JP2009301971A - Fuel gas supply device for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a fuel cell fuel gas supply device that supplies fuel gas to a fuel cell.
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。
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。
However, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 are not necessarily sufficient to suppress pressure fluctuation downstream of the pump. In solid oxide fuel cells, there may be pressure fluctuations associated with vaporization of combustion gas reforming water and combustion of unburned gas in the combustor.
In the techniques described in Patent Documents 1 and 2, a container for suppressing pulsation is arranged downstream of the pump. However, when a pressure regulating container is installed downstream of the pump, the container volume is larger than when installed upstream of the pump. The power generation system becomes larger. Furthermore, if the capacity of the container installed downstream of the pump is large, it may be a loss when supplying the flow rate required for power generation of the fuel cell.
In view of the above, an object of the present invention is to provide a fuel gas supply device for a fuel cell that can effectively suppress pressure fluctuation and flow rate fluctuation of fuel gas.
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。 A fuel gas supply apparatus for a fuel cell according to an aspect of the present invention includes a pressure stabilization unit that stabilizes the pressure of a hydrocarbon-based fuel gas supplied from a supply line in the vicinity of a predetermined pressure, and the pressure is stabilized. A flow rate measuring means for measuring the flow rate of the fuel gas, a pressure regulating means for suppressing pressure fluctuation and flow rate fluctuation of the fuel gas flowing out from the flow rate measuring means, and a fuel pump for pressurizing the fuel gas flowing out from the pressure regulating means And a fuel pump control means for controlling the operation of the fuel pump corresponding to the measurement result of the flow rate measuring means. That is, the fuel gas pressure stabilizing means, the flow rate measuring means, and the pressure adjusting means are sequentially installed on the upstream side of the fuel supply line of the fuel pump to control the operation of the fuel pump. As a result, pressure fluctuations and flow fluctuations of the combustion gas downstream of the fuel pump can be suppressed.
(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。 (1) A fuel cell fuel gas supply device includes a mixing chamber that mixes fuel gas pressurized by the fuel pump and water vapor, and a reformer that reforms the fuel gas mixed with water vapor in the mixing chamber. And a quality processing device. The mixing chamber can suppress, for example, pressure fluctuation caused by vaporization of reforming water and combustion of unburned gas in the combustor.
(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。 (2) The pressure adjusting means may have a desulfurization function for removing sulfur components contained in the fuel gas. If the fuel gas contains a sulfur component, the power generation performance of the fuel cell may be reduced. By providing the pressure regulator with the function of removing sulfur components contained in the fuel gas, the structure of the fuel cell power generation system can be made compact.
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。 In addition, it is possible to prevent deterioration of the fuel pump by providing a desulfurization function upstream of the fuel pump.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel gas supply apparatus for fuel cells which can suppress the pressure fluctuation and flow volume fluctuation | variation of fuel gas effectively can be provided.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. This fuel cell power generation system includes a fuel cell stack 1, a power generation control device 2, a reforming
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。
The fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of power generation cells, and can generate power by supplying fuel gas and oxidant gas. The power generation control device 2 controls the power generation amount in the fuel cell stack 1. The fuel gas is reformed by the reforming
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。
The fuel cell stack 1 and the reforming
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。 A valve 4 is provided in the uppermost stream of the fuel gas supply line, and the power generation control device 2 controls the opening and closing of the valve 4. The fuel gas supply line between the valve 4 and the fuel cell stack 1 has a fuel pump 8 for pressurizing the fuel gas, and the fuel gas (low-pressure hydrocarbon gas (city gas, natural gas, etc.)) is supplied to the fuel cell stack 1. To supply. As the fuel pump 8, a diaphragm type pump or a bellows pump can be used as a small and inexpensive one.
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。
Here, the fuel gas supplied from the fuel pump 8 may vary in flow rate and pressure. For example, positive displacement pumps (diaphragm pumps and bellows pumps) generate pulsation in principle, and the flow rate and pressure of the supplied fuel gas vary. Flow rate fluctuations and pressure fluctuations of the fuel gas supplied from the fuel pump 8 to the fuel cell stack 1 cause carbon deposition in the reforming
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。
Between the valve 4 and the fuel pump 8, a zero
The zero
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。
The secondary pressure is not necessarily atmospheric pressure. That is, in place of the zero
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。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of the internal configuration of the zero
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。
Here, it is assumed that the zero
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。 A fuel pump control means 9 for taking the indicated value of the flow rate measuring means 6 and controlling the operation amount of the fuel pump 8 is incorporated in the power generation control device 2. The fuel pump control means 9 controls the fuel pump 8 based on the measurement result of the flow rate measuring means 6, so that the supply of fuel gas from the fuel pump 8 is stabilized. For example, the fuel pump 8 is controlled so that the indicated value of the flow rate measuring means 6 becomes a desired flow rate value.
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。 This desired flow rate value corresponds to the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 1 (more precisely, the fuel gas suction amount of the fuel pump 8). By changing the desired flow rate value, the power generation amount of the fuel cell power generation system can be controlled.
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。
The fuel pump control means 9 may change the operation amount of the fuel pump 8 according to the load fluctuation and the temperature of the fuel cell stack 1 and the reforming
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。
The reforming
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。
When the water fed by the reforming
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。 As the flow rate measuring means 6, a hot wire mass flow meter, a differential pressure flow meter, or the like can be used. However, other measuring means can be used as appropriate.
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。 The fuel pump control means 9 controls the operation of the fuel pump 8 by PID control, for example. However, the control method is not limited as long as the indicated value of the flow rate measuring means 6 can be controlled to a desired value.
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。
The internal structure of the
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。
As the volume of the
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。
As shown in FIG. 3B, by arranging the
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。
Furthermore, as shown in FIG. 3C, the
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。
Here, the
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。
In this case, for example, as shown in FIG. 4, the
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。 In the present embodiment, the fuel gas supply is controlled, and the fuel cell power generation system can be stably operated. Also, by desulfurizing the fuel gas, the durability of the fuel cell power generation system can be improved.
(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。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Electric power
Claims (4)
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。 A flow rate measuring means for measuring a flow rate of hydrocarbon fuel gas supplied from a supply line;
Pressure regulating means for suppressing pressure fluctuations and flow fluctuations of the fuel gas flowing out from the flow rate measuring means;
A fuel pump for pressurizing the fuel gas flowing out from the pressure regulating means;
Fuel pump control means for controlling the operation of the fuel pump in response to the measurement result of the flow rate measurement means;
A fuel gas supply device for a fuel cell, comprising:
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。 2. The fuel gas supply device for a fuel cell according to claim 1, further comprising a pressure stabilizing means disposed between the supply line and the fuel pump for stabilizing the pressure of the fuel gas in the vicinity of a predetermined pressure.
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。 A mixing chamber for mixing fuel gas pressurized by the fuel pump and water vapor;
A reforming apparatus for reforming fuel gas mixed with water vapor in the mixing chamber;
The fuel gas supply device for a fuel cell according to claim 1, further comprising:
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。 The fuel gas supply device for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the pressure adjusting means has a desulfurization function of removing a sulfur component contained in the fuel gas.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110906 |