JP2004185917A - ガスメータ及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】一定負荷で燃料電池システムを運転した場合において、ガスの供給が遮断されないガスメータ及び燃料電池システムを提供する。
【解決手段】供給経路を遮断するガス遮断手段としての遮断器６０と、供給経路のガス流量検出手段としての流量計５４と、制御手段としての制御装置５２を備えたガスメータ５０を介して供給される燃料ガスを水素に改質する改質装置１３と、この改質装置１３からの水素によって発電する燃料電池６と、改質装置１３及び燃料電池６の運転を制御する燃料電池側制御手段としての制御装置１４を備え、この制御装置１４は、ガスメータ５０の制御装置５２のコントローラ５３の入力端子６２に対して、運転中であることを指示するための信号を出力する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスメータ及び燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種燃料電池システム、例えば、固体高分子型燃料電池システムでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスを水素に改質する改質装置と、改質装置からの水素によって発電する燃料電池とを備えている。前記改質装置は燃料ガスを化学反応させて水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変性するＣＯ変成器と、このＣＯ変成器からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器などから構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１８５１８６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池システムに使用する燃料ガスとして、一般の家庭のガステーブルやガスストーブなどのガス器具に供給されている都市ガスやＬＰＧを使用した場合、ガスメータを介してガスが燃料電池システムに供給されることとなる。
【０００５】
前記ガスメータはガスの通過経路に介設されており、ガスメータを通過するガス量をカウントして、カウントしたガス量を表示する表示メータを備えている。また、ガスメータは制御装置を内蔵しており、この制御装置には地震の発生を感知する感震器やガス流量を検出する流量計、感震器や流量計からの検出によりガスの供給を遮断する遮断器などが取り付けられている。そして、震度の大きい地震が発生した場合や、一定の流量のガスが長時間流れ続けた場合、又は、急激に大流量のガスが流れた場合などにこれらの装置により、ガスの供給が遮断されるような安全機能を有している。これにより、ガス漏れなどの災害を極力回避することができる。
【０００６】
しかしながら、燃料電池システムを一定負荷（一定のガス流量）で運転させた場合、ガスメータの制御装置が有する前述した安全機能が作動してガスの供給が遮断されるという問題が生じていた。一方、前記ガスメータの安全機能はガス使用時の安全性を考えた場合、必要不可欠な機能であるため、取り外すことができない。
【０００７】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、一定負荷で燃料電池システムを運転した場合において、ガスの供給が遮断されないガスメータ及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
即ち、請求項１の発明のガスメータは、供給経路を遮断するガス遮断手段と、供給経路のガス流量検出手段と、制御手段とを備え、この制御手段は、ガス流量検出の出力に基づき、所定時間供給経路のガス流量に変化が無い場合、ガス遮断手段により供給経路を遮断する使用時間遮断機能を有する共に、所定の入力端子を備え、この入力端子に入力される信号に基づき、使用時間遮断機能を不能とするので、当該ガスメータを介して取り付けられる機器、例えば燃料電池システムを一定負荷（一定のガス流量）で運転した場合に、使用時間遮断機能により、ガスの供給が遮断されないので、安定した運転を実現することができるようになる。
【０００９】
請求項２の発明の燃料電池システムは、請求項１のガスメータを介して供給される燃料ガスを水素に改質する改質装置と、この改質装置からの水素によって発電する燃料電池と、改質装置及び燃料電池の運転を制御する燃料電池側制御手段とを備え、この燃料電池側制御手段は、ガスメータの制御手段の入力端子に対して、運転中であることを指示するための信号を出力するので、ガスメータの使用時間遮断機能により燃料ガスの供給が遮断されるといった不都合を未然に回避することができるようになる。
【００１０】
これにより、燃料電池システムが安定した運転を実現することができるようになり、燃料電池システムの信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明の燃料電池システムの実施例として、固体高分子型燃料電池システムＳを家庭に設置した場合の系統図、図３は実施例の燃料電池システムＳの回路図である。
【００１２】
図１において、１００は、建家を示しており、この建家１００には低圧電灯線１０１、電力量計１０２及び分電盤１０３を経て、商用電源が供給されている。この商用電源は、細線で示した第１のケーブル１０４を経て、エアコン１０５、テレビジョン１０６等に供給されている。また、当該建家１００には後述するガスメータ５０が燃料ガスの供給経路であるガス管１７に介設されており、ガス管１７内のガスはこのガスメータ５０を通過して燃料電池システムＳや台所のガステーブルなどに燃料ガスが供給されている。
【００１３】
ここで、図４を参照して前述したガスメータ５０について説明する。図４はガスメータ５０の制御手段としての制御装置５２のブロック図である。図４において、制御装置５２は汎用のコントローラ５３により構成されており、このコントローラ５３の入力にはガス管１７内を通過するガス流量検出手段としての流量計５６、感震器５８、入力端子６２が接続されており、コントローラ５３の出力にはガスの使用量を表示する表示メータ５４、ガスの供給を遮断するガス遮断手段としての遮断器６０が接続されている。
【００１４】
表示メータ５４はガスメータ５０を通過するガス管１７内のガスの流量を検出する流量計５６の出力に基づき、コントローラ５３が表示メータ５４を作動することで燃料ガスの使用量が表示されるというものである。
【００１５】
また、制御装置５２は安全性を確保するために各種安全機能、例えばガス使用中に地震が発生した際に、ガスの供給を遮断する感震器遮断機能、所定時間一定の流量でガスが流れた際に、ガスの供給を遮断する使用時間遮断機能、急激にガス流量が増加した際に、ガスの供給を遮断する流量増加遮断機能などを有している。
【００１６】
前記感震器遮断機能はコントローラ５３に接続された感震器５８の出力に基づき、設定値以上の揺れを感知すると、コントローラ５３が遮断器６０を作動して、ガスの供給を遮断する機能である。これにより、ガス使用時に地震が発生した場合に、使用器具が転倒して、火災に至るといった二次災害の発生を未然に回避することができるようになる。
【００１７】
そして、使用時間遮断機能はコントローラ５３に接続された流量計５６の出力に基づき、所定時間供給経路のガス流量に変化が無い場合、遮断器６０によりガスの供給を遮断する機能である。即ち、コントローラ５３に接続された流量計５６の出力に基づき、一定の流量でガスが流れた場合に、コントローラ５３がこの一定の流量で流れ出た時間をカウントして、このカウントされた時間が設定時間に達すると、コントローラ５３が前記遮断器６０を作動して、ガスの供給を遮断するというものである。これにより、使用器具を消し忘れた場合などに、使用器具が過熱して火災を引き起こしたり、使用器具が損傷を受けるといった不都合を極力回避することができるようになる。
【００１８】
また、流量増加遮断機能は前記流量計５６の出力に基づき、急激にガス流量が増加した場合に、コントローラ５３が遮断器６０を作動して、ガスの供給を遮断する機能である。これにより、ガス漏れなどが生じた場合に、ガス漏れをいち早く察知してガスの供給を遮断することで、ガス爆発等の大災害を未然に回避することができるようになる。
【００１９】
ガスメータ５０にこれら各種安全機能を持たせることで、ガス使用時における安全性を確保することができるようになる。
【００２０】
尚、図４において、入力端子６２には、燃料電池システムＳの制御装置１４から燃料電池システムＳの運転時に運転中であることを指示するための信号が入力される。この燃料電池システムＳから入力端子６２に入力される信号に基づき、ガスメータ５０のコントローラ５３は自己の有する前記使用時間遮断機能を不能とする。即ち、前述した如くガスメータ５０を通過するガス管１７内のガス流量に変化がない場合にはコントローラ５３により時間のカウントが開始されるが、前記入力端子６２に燃料電池システムＳの制御装置１４から所定の信号が入力されると、コントローラ５３はこのカウントを開始しなくなる。
【００２１】
従って、一定負荷（一定のガス流量）で燃料電池システムＳを使用した場合に、前記ガスメータ５０のコントローラ５３により、使用時間遮断機能が作動して、ガスの供給が遮断されてしまうという不都合を回避することができるようになる。
【００２２】
このため、燃料電池システムＳを一定負荷で使用した場合において、ガスメータ５０により、ガスの供給が遮断されて、発電に支障をきたすといった不都合を未然に防ぐことができるようになる。これにより、燃料電池システムＳが安定した運転を実現することができるようになり、燃料電池システムＳの信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００２３】
一方、本実施形態では、家庭用小型電源システムを構成する固体高分子型燃料電池システム（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル：ＰＥＦＣ装置）Ｓが、建家１００の外に設置されている。
【００２４】
この燃料電池システムＳには、図２に示すようにＰＥＦＣ装置の他に熱回収装置を含んでいる。この熱回収装置は、貯湯タンク７と水処理装置８とを有し、この水処理装置８には水道管を通じて市水が供給される。この市水は水処理装置８で純粋にされて、昇圧ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク１１、１２若しくは、水タンク２１を介して改質装置１３に供給される。そして、ＰＥＦＣ装置は、改質装置（改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器）１３を有している。
【００２５】
この改質装置１３には天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料ガスが前記ガスメータ５０を介して供給され、ここには更に前記水タンク２１からの水が供給されて、水素が生成される。この水素は燃料電池６に供給されて、ここで水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電が行われる。１４は前記制御装置である。
【００２６】
この制御装置１４は、図３に示す如く改質装置１３、燃料電池６、水タンク１１、１２及び貯湯タンク７などの運転を制御している。また、前述した如く、燃料電池システムＳの運転時に前記ガスメータ５０の制御装置５２の入力端子６２に対して、運転中であることを指示するための信号を出力している。
【００２７】
一方、発電された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を経て、２００Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１６に送られ、ここから、図１に太線で示した第２のケーブル１０７を通じて、パソコン１０８、照明１０９、冷蔵庫１１０等に供給されている。この燃料電池システムＳは、系統連系インバータ１６を介して商用電源に接続されている。
【００２８】
この燃料電池システムＳでは、発電の過程で熱が発生するので、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を、図２に示すように、貯湯タンク７に蓄える。この温水は、図１に示すように、風呂１１３、キッチン１１４等に供給される。この貯湯タンク７は、建家１００の外に設置される。
【００２９】
次に、燃料電池システムＳについて、図３を参照して説明する。この燃料電池システムＳには、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の燃料の供給源である燃料供給源１からガスメータ５０を介して燃料ガスが供給されており、この燃料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子型の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、燃料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素と空気中に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、燃料極（アノード）６ａと、空気極（カソード）６ｂと、冷却部６ｃとを備えている。
【００３０】
前記燃料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７にはガスメータ５０、電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して前記水タンク１１に接続され、この水タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレンパイプ３８が接続されている。そして、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。
【００３１】
他方、前記水タンク１２は、配管３１を介して空気供給源３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の空気極６ｂに接続される。この空気極６ｂは、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレンパイプ３６が接続される。
【００３２】
また、前記貯湯タンク７は、昇圧ポンプ４５により配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。
【００３３】
以上の構成により、燃料電池システムＳの運転が開始されると、制御装置１４からガスメータ５０の入力端子６２に所定の電気的信号を出力する。この出力により、ガスメータ５０のコントローラ５３に入力端子６２からの信号が入力される。
【００３４】
そして、燃料供給源１からガス管１７内に流入した燃料ガスは一定流量でガスメータ５０を通過する。ここで、前述した如く一定流量の燃料ガスがガスメータ５０を通過することで流量計５４からコントローラ５３に一定流量の燃料ガスが流れたことが入力されるが、前述したように、燃料電池システムＳの制御装置１４からの信号により、使用時間遮断機能の時間のカウントが行われない。これにより、一定負荷で燃料電池システムＳを運転した場合においても、コントローラ５３が有する使用時間遮断機能が実質作動しない状態となり、燃料電池システムＳは安定した運転を実現することができる。
【００３５】
燃料ガスはガスメータ５０から電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで燃料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た燃料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００３６】
この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変性される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変性の一酸化炭素が除去される。
【００３７】
このＣＯ除去器５を経た当該一酸化炭素が除去された後の水素が、ガス管２３、水タンク１１及びガス管２４を介して固体高分子型の燃料電池６の燃料極６ａに供給される。他方、空気極６ｂには、空気供給源３０から空気が供給された水タンク１２より空気が供給される。これにより、燃料極６ａに供給された水素と、空気極６ｂに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生する。
【００３８】
尚、上記改質器３は、内部に図示しないバーナを有し、ここには配管３７を介して、燃料極６ａを経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３において生じたドレン水は、ドレンパイプ３８により外部に排出される。
【００３９】
また、空気極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレンパイプ３６より外部に排出される。
【００４０】
上述した改質器３、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５、燃料電池６では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。改質器３における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置１３に設けられた前記バーナによって常時加熱しながら化学反応を行う。
【００４１】
また、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５で行われる化学反応は発熱反応であるので、システム起動時のみ図示しないバーナを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でＣＯ除去器５の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【００４２】
燃料電池６では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する。尚、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が配管４２を介して循環するため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。
【００４３】
上記改質器３の排気系には、図示しない熱交換器が接続され、水タンク２１の水がポンプ４０を介して供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、脱硫器２からの燃料ガスと混合して改質器３に供給される。
【００４４】
以上の構成により、燃料電池システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原燃料（燃料ガス）の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００４５】
このように、制御装置１４は、ガスメータ５０のコントローラ５３の入力端子６２に対して、運転中であることを指示するための信号を出力するので、コントローラ５３が有する使用時間遮断機能が実質作動しない状態となる。
【００４６】
このため、燃料電池システムＳを一定負荷で使用した場合において、ガスメータ５０により、ガスの供給が遮断されて、ガスの供給が成されなくなり、発電に支障をきたすといった不都合を未然に防ぐことができるようになる。
【００４７】
これにより、燃料電池システムＳが安定した運転を実現することができるようになり、燃料電池システムＳの信頼性の向上を図ることができるようになる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述した如く、請求項１の発明のガスメータによれば、供給経路を遮断するガス遮断手段と、供給経路のガス流量検出手段と、制御手段とを備え、この制御手段は、ガス流量検出の出力に基づき、所定時間供給経路のガス流量に変化が無い場合、ガス遮断手段により供給経路を遮断する使用時間遮断機能を有する共に、所定の入力端子を備え、この入力端子に入力される信号に基づき、使用時間遮断機能を不能とするので、当該ガスメータを介して取り付けられる機器、例えば燃料電池システムを一定負荷（一定のガス流量）で運転した場合に、使用時間遮断機能により、ガスの供給が遮断されないので、安定した運転を実現することができるようになる。
【００４９】
請求項２の発明の燃料電池システムによれば、請求項１のガスメータを介して供給される燃料ガスを水素に改質する改質装置と、この改質装置からの水素によって発電する燃料電池と、改質装置及び燃料電池の運転を制御する燃料電池側制御手段とを備え、この燃料電池側制御手段は、ガスメータの制御手段の入力端子に対して、運転中であることを指示するための信号を出力するので、ガスメータの使用時間遮断機能により燃料ガスの供給が遮断されるといった不都合を未然に回避することができるようになる。
【００５０】
これにより、燃料電池システムが安定した運転を実現することができるようになり、燃料電池システムの信頼性の向上を図ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施例として固体高分子型燃料電池システムを家庭に設置した場合の系統図である。
【図２】図１の屋外部分を示す図である。
【図３】実施例の燃料電池システムの回路図である。
【図４】実施例のガスメータの制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
Ｓ 固体高分子型燃料電池システム
１ 燃料ガス
２ 脱硫器
３ 改質器
４ ＣＯ変性器
５ ＣＯ除去器
６ 燃料電池
６ａ 燃料極
６ｂ 空気極
６ｃ 冷却部
７ 貯湯タンク
８ 水処理装置
９、１０、３１、３２、３４、３７、４１、４２、４３ 配管
１１、１２、２１ 水タンク
１３ 改質装置
１４ 制御装置
１５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６ 系統連系インバータ
１７、２２、２３、２４、２５、２６ ガス管
１８ 電磁開閉弁
１９、４０、４４、４５、４６ 昇圧ポンプ
２７、３３ 熱回収用熱交換器
３０ 空気供給源
３５ 排気ダクト
３６、３８ ドレンパイプ
５０ ガスメータ
５２ 制御装置
５３ コントローラ
５４ 表示メータ
５６ 流量計
５８ 感震器
６０ 遮断器
６２ 入力端子

Claims (2)

1. 燃料ガスの供給経路に介設されるガスメータであって、
   前記供給経路を遮断するガス遮断手段と、前記供給経路のガス流量検出手段と、制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記ガス流量検出の出力に基づき、所定時間前記供給経路のガス流量に変化が無い場合、前記ガス遮断手段により前記供給経路を遮断する使用時間遮断機能を有する共に、所定の入力端子を備え、該入力端子に入力される信号に基づき、前記使用時間遮断機能を不能とすることを特徴とするガスメータ。
2. 請求項１のガスメータを介して供給される前記燃料ガスを水素に改質する改質装置と、該改質装置からの水素によって発電する燃料電池と、前記改質装置及び燃料電池の運転を制御する燃料電池側制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
   該燃料電池側制御手段は、前記ガスメータの制御手段の入力端子に対して、運転中であることを指示するための信号を出力することを特徴とする燃料電池システム。

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