for pumping city gas, and the buffer 47 is for preventing pulsation by the pump 45. The gas flow meter 49 is for measuring the amount of city gas flowing through the pipe 39.

そして、燃料ガス供給装置３３はリリーフ弁５１を具備しており、このリリーフ弁５１は、電磁弁４１と脱硫器４３との間に配置されている。このリリーフ弁５１は、リリーフ弁５１よりもガス下流側のガス圧が、ガス上流側のガス圧よりも大きな圧力で開くように調節されている。言い換えれば、ポンプ４５の吸入側にガス元圧より大きな圧力で開くように設定されたリリーフ弁５１を備えている。これにより、ポンプ４５を稼働し、リリーフ弁５１よりもガス下流側にガス元圧より大きな圧力が掛からないと都市ガス等の炭化水素ガスが流れないため、さらに言い替えると、ポンプ４５が稼働しない限り都市ガスが流れないため、都市ガスの低流量の供給制御が可能となる。   The fuel gas supply device 33 includes a relief valve 51, and the relief valve 51 is disposed between the electromagnetic valve 41 and the desulfurizer 43. The relief valve 51 is adjusted so that the gas pressure on the gas downstream side of the relief valve 51 opens at a pressure larger than the gas pressure on the gas upstream side. In other words, the relief valve 51 is provided on the suction side of the pump 45 so as to open at a pressure higher than the gas source pressure. Accordingly, the hydrocarbon gas such as city gas does not flow unless the pump 45 is operated and a pressure larger than the gas source pressure is applied to the gas downstream side of the relief valve 51. In other words, unless the pump 45 is operated. Since city gas does not flow, supply control of low flow of city gas becomes possible.

リリーフ弁５１が開となる圧力は、ガス元圧（都市ガス本管のガス圧）が１．５〜３．０ｋＰａであるので、ガス元圧よりも大きく、例えば３．５〜６ｋＰａ程度とされている。リリーフ弁５１は、後述するゼロガバナと比較して、構造が簡素であるため安価であり、このため燃料電池装置を安価に作製できる。   The pressure at which the relief valve 51 is opened is larger than the gas source pressure, for example, about 3.5 to 6 kPa because the gas source pressure (gas pressure of the city gas main pipe) is 1.5 to 3.0 kPa. ing. The relief valve 51 is inexpensive because it has a simple structure as compared with a zero governor described later, and thus a fuel cell device can be manufactured at low cost.

ポンプ４５は、ガス本管から供給された都市ガスを昇圧して圧送するものであって、一般に、都市ガスの供給量を制御しやすいという点から、ダイアフラム式とされている。このダイアフラム式ポンプ４５は、シリンダ内のダイアフラムの往復動によって都市ガスの吸込み、吐出を行うものであって、脈動が発生し易い。このため、ポンプ４５のガス下流側に、ある一定容積の空間であるバッファ４７が設けられ、ポンプ４５から圧送された都市ガスの脈動を減衰させてガス流量計４９、改質器５３に供給するようになっている。図示しないが、改質器５３には空気、水蒸気が供給され、部分酸化改質、水蒸気改質可能とされている。   The pump 45 pressurizes and pumps the city gas supplied from the gas main, and is generally a diaphragm type because it can easily control the supply amount of the city gas. The diaphragm pump 45 sucks and discharges city gas by the reciprocating motion of the diaphragm in the cylinder, and pulsation is likely to occur. Therefore, a buffer 47 that is a space of a certain volume is provided on the gas downstream side of the pump 45, and the pulsation of the city gas pumped from the pump 45 is attenuated and supplied to the gas flow meter 49 and the reformer 53. It is like that. Although not shown, air and steam are supplied to the reformer 53 so that partial oxidation reforming and steam reforming are possible.

ガス流量計４９は、バッファ４７から改質器５３に送られた都市ガスの流量（以降、都市ガス供給量と呼ぶ）を計測し、電気信号として制御装置５５に出力するものである。この制御装置５５は、所定量発電するのに要する都市ガス量（以降、都市ガス要求量と呼ぶ）の信号を受け取り、ガス流量計４９から都市ガス供給量の信号を受け取って、都市ガス供給量が都市ガス要求量になるようにポンプ４５の運転を制御するものである。即ち、都市ガス要求量の信号を受け取った際に、この都市ガス要求量に対して現在の都市ガス供給量に過不足を生じる場合は、ポンプ４５を制御する。   The gas flow meter 49 measures the flow rate of city gas (hereinafter referred to as city gas supply amount) sent from the buffer 47 to the reformer 53 and outputs it to the control device 55 as an electrical signal. The control device 55 receives a city gas amount (hereinafter referred to as city gas request amount) signal required for generating a predetermined amount of electricity, receives a city gas supply amount signal from the gas flow meter 49, and receives a city gas supply amount. Is to control the operation of the pump 45 so that the required amount of city gas is obtained. That is, when the city gas requirement amount signal is received, if the current city gas supply amount is excessive or insufficient with respect to the city gas requirement amount, the pump 45 is controlled.

一方、固体電解質形燃料電池３１は、収納容器内に収納されており、改質器５３も収納容器内に収納されており、この改質器５３には、収納容器内に挿入された配管が接続され、これにより、ガス流量計４９からの都市ガスが改質器５３に供給されるようになっている。   On the other hand, the solid oxide fuel cell 31 is stored in a storage container, and the reformer 53 is also stored in the storage container. The reformer 53 has a pipe inserted into the storage container. As a result, the city gas from the gas flow meter 49 is supplied to the reformer 53.

そして、収納容器内の改質器５３にて都市ガスが改質され、生成された水素が燃料電池３１に供給されるとともに、別ルートにて空気等の酸素含有ガスが燃料電池３１に供給され、発電する一方で、余剰の水素と酸素含有ガスが反応して燃料電池３１の上方で燃焼し、この燃焼熱により、燃料電池３１上方に配置された改質器５３が加熱され、改質可能とされている。   Then, the city gas is reformed by the reformer 53 in the storage container, the generated hydrogen is supplied to the fuel cell 31, and an oxygen-containing gas such as air is supplied to the fuel cell 31 through another route. While generating electric power, surplus hydrogen and oxygen-containing gas react and burn above the fuel cell 31, and the reformer 53 disposed above the fuel cell 31 is heated by this combustion heat and can be reformed. It is said that.

燃料電池３１は、例えば、中空平板型とされており、内部に燃料極が、外側に酸素極が形成され、マニホールドに立設されている。このマニホールドには、改質器５３からの水素が供給され、マニホールド内の水素が燃料電池３１のガス通路を通過し、発電することになる一方で、余剰の水素が燃料電池３１の上端から放出され、燃料電池上端部にて燃焼し、燃料電池３１の上方に配置された改質器５３を加熱するように構成されている。   The fuel cell 31 is, for example, a hollow plate type, and a fuel electrode is formed inside and an oxygen electrode is formed outside, and is erected on a manifold. Hydrogen is supplied from the reformer 53 to the manifold, and the hydrogen in the manifold passes through the gas passage of the fuel cell 31 to generate power, while surplus hydrogen is released from the upper end of the fuel cell 31. The fuel cell is combusted at the upper end of the fuel cell, and the reformer 53 disposed above the fuel cell 31 is heated.

以上のような燃料電池装置では、炭化水素ガスである都市ガスが、元圧１．５〜３．０ｋＰａでガス本管から配管３９に供給され、開とされた電磁弁４１を通過し、ポンプ４５を運転して吸引し、リリーフ弁５１よりもガス下流側の圧力が元圧よりも所定の圧力だけ高くなると、リリーフ弁５１が開となり、バッファ４７を介してガス流量計４９を通過し、改質器５３に供給される。この改質器５３にて水素に改質され、燃料電池３１に供給される。   In the fuel cell apparatus as described above, the city gas, which is a hydrocarbon gas, is supplied from the gas main pipe to the pipe 39 at an original pressure of 1.5 to 3.0 kPa, passes through the opened electromagnetic valve 41, and is pumped. When the pressure on the gas downstream side of the relief valve 51 becomes higher than the original pressure by a predetermined pressure, the relief valve 51 is opened and passes through the gas flow meter 49 via the buffer 47. It is supplied to the reformer 53. The reformer 53 reforms the hydrogen and supplies it to the fuel cell 31.

改質器５３に送られた都市ガスの流量（都市ガス供給量）を計測したガス流量計４９は、電気信号として制御装置５５に出力し、制御装置５５は、所定量発電するのに要する都市ガス要求量の信号に応じて、都市ガス供給量が都市ガス要求量になるようにポンプ４５の運転を制御する。   The gas flow meter 49 that has measured the flow rate (city gas supply amount) of the city gas sent to the reformer 53 outputs it as an electrical signal to the control device 55, and the control device 55 requires a predetermined amount of power to generate power. The operation of the pump 45 is controlled so that the city gas supply amount becomes the city gas requirement amount according to the gas requirement amount signal.

本発明の燃料電池装置では、ポンプ４５のガス上流側にはリリーフ弁５１が設けられ、このリリーフ弁５１は、ガス上流側のガス圧よりも大きな圧力で開くように設定され、ポンプ４５を稼働し、リリーフ弁５１よりもガス下流側にガス元圧より大きな圧力が掛かると都市ガスが流れるため、ポンプ４５の駆動により、都市ガスを少量供給することができ、発電効率が高い固体酸化物形燃料電池において、都市ガスの元圧（１．５〜３．０ｋＰａ）よりも低い圧力で改質器５３に供給することができ、例えば、夜中等においても、都市ガスを少量供給し、高効率運転することができる。   In the fuel cell device of the present invention, a relief valve 51 is provided on the gas upstream side of the pump 45, and this relief valve 51 is set to open at a pressure larger than the gas pressure on the gas upstream side, and the pump 45 is operated. However, when a pressure greater than the gas source pressure is applied downstream of the relief valve 51, the city gas flows. Therefore, a small amount of city gas can be supplied by driving the pump 45, and the solid oxide type having high power generation efficiency. In a fuel cell, it can be supplied to the reformer 53 at a pressure lower than the original pressure of city gas (1.5 to 3.0 kPa). For example, a small amount of city gas can be supplied even at night, etc. You can drive.

図２は、本発明の他の燃料電池装置を示すもので、この燃料電池装置では、リリーフ弁５１のガス下流側に脱硫器４３が設けられ、この脱硫器４３のガス下流側にガス流量計４９が設けられている。   FIG. 2 shows another fuel cell device of the present invention. In this fuel cell device, a desulfurizer 43 is provided on the gas downstream side of the relief valve 51, and a gas flow meter is installed on the gas downstream side of the desulfurizer 43. 49 is provided.

ポンプ４５が稼働すると、リリーフ弁５１の二次側（ガス下流側）の圧力が下がり、リリーフ弁５１が開となる。リリーフ弁５１が開となると、リリーフ弁５１の一次側（ガス上流側）と二次側（ガス下流側）が均圧化し、リリーフ弁５１が閉となる。リリーフ弁５１が閉となると、再び、ポンプ４５の吸引により、リリーフ弁５１の二次側の圧力が下がり、リリーフ弁５１が開となる。この動作を繰り返すため、リリーフ弁５１の二次側近傍ではガス流量に変動が生じ、ガス流量計４９での計測が不安定となる。ガス流量計４９の計測が不安定となると、このガス流量計４９からの信号を受けた制御装置５５によるポンプ４５の駆動制御が不安定となり、改質器５３へのガス供給が不安定となる。   When the pump 45 is operated, the pressure on the secondary side (gas downstream side) of the relief valve 51 is reduced, and the relief valve 51 is opened. When the relief valve 51 is opened, the primary side (gas upstream side) and the secondary side (gas downstream side) of the relief valve 51 are equalized, and the relief valve 51 is closed. When the relief valve 51 is closed, the pressure on the secondary side of the relief valve 51 is lowered again by the suction of the pump 45, and the relief valve 51 is opened. Since this operation is repeated, the gas flow rate fluctuates in the vicinity of the secondary side of the relief valve 51, and the measurement with the gas flow meter 49 becomes unstable. When the measurement of the gas flow meter 49 becomes unstable, the drive control of the pump 45 by the control device 55 that receives the signal from the gas flow meter 49 becomes unstable, and the gas supply to the reformer 53 becomes unstable. .

本発明では、内容積の大きな脱硫器４３がリリーフ弁５１とガス流量計４９との間にあるため、リリーフ弁５１の二次側近傍での流量の変動は、脱硫器４３のバッファ効果で流量がほぼ均一化された後、ガス流量計４９に供給されるため、ガス流量計４９によりガス流量を適正に感知でき、ガスの流量制御をより正確に行なうことができる。   In the present invention, since the desulfurizer 43 having a large internal volume is located between the relief valve 51 and the gas flow meter 49, fluctuations in the flow rate near the secondary side of the relief valve 51 are caused by the buffer effect of the desulfurizer 43. Since the gas flow meter 49 is supplied to the gas flow meter 49, the gas flow rate can be properly sensed by the gas flow meter 49, and the gas flow rate can be controlled more accurately.

また、図２では、ポンプ４５はガス流量計４９のガス下流側に設けられている。ダイヤフラム方式のポンプ４５の吐出側では流量変動が大きく、ガス流量計４９にて計測するには、図１に示したように、ポンプ４５とガス流量計４９との間にバッファを配置し、流れを均一化する必要があるが、図２の燃料電池装置では、ポンプ４５の吸入側では、ガス流量計４９の前に内容積の大きな脱硫容器４３があるため、この脱硫容器４３により流れは均一化され、図１のようなバッファ等を別途設ける必要がなく、安価に、精度良く、流量制御が可能となる。   In FIG. 2, the pump 45 is provided on the gas downstream side of the gas flow meter 49. The flow rate fluctuation is large on the discharge side of the diaphragm pump 45, and in order to measure with the gas flow meter 49, a buffer is arranged between the pump 45 and the gas flow meter 49 as shown in FIG. 2, in the fuel cell device of FIG. 2, there is a desulfurization vessel 43 having a large internal volume in front of the gas flow meter 49 on the suction side of the pump 45, so that the flow is uniform by this desulfurization vessel 43. Therefore, it is not necessary to separately provide a buffer or the like as shown in FIG. 1, and the flow rate can be controlled at low cost with high accuracy.

尚、上記形態では、ポンプ４５の上流側にリリーフ弁５１を設けた形態について説明したが、本発明では、ポンプ４５の下流側にリリーフ弁５１を設けても、ほぼ同様の効果を得ることができる。   In the above embodiment, the embodiment in which the relief valve 51 is provided on the upstream side of the pump 45 has been described. However, in the present invention, even if the relief valve 51 is provided on the downstream side of the pump 45, substantially the same effect can be obtained. it can.

図３は、本発明のさらに他の燃料電池装置を示すもので、この燃料電池装置では、図１のリリーフ弁５１の代わりに、ポンプ４５のガス上流側にゼロガバナ６１が設けられている。このゼロガバナ６１は二次側の圧力を大気圧に減圧するもので、言い換えれば、ゼロガバナ６１のガス上流側はガス元圧１．５〜３．０ｋＰａとされ、下流側（ポンプ４５の吸入側）は、常に大気圧に維持されるため、都市ガスの元圧に影響されることなく、ポンプ４５の吸引により都市ガスを少量供給することができる。尚、二次側の圧力は、必ずしも大気圧に減圧する必要はなく、ガス元圧よりも低い圧力で減圧するガバナであっても良い。   FIG. 3 shows still another fuel cell device of the present invention. In this fuel cell device, a zero governor 61 is provided on the gas upstream side of the pump 45 instead of the relief valve 51 of FIG. The zero governor 61 reduces the pressure on the secondary side to atmospheric pressure. In other words, the gas upstream side of the zero governor 61 has a gas source pressure of 1.5 to 3.0 kPa, and the downstream side (the suction side of the pump 45). Is always maintained at atmospheric pressure, so that a small amount of city gas can be supplied by suction of the pump 45 without being affected by the original pressure of the city gas. Note that the pressure on the secondary side is not necessarily reduced to atmospheric pressure, and may be a governor that reduces pressure at a pressure lower than the gas source pressure.

図４は、本発明のさらに他の燃料電池装置を示すもので、この燃料電池装置では、図１のリリーフ弁５１の代わりに、配管３９に設けられた電磁弁７１ａと、該電磁弁７１ａを迂回し、下流側のガス圧を炭化水素ガスの元圧よりも下げる抵抗管７１ｂとからなる供給圧調整器を具備している。このような供給圧調整器では、電磁弁７１ａを閉とし、都市ガスが抵抗管７１ｂを通過することにより、抵抗管７１ｂのガス上流側はガス元圧１．５〜３．０ｋＰａとされ、下流側（ポンプ４５の吸入側）は、ガス元圧よりも小さくされるため、都市ガスの元圧に影響されることなく、ポンプ４５の吸引により都市ガスを少量供給することができる。電磁弁７１ａと抵抗管７１ｂからなる供給圧調整器は、ポンプ４５よりも下流側に設けることもできる。   FIG. 4 shows still another fuel cell device of the present invention. In this fuel cell device, instead of the relief valve 51 of FIG. 1, an electromagnetic valve 71a provided in a pipe 39 and the electromagnetic valve 71a are provided. A supply pressure regulator comprising a resistance pipe 71b that bypasses and lowers the downstream gas pressure from the original pressure of the hydrocarbon gas is provided. In such a supply pressure regulator, the solenoid valve 71a is closed, and the city gas passes through the resistance pipe 71b, so that the gas upstream side of the resistance pipe 71b has a gas source pressure of 1.5 to 3.0 kPa, and is downstream. Since the side (the suction side of the pump 45) is made smaller than the gas source pressure, a small amount of city gas can be supplied by suction of the pump 45 without being affected by the source pressure of the city gas. The supply pressure regulator composed of the electromagnetic valve 71 a and the resistance tube 71 b can also be provided on the downstream side of the pump 45.

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、リリーフ弁５１の代わり減圧弁を設けても良い。また、都市ガスの代わりにプロパンガスを用いる場合であっても、本発明を有効に用いることができる。ポンプ４５として、ダイアフラム式を用いた形態について説明したが、他の種類のポンプであっても同様の効果を有する。   In addition, this invention is not limited to the said form, The deformation | transformation in the range which can achieve the objective of this invention, improvement, etc. are contained in this invention. For example, a pressure reducing valve may be provided instead of the relief valve 51. Further, the present invention can be used effectively even when propane gas is used instead of city gas. Although the embodiment using the diaphragm type as the pump 45 has been described, other types of pumps have the same effect.

さらに、上記形態では、収納容器内に、燃料電池と改質器を収納し、燃料電池により改質器を加熱するタイプの燃料電池装置について説明したが、収納容器の外部に改質器を設けた燃料電池装置であっても、本発明を用いることができる。また、高分子形燃料電池等の他の燃料電池を用いた燃料電池装置についても、本発明を適用できる。   Further, in the above embodiment, the fuel cell device of the type in which the fuel cell and the reformer are housed in the storage container and the reformer is heated by the fuel cell has been described, but the reformer is provided outside the storage container. The present invention can be used even with a fuel cell device. The present invention can also be applied to a fuel cell device using another fuel cell such as a polymer fuel cell.

本発明のリリーフ弁を用いた燃料電池装置のブロック図である。It is a block diagram of a fuel cell device using the relief valve of the present invention. ガス流量計のガス上流側に脱硫器を配置した燃料電池装置のブロック図である。It is a block diagram of the fuel cell apparatus which has arrange | positioned the desulfurizer in the gas upstream side of a gas flowmeter. 本発明のゼロガバナを用いた燃料電池装置のブロック図である。It is a block diagram of a fuel cell device using the zero governor of the present invention. 本発明の抵抗管を用いた燃料電池装置のブロック図である。It is a block diagram of a fuel cell device using a resistance tube of the present invention. 従来の燃料電池装置のブロック図である。It is a block diagram of the conventional fuel cell apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

３１ 固体酸化物形燃料電池
３３ 燃料ガス供給装置
４３ 脱硫器
４５ ポンプ
４９ ガス流量計
５１ リリーフ弁
５３ 改質器
６１ ゼロガバナ
７１ａ 電磁弁
７１ｂ 抵抗管 31 Solid oxide fuel cell 33 Fuel gas supply device 43 Desulfurizer 45 Pump 49 Gas flow meter 51 Relief valve 53 Reformer 61 Zero governor 71a Solenoid valve 71b Resistance tube

Claims (9)

燃料電池と、該燃料電池に水素を供給するための燃料ガス供給装置とを具備する燃料電池装置であって、前記燃料ガス供給装置が、炭化水素ガスを水素に改質する改質器と、該改質器に炭化水素ガスを供給するためのポンプと、前記炭化水素ガスの前記改質器への供給圧を前記炭化水素ガスの元圧よりも下げる供給圧調整器とを具備することを特徴とする燃料電池装置。 A fuel cell device comprising a fuel cell and a fuel gas supply device for supplying hydrogen to the fuel cell, wherein the fuel gas supply device reforms a hydrocarbon gas into hydrogen, A pump for supplying hydrocarbon gas to the reformer; and a supply pressure regulator for lowering the supply pressure of the hydrocarbon gas to the reformer below the original pressure of the hydrocarbon gas. A fuel cell device. 前記供給圧調整器は、リリーフ弁又はゼロガバナであり、前記ポンプのガス上流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。 2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the supply pressure regulator is a relief valve or a zero governor and is provided on the gas upstream side of the pump. 前記供給圧調整器は、電磁弁と、該電磁弁を迂回し、下流側のガス圧を前記炭化水素ガスの元圧よりも下げる抵抗管とからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。 2. The fuel according to claim 1, wherein the supply pressure regulator includes a solenoid valve and a resistance pipe that bypasses the solenoid valve and lowers the downstream gas pressure below the original pressure of the hydrocarbon gas. Battery device. 前記供給圧調整器は減圧弁からなり、前記ポンプのガス上流側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。 2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the supply pressure regulator includes a pressure reducing valve and is provided on the gas upstream side of the pump. 前記改質器に供給される炭化水素ガス量を測定するガス流量計と、炭化水素ガス中の硫黄を除去する脱硫器とを具備するとともに、前記供給圧調整器のガス下流側に前記脱硫器が設けられ、該脱硫器のガス下流側に前記ガス流量計が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池装置。 A gas flow meter for measuring the amount of hydrocarbon gas supplied to the reformer; a desulfurizer for removing sulfur in the hydrocarbon gas; and the desulfurizer on the gas downstream side of the supply pressure regulator. The fuel cell apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the gas flow meter is provided on a gas downstream side of the desulfurizer. 前記ポンプが前記ガス流量計のガス下流側に設けられていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池装置。 6. The fuel cell device according to claim 5, wherein the pump is provided on the gas downstream side of the gas flow meter. 前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池装置。 7. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 前記燃料電池及び前記改質器が収納容器内に収容されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池装置。 8. The fuel cell device according to claim 7, wherein the fuel cell and the reformer are accommodated in a storage container. 前記燃料電池は家庭用であり、負荷変動運転されることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池装置。 The fuel cell device according to any one of claims 1 to 8, wherein the fuel cell is for home use and is subjected to load fluctuation operation.
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