JP2008084822A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】固体電解質形燃料電池３１と、該固体電解質形燃料電池３１に水素を供給するための燃料ガス供給装置３３とを具備する燃料電池装置であって、燃料ガス供給装置３３が、炭化水素ガスを水素に改質する改質器５３と、該改質器５３に炭化水素ガスを供給するためのポンプ４５と、該ポンプ４５のガス上流側に設けられ、ガス上流側のガス圧よりも大きな圧力で開くリリーフ弁５１又は下流側のガス圧を大気圧に調整するゼロガバナ６１とを具備する。
【選択図】図１

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。

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。

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。

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）。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 従来の燃料電池装置のブロック図である。

符号の説明

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

Claims (9)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。

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