JP2005353497A

JP2005353497A - 燃料電池用燃料供給装置

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Publication number: JP2005353497A
Application number: JP2004174756A
Authority: JP
Inventors: Hironori Hagio; 広典萩尾; Takayuki Abe; 孝之阿部; Yuji Honda; 祐二本多; Yoshikazu Takahashi; 芳和高橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】高品質の燃料ガスを燃料電池装置に安定して供給する。
【解決手段】ボンベ１３から供給される燃料ガスを燃料電池装置２とガス器具３とに供給する。ボンベ切替機能を有する切替器１４と、燃料ガスから硫黄成分や高沸点炭化水素を吸着除去する脱硫剤２９を内蔵した脱硫器２１と、燃料ガスの硫黄成分を検出する第１センサ２２と、成分を検出する第２センサ２３と、各センサからの検出信号と基準値とを比較し異常値を検出すると燃料電池装置２への燃料ガスの供給を停止又は切替させる制御監視盤２５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧燃料ボンベを燃料供給源とし、この高圧燃料ボンベに充填された液化石油ガス（LPG:Liquefied Petroleum Gas。以下ＬＰＧと称する。）や天然ガス等の燃料ガスをガス器具と燃料電池装置とに供給する燃料電池用燃料供給装置に関する。

燃料電池装置は、省エネルギー化やクリーン化を実現する高効率なコージェネレーションシステム（電気・熱同時発生システム）の有力手段として積極的な開発が進められている。燃料電池装置においては、業務用或いは一般家庭用として供給システムが確立されている天然ガスやＬＰＧを燃料として水素を取り出す方式が注目されている。

燃料電池装置においては、燃料ガスから水素を取り出す改質工程とともに、硫黄分を除去する脱硫工程が大きな研究課題となっている。燃料電池装置においては、燃料ガスに混入する高沸点炭化水素やメルカプタン、チオフェン等の天然成分や着臭剤として混合された硫黄成分や硫黄化合物が装置内部に用いられている各種の改質触媒や燃料電池電極触媒に対して被毒物質として作用して効率低下等の原因となる。燃料電池装置においては、このために燃料ガスから水素を取り出す改質工程とともに硫黄成分を除去する脱硫工程が必要となる（例えば、特許文献１乃至特許文献３を参照。）。

燃料電池装置においては、都市ガスを燃料ガスとして用いる都市ガス方式が先行している状況にあり、燃料電池ユニットを介して屋内に設置された適宜の電気機器に対して電気エネルギーの供給を行う。都市ガス方式の燃料電池装置においては、燃料ガスがガス配管内を３．５ｋＰａ程度の圧力で供給されるために、所定の圧力まで昇圧させる昇圧装置が必要となる。燃料電池装置においては、脱硫器について例えば５年間程度のメンテナンスフリーとするために高価な貴金属系の脱硫触媒を用いることが必要となる。燃料電池装置においては、脱硫器の交換のために新たなメンテナンスシステムの構築を必要とするとともにユーザに対して高額なメンテナンス費用を負担させるといった問題がある。

一方、ＬＰＧ又は天然ガスを充填した高圧ボンベを用いるボンベ方式の燃料電池装置は、莫大な設置投資の負担を不要として非都市ガス供給地域での導入も可能である。また、ボンベ方式の燃料電池装置においては、高圧燃料ボンベの内部に燃料ガスを高圧で充填することから昇圧装置を不要として燃料ガスの供給が行われ、システム全体の簡易化、小型化、低コスト化等が図られる。ボンベ方式の燃料電池装置においては、所定期間で高圧燃料ボンベの交換が行われることから、この高圧燃料ボンベの交換時に脱硫器の交換も行うことが可能である。ボンベ方式の燃料電池装置においては、交換頻度が高められることによって廉価な吸着触媒を内蔵した廉価な脱硫器を用いることが可能であるとともに、新たなメンテナンスシステムの構築も不要である。

特開平６−４９４６９号公報特開２００１−２７９２５６号公報特開２００２−８３６２３号公報

ボンベ方式の燃料電池装置は、上述したように都市ガス方式の燃料電池装置と比較して莫大な設備投資を必要とせずに非都市ガス供給地域への導入が可能であること、システム全体の簡易化、小型化、低コスト化等が図られること、新たなメンテナンスシステムの構築が不要であること等の特徴を有している。ボンベ方式の燃料電池装置においては、その実用化のために、燃料ガスに混入する硫黄成分や燃料の主成分以外の高沸点炭化水素が効率的に除去された高品質の燃料ガスが安定して供給され取り扱いが簡易で保守性に優れた燃料供給装置が必須となる。勿論、ボンベ方式の燃料供給装置は、燃料ガスを燃料電池装置とともに各種のガス器具にも供給することが必要である。

したがって、本発明は、高品質の燃料ガスを燃料電池装置に安定して供給する小型で廉価かつ保守対応に優れた燃料電池用燃料供給装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成する本発明にかかる燃料電池用燃料供給装置は、液化石油ガスや天然ガス等の燃料ガスを充填した高圧燃料ボンベを燃料供給源とし、この燃料供給源から供給管を介して供給される燃料ガスをガス器具と燃料電池装置とに供給する。燃料電池用燃料供給装置は、複数本の高圧燃料ボンベを備える燃料供給源から所定の圧力で供給される燃料ガスをガス配管に供給するとともに、燃料ガスの供給圧力が所定値以下であることを検出すると他の高圧燃料ボンベからの供給に切り替える切替動作と切替信号を出力する切替器を備える。燃料電池用燃料供給装置は、燃料供給源と燃料電池装置との間に配管された燃料配管に沿って付設された、脱硫器と第１センサと第２センサとを備える。燃料電池用燃料供給装置は、第１センサと第２センサとから出力される検出信号或いは切替器やガス流量計から出力される切替信号や計量信号が入力され、これら各入力信号と基準値とを比較して異常値を検出すると燃料配管を閉鎖させる制御信号を出力する制御部を備える。燃料電池用燃料供給装置は、脱硫器が、内蔵した脱硫剤によって燃料ガスに混入された硫黄成分や硫黄化合物或いは高沸点炭化水素を吸着除去する。燃料電池用燃料供給装置は、第１センサが、脱硫器を通過した燃料ガスの硫黄成分を検出して検出信号を出力する。燃料電池用燃料供給装置は、第２センサが、燃料ガスの成分を検出して検出信号を出力する。

燃料電池用燃料供給装置においては、高圧燃料ボンベから供給される燃料ガスがガス器具と燃料電池装置とに供給されることによって、ガス器具が既存のシステムと同様のまま使用されるようになるとともに燃料電池装置において発熱及び発電が行われるようにする。なお、燃料電池用燃料供給装置においては、例えば攪拌器を設けることによって、主成分ガス以外に高沸点炭化水素が混入された燃料ガスを撹拌して成分比率を均一化した状態でガス配管へと供給するようにしてもよい。

燃料電池用燃料供給装置においては、供給中の高圧燃料ボンベ内に燃料ガスが規定値以下の残量となって内圧が低下し供給管に対する燃料ガスの供給圧力が所定値以下となった場合に、切替器によってこの供給圧力の低下状態が検出されて他の高圧燃料ボンベに切り替える切替動作が行われる。また、燃料電池用燃料供給装置においては、切替器からボンベ切替の実行信号が制御部やガスメータ等に出力される。さらに、燃料電池用燃料供給装置においては、切替器が、高圧燃料ボンベ内に高圧状態で充填された燃料ガスを、一定の圧力に降圧して供給管に供給する降圧機能を有するようにしてもよい。

燃料電池用燃料供給装置においては、燃料電池装置側に供給される燃料ガスを脱硫器に導き、内蔵した脱硫剤によって燃料ガスに混入した硫黄成分や高沸点炭化水素等を除去する。燃料電池用燃料供給装置においては、硫黄成分等を除去した燃料ガスを燃料電池に供給することで、燃料電池に用いられている各種の触媒に対する悪影響を低減して効率的な発電、発熱が行われるようにする。燃料電池用燃料供給装置においては、ガス器具に対して燃料ガスを高圧燃料ボンベから脱硫器を通過させずに又は脱硫剤に接触させないで直接供給する。

燃料電池用燃料供給装置においては、第１センサや第２センサとして、例えば赤外線分析機が用いられる。第１センサは、例えば燃料ガスに含まれるチオフェンの１５２０ｃｍ^−１の吸収で現れる硫黄濃度を測定し、制御部に対して検出信号を出力する。第２センサは、燃料ガスがＬＰＧである場合に、このＬＰＧ中のプロパンの３０００ｃｍ^−１に現れる飽和炭化水素成分を測定し、次に、プロピレンの１７００ｃｍ^−１に現れる吸収で不飽和炭化水素成分を測定し、さらにベンゼンの８００ｃｍ^−１に現れる芳香族炭化水素成分を測定して制御部に対して検出信号を出力する。

燃料電池用燃料供給装置においては、制御部に対して、第１センサや第２センサから出力される検出信号や燃料供給源に付設されたガス流量計から出力される計量信号が入力される。燃料電池用燃料供給装置においては、制御部においてこれら検出信号或いは計量信号と基準値との比較を行い、異常値を検出すると切替器や供給管或いはガス配管や燃料配管に適宜設けた切替弁機構や弁機構を動作させる制御信号を出力して予備ボンベへの切替動作や供給管或いはガス配管や燃料配管の閉鎖動作等が行われるようにする。

燃料電池用燃料供給装置においては、脱硫剤を充填した脱硫空間部を内部に構成した缶体と、この缶体に設けられて供給管が接続されることによって燃料供給源から燃料ガスが供給される供給部と、缶体に脱硫空間部に連通して設けられるとともに燃料配管が接続される第１ガス送出部と、缶体に設けられてガス配管が接続される第２ガス送出部と、缶体内に供給部と第２ガス送出部とを接続して設けられ一部に脱硫空間部と連通する開口部が設けられた開口導管とから構成される脱硫器を備えてもよい。

燃料電池用燃料供給装置においては、ガス機器が使用される場合に、ガス配管側が負圧状態となるために供給管を介して脱硫器内に供給された燃料ガスが開口導管を介して第２ガス送出部からガス配管に直接流れ、脱硫剤に触れることなくガス機器へと供給されるようになる。燃料電池用燃料供給装置においては、燃料電池が使用される場合に、燃料配管側が負圧状態となるために供給管を介して脱硫器内に供給された燃料ガスが開口導管の各開口部を介して脱硫空間部内に流れ込む。燃料電池用燃料供給装置においては、燃料ガスが脱硫空間部内において脱硫剤によって硫黄成分等を除去され、第１ガス送出部から燃料配管に流れて燃料電池に供給される。燃料電池用燃料供給装置においては、脱硫器が切替機能を有することから、流路の切替を行う弁機構を不要としまた接続部位におけるガス漏れの発生も防止される。

燃料電池用燃料供給装置においては、脱硫器に、活性炭粒子や無機物材からなる粒子の表面に、金属や金属酸化物からなる微粒子又は薄膜を被覆させた脱硫剤が用いられる。脱硫剤は、例えば活性炭粒子の表面に金属や金属酸化物からなる微粒子又は薄膜をスパッタリングによって被覆させて製造される。また、脱硫剤は、例えば活性炭を混合したり、活性炭層との２層によって構成するようにしてもよい。

燃料電池用燃料供給装置においては、高圧燃料ボンベの交換時に脱硫器の交換も行うようにすることで、比較的廉価な活性炭粒子や無機物材粒子を基材とする廉価な脱硫剤が用いられ、脱硫器の低コスト化や小型、軽量化が図られる。

以上のように構成された本発明にかかる燃料電池用燃料供給装置によれば、莫大な設備投資を必要とせずに非都市ガス供給地域への導入を可能とするボンベ方式の燃料電池装置の早期実用化を実現する。燃料電池用燃料供給装置によれば、脱硫器によって燃料電池装置内に用いられている各種触媒に対して被毒物質として作用して効率低下等の原因となる硫黄成分や高沸点炭化水素を効率的に除去するとともに成分状態を監視しながら高精度の燃料ガスを燃料電池装置に供給することで、システム全体の簡易化、小型化、低コスト化が図られるようにする。燃料電池用燃料供給装置によれば、高圧燃料ボンベの回収と供給及び廉価な脱硫器の回収と供給とが一元化して定期的に実施されるようになり、信頼性の向上も図られるようになる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。燃料電池用燃料供給装置（以下、燃料供給装置と略称する。）１は、図１に示すようにＬＰＧを燃料電池装置２とガス器具３とに切替て供給することによって、非都市ガス供給地域における既存のＬＰＧ供給システムを利用した効率的なＬＰＧ方式の燃料電池装置システムを構築する。なお、燃料供給装置１は、燃料電池装置２が単独或いは商用電源と併用されて宅内機器等の全てのエネルギー源を構成することによりガス器具３が用いられないいわゆるオール電化住宅等に設置される場合に、燃料電池装置２にのみにＬＰＧを供給する。

燃料電池装置２は、詳細を後述するように燃料供給装置１からＬＰＧを供給され、改質部４と、この改質部４と水素配管５とによって接続されるとともに酸素取入れ部６と酸素配管７によって接続される燃料電池部８とから構成される。燃料電池装置２は、図示を省略するが、改質部４が内部にＬＰＧを水素に変換する適宜の触媒が設けられるとともに、ＬＰＧを燃焼させるヒータやこのヒータによって加熱される水供給管等を備えている。燃料電池装置２は、改質部４において、燃料供給装置１から供給されたＬＰＧとヒータとによって水供給管を加熱して発生させた水蒸気との混合気体から、触媒の作用によって水素を発生させる。

燃料電池装置２は、燃料電池部８の内部に、正極と、負極と、電解質としての高分子電解質膜と、水素や酸素の漏れを防止するセパレータと、水素や酸素の供給量を制御する制御部等が設けられている。燃料電池装置２は、燃料電池部８において、改質部４から水素配管５を介して供給された水素と酸素配管７を介して供給された酸素とから直流電力を発生させる。燃料電池装置２は、燃料電池部８で発電した直流電力を図示しない変換器によって交流電力に変換して電力供給線９を介して配電盤１０に供給する。なお、燃料電池装置２には、図示しないが燃料電池部８を冷却するラジエータが付設されており、このラジエータを熱源として供給パイプ１１によって適宜の熱交換機器１２へと熱エネルギーを導いて適宜利用することも可能である。

燃料供給装置１は、それぞれＬＰＧを充填した複数本の可搬型高圧燃料ボンベ１３Ａ、１３Ｂ（以下、それぞれボンベ１３Ａ、１３Ｂと略称し、また個別に説明する場合を除いてボンベ１３と総称する。）を燃料供給源とする。なお、燃料供給装置１は、燃料供給源がボンベ１３に限定されるものではなく、例えば各ユーザ毎に設置されて配給車から供給されるＬＰＧを貯蔵する固定型タンク（バルクタンク）によって構成してもよい。ボンベ１３は、所定の供給元と各ユーザとで供給契約が結ばれ、供給元においてＬＰＧを０．５〜１．５ＭＰａ程度まで加圧して液化した状態で充填する充填工程を行い、各ユーザの使用実績等に応じて定期的に交換が行われる。

ボンベ１３には、現状において非都市ガス供給地域において実施されている既存のＬＰＧ供給システムに用いられている高圧燃料ボンベがそのまま用いられる。ボンベ１３は、詳細を省略するが鋼材等により耐圧容器として形成されたボンベ本体と、その天井部に一体に形成された円筒状のバルブ組付部に組み付けられたバルブ構造体と、台座部とから構成される。ボンベ１３は、運搬車等によって各ユーザに配達されて所定の場所に複数本が並んで設置され、それぞれのバルブ構造体にガス配管が接続される。ボンベ１３には、詳細を省略するがバルブ構造体からＬＰＧ供給管が出されており、ハンドルを操作してバルブ構造体内のバルブ弁が開放されることによって、ボンベ本体内からＬＰＧを供給管１５へと供給する。

燃料供給装置１には、切替調整器１４と、この切替調整器１４に接続される供給管１５に沿って攪拌器１６とガスメータ１７が設けられている。燃料供給装置１は、供給管１５が、ガスメータ１７を介してＬＰＧを燃料電池装置２側へと供給する燃料配管１９とガス器具３側へと供給するガス配管２０とに分岐される。燃料供給装置１には、燃料配管１９に沿って脱硫器２１と、第１センサ２２及び第２センサ２３と、昇圧装置２４とが設けられている。燃料供給装置１には、システム全体を制御する制御監視盤２５が設けられている。

切替調整器１４は、従来のＬＰＧ供給システムにも設けられており、ＬＰＧを所定の圧力に降圧する降圧機能、圧力検出機能、ボンベ１３の切替機能或いは切替信号発信機能を有している。切替調整器１４は、降圧機能によって、ボンベ１３から高圧で供給されるＬＰＧをガス器具３やガスメータ１７の耐圧圧力の２．８〜３．５ｋＰａ程度にまで降圧し、供給管１５やガス配管２０の低圧仕様化を図ってガス漏れの発生を抑制するようにする。

切替調整器１４は、圧力検出機能によって、ボンベ１３から供給されるＬＰＧの圧力を測定する。切替調整器１４は、ＬＰＧを供給しているボンベ１３Ａにおいて使用に伴ってＬＰＧの残量が少なくなり、例えば０．０８ＭＰａ程度まで降下した状態を検出する。切替調整器１４は、この圧力降下を検出すると、切替機能によってＬＰＧの供給源をボンベ１３Ａ側からボンベ１３Ｂ側へと切り替える切替動作を行う。切替調整器１４は、開放されているボンベ１３Ａ側の弁機構を閉塞するとともに、閉塞されていたボンベ１３Ｂ側の弁機構を開放する。切替調整器１４は、この切替え動作を実行するとともに、発信機能によってガスメータ１７及び制御監視盤２５に対して切替え信号を出力する。

ＬＰＧは、プロパンを主成分とするが気化特性を異にする数％のブタンや数ｐｐｍ単位の高沸点炭化水素も混入しており、ボンベ１３内において自然気化して供給管１５へと供給される。ＬＰＧは、ボンベ１３内で満タン状態の場合に、ほぼプロパン成分のみが供給管１５に供給されるが、残量の低下に伴って次第にブタンの割合が多くなってくる。したがって、燃料供給装置１は、環境条件や残量等の要因によって成分比率にバラツキがあるＬＰＧを供給管１５に供給するようになる。

燃料供給装置１においては、供給管１５の途中に攪拌器１６を設けてＬＰＧを撹拌し、プロパンとブタンとの比率を均一化して燃料電池装置２へと供給することにより、燃料電池装置２の改質部４において効率的な改質が行われるようにする。攪拌器１６は、例えば豊晴理工製の超振動攪拌器や佐竹化学機械工業製のポータブルミキサ等が用いられ、後述するように第２センサ２４により検出されるＬＰＧの成分情報に基づいてブタンの割合が一定以上となった場合に制御監視盤２５から出力される制御信号によって駆動される。なお、攪拌器１６は、常時駆動されるようにしてもよく、また切替調整器１４の前段位置或いは高圧燃料ボンベ内に設置するようにしてもよい。

ガスメータ１７は、燃料供給装置１を既存のＬＰＧ供給システムに設置することを前提とすることから、既設のいわゆるマイコンガスメータが用いられる。ガスメータ１７は、ＬＰＧの使用量を計量するとともに電話回線やデジタル無線電話サービス（PHS:Personal Handy-Phone System）網によって計量値やガス漏れ警報等を通信する機能を備えている。ガスメータ１７は、切替調整器１４から出力された切替え信号を受信するとともに、計量値情報を供給元や制御監視盤２５に対して出力する。なお、ガスメータ１７については、供給管１５に付設される計量センサによって構成し、表示器や通信機能等を制御監視盤２５に持たせるようにしてもよい。

燃料供給装置１は、上述したように高圧のＬＰＧを切替調整器１４によってガス器具３の耐圧仕様以下の圧力まで降圧して供給管１５に供給する。燃料供給装置１は、後述するように昇圧装置２４によってＬＰＧを所定の圧力まで再高圧化して燃料電池装置２へと供給する。なお、昇圧装置２４については、例えば燃料電池装置２側に設けるようにしてよい。

燃料供給装置１は、燃料配管１９に設けた脱硫器２１によって硫黄成分や硫黄化合物或いは高沸点炭化水素を除去したＬＰＧを、燃料配管１９を介して燃料電池装置２へと供給する。燃料供給装置１は、硫黄成分等を除去したＬＰＧを燃料電池装置２に供給することにより、燃料電池装置２内に用いられている各種の触媒に対する悪影響を低減して効率的な発電、発熱が行われるようにする。

脱硫器２１は、適宜の取付機構を介して供給管１５と燃料配管１９との間に設置される。脱硫器２１は、図２に示すように例えば防錆性に優れたステンレス材等によってやや寸胴に形成された缶体２６を有し、この缶体２６の内部が長さ方向に並んで設けられた複数の仕切壁２７ａ乃至２７ｄによって複数の脱硫空間部２８ａ乃至２８ｅに区割りされており、各脱硫空間部２８ａ乃至２８ｅにそれぞれに脱硫剤２９が充填されている。脱硫器２１には、各仕切壁２７ａ乃至２７ｄにそれぞれガス流口３０ａ乃至３０ｄが設けられており、ジョイント管部３１から缶体２６の内部に供給されたＬＰＧが各ガス流口３０ａ乃至３０ｄを通過して供給管部３２から燃料電池装置２へと供給されるようにする。

脱硫器２１は、各仕切壁２７ａ乃至２７ｄに形成されたガス流口３０ａ乃至３０ｄが、ＬＰＧの進行方向に対して千鳥状に配列されている。したがって、脱硫器２１は、ＬＰＧが図２矢印で示すように各脱硫空間部２８ａ乃至２８ｅ内を蛇行して流れることによってそれぞれに充填された脱硫剤２９に充分に触れて硫黄成分や硫黄化合物或いは高沸点炭化水素が効率的に除去されるようにする。

脱硫器２１については、上述した構造に限定されるものではなく、縦型或いは横型のいずれであってもよく、底部から上部に向かってＬＰＧを流すように構成してもよい。また、脱硫器２１は、缶体２６の内部を仕切壁２７によって仕切らずに構成するようにしてもよい。脱硫器２１は、ガスメータ１７の後段に設けるようにしたが、例えば各ボンベ１３にそれぞれ直接取り付けるようにしてもよい。ＬＰＧは、この場合に脱硫された後にガス配管２０にも供給されるようになるが、特に支障が生じることは無い。脱硫器２１は、各ボンベ１３を交換する際に、同時に交換されることから交換作業の簡易化が図られるようになる。なお、脱硫器２１は、この場合に現状で様々な仕様のボンベ１３が提供されていることから、適宜のアダプタ構造を介してボンベ１３に取り付けるようにする必要がある。

脱硫器２１には、脱硫剤２９として、例えば微細多孔質の活性炭粒子或いは無機物粒子を基材とし、この基材の表面にその粒径よりも小さな金属や金属酸化物を担持させた脱硫剤が用いられる。脱硫剤２９は、常温、常圧雰囲気で、物理的なファンデルワールス吸着や化学的な吸着論等に基づいて、ＬＰＧから硫黄成分や硫黄化合物或いは高沸点炭化水素を吸着除去する。脱硫剤２９は、孔径が５Å〜１５Åの微細孔を有する基材を用いることによって、ＬＰＧ中の高沸点炭化水素を効率的に吸着除去して１ｐｐｍ以下とする。

脱硫剤２９は、基材として一般に提供されている硫黄化合物との反応性が大きい鉄、亜鉛、ニッケル等の金属元素を多く含む椰子殻系活性炭や石炭系活性炭のいずれも使用可能であり、また単体で用いるようにしてもよい。脱硫剤２９は、活性炭として、水蒸気含有率が３０％以下の雰囲気中で賦活された活性炭を用いることが好ましい。脱硫剤２９は、後述する製造装置によって、活性炭粒子に対してさらに硫黄化合物との反応性が大きな特性を有するニッケル、コバルト、モリブデン、銀、銅等の金属及びその酸化物の微粒子又は被膜をスパッタリングにより被覆することで特性向上を図ったものも用いられる。

また、脱硫剤２９は、基材として例えばゼオライト等の無機物体粒子が用いられ、これらを単独で用いるようにしてもよい。脱硫剤２９は、基材に対して後述する製造装置によって、無機物粒子に対してさらに硫黄化合物との反応性が大きな特性を有するニッケル、コバルト、モリブデン、銀、銅等の金属及びその酸化物の微粒子又は被膜をスパッタリングにより被覆することで特性向上を図ったものも用いられる。

脱硫器２１は、上述したように廉価な椰子殻系活性炭や石炭系活性炭活性炭からなる活性炭或いはゼオライト等の無機物材を基材として表面にその粒径よりも小さな金属や金属酸化物を担持させた脱硫剤２９が用いられている。脱硫器２１は、基材が廉価でありかつ反応性の高い脱硫剤２９を用いることで、低コスト化や小型化、軽量化が図られるとともに保守性の向上も図られて硫黄成分や高沸点炭化水素等を除去した高品質のＬＰＧを燃料電池装置２に供給する。

脱硫剤２９の製造装置としては、例えば図３に示した多角バレルスパッタ装置４０を用いることによって、微細粒子に対してさらに小さい超微粒子或いは薄膜を効率的に形成した脱硫剤２９を得ることが可能である。多角バレルスパッタ装置４０は、円筒体４２とその内部に設けられて脱硫剤２９の基体となる微細粒体４４を収納する多角形断面形状のバレル４３とからなり、図示しない回転駆動機構によって回転駆動される真空容器４１を備える。多角バレルスパッタ装置４０には、真空容器４３の中心部に角度調整機構によって適宜の角度に調整自在なスパッタリングターゲット４５が設けられる。

多角バレルスパッタ装置４０には、真空容器４１の外周部に、真空容器４１の内部を真空とする真空装置４６と、バレル４３内に収納した微細粒体４４を加熱するヒータ４７と、振動を加えるバイブレータ４８と、スパッタリングターゲット４５とバレル４３との間に高周波を印加する高周波印加器４９とが設けられている。多角バレルスパッタ装置４０には、真空容器４１内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入部５０とアルゴンガスを導入するアルゴンガス導入部５１とが設けられるとともに、真空容器４１の内部圧力を計測する圧力計５２が設けられている。なお、ガス導入部５１には他のガス（酸素、水素等）を導入させることも可能であり、スパッタリング時のガス雰囲気を自由に制御できる。

多角バレルスパッタ装置４０においては、バレル４３の内部に上述した活性炭や無機物体からなる微細粒体４４を収納する。多角バレルスパッタ装置４０においては、スパッタリングターゲット４５として、微細粒体４４に被膜形成される上述した金属が用いられる。多角バレルスパッタ装置４０においては、ヒータ４７によってバレル４３を加熱しながら、真空装置４６を起動して真空容器４１の内部を真空状態とする。多角バレルスパッタ装置４０においては、アルゴンガス導入部５１からアルゴンガスを真空容器４１の内部に所定の圧力となるまで導入する。多角バレルスパッタ装置４０においては、回転駆動機構によってバレル４３を回転させるとともにバイブレータ４８によって振動を加えて微細粒体４４を撹拌する。多角バレルスパッタ装置４０においては、高周波印加器４９から高周波を印加して微細粒体４４に対して角度調整が行われたスパッタリングターゲット４５からスパッタリングを行って微細粒体４４の表面にスパッタ膜或いは微粒子層を形成する。

多角バレルスパッタ装置４０においては、真空容器４１に振動と回転とを加えて微細粒体４４を効率的に撹拌することにより、水分や静電気による微細粒体４４がバレル４３の内部で凝集することを抑制する。また、多角バレルスパッタ装置４０においては、ヒータ４７によってバレル４３を加熱することにより、バレル４３の内部を乾燥状態とさせるとともに微細粒体４４に含まれる水分を蒸発させて微細粒体４４の凝集を抑制する。したがって、多角バレルスパッタ装置４０においては、粒径が５μｍ以下の微細粒体４４についても金属スパッタ膜を効率的に形成することが可能であり、活性炭や無機物体の表面に遷移金属やその酸化物の微粒子や被膜を均一な状態で被覆した脱硫剤２９を効率よく製造する。

ところで、燃料供給装置１においては、上述した脱硫器２１を通過したＬＰＧが、脱硫剤２９の経時変化や何らかの原因によって所定レベルの脱硫が行われずに燃料電池装置２へと供給されてしまうことも危惧される。また、燃料供給装置１は、上述したように攪拌器１６を設けてＬＰＧの成分均一化を図るようにしているが、ボンベ１３内の残量の低下にしたがってブタン成分の割合が多いＬＰＧを燃料電池装置２に供給してしまう。燃料電池装置２は、燃料ガスとしてＬＰＧを用いる場合に、改質触媒等をＬＰＧの主成分であるプロパン仕様で設計する。したがって、燃料電池装置２は、燃料供給装置１から成分を異にするＬＰＧが燃料ガスとして供給されることにより、改質触媒の劣化や改質効率が低下する。なお、燃料電池装置２は、燃料ガスとして都市ガスを用いる場合には、メタン仕様で設計される。

燃料供給装置１においては、燃料配管１９に沿って第１センサ２３と第２センサ２４とを設けてＬＰＧの成分検出を行うことによって、所定成分のＬＰＧが燃料電池装置２に供給されるように監視する。第１センサ２３及び第２センサ２４には、赤外線分析器が用いられ、所定波数に現れる硫黄成分や炭化水素成分を測定する。

第１センサ２３は、脱硫器２１によってＬＰＧ中の硫黄成分が所定のレベルで除去されていることを検出する。第１センサ２３は、具体的にはＬＰＧ中のチオフェンの１５２０ｃｍ^−１に現れる吸収で硫黄成分を測定する。第１センサ２３は、ＬＰＧ中からこれらの測定を行うことで検出した硫黄成分の検出信号を後述する制御監視盤２５に出力する。

第２センサ２４は、ＬＰＧ中のプロパン濃度とブタン以上の炭化水素の濃度とを測定する。第２センサ２４は、具体的には、ＬＰＧ中のプロパンの３０００ｃｍ^−１に現れる飽和炭化水素成分を測定し、次に、プロピレンの１７００ｃｍ^−１に現れる吸収で不飽和炭化水素成分を測定し、さらにベンゼンの８００ｃｍ^−１に現れる芳香族炭化水素成分を測定して制御部に対して検出信号を出力する。第２センサ２４は、これらの測定を行うことでＬＰＧの成分検出を行って検出信号を後述する制御監視盤２５に出力する。

燃料供給装置１においては、上述したようにボンベ１３の切替機能とＬＰＧの降圧機能を有する切替調整器１４を備え、この切替調整器１４によってボンベ１３から供給されるＬＰＧを低圧化して供給管１５に供給するように構成している。したがって、燃料電池装置２においては、供給される低圧化したＬＰＧを昇圧装置２４により、その仕様に基づく所定の圧力まで昇圧する。

制御監視盤２５は、詳細を省略するがマイクロコンピュータや表示器或いは通信機能等を備えており、燃料電池装置２に対するＬＰＧの供給動作を制御するとともにボンベ１３の供給元や適宜の外部機関との通信を行う。制御監視盤２５は、切替調整器１４から出力されるボンベ１３の切替信号を受信すると、ＬＰＧの残量計算等を行い供給元に対して必要な情報提供等を行う。制御監視盤２５は、ガスメータ１７から出力される計量信号を受信すると、例えばこの計量信号と平均使用量等の基準値との比較を行い異常値を検出すると供給元に対して警報を発信する。

制御監視盤２５は、基準の硫黄成分値や基準成分値の基準値情報を格納しており、第１センサ２３や第２センサ２４から出力される検出信号を受信すると、これら検出信号と基準値情報との比較を行う。制御監視盤２５は、基準値を超える硫黄成分値や基準成分値を検出すると、切替調整器１４或いは図示しない弁機構に対して制御信号を出力してＬＰＧの供給を停止又は予備ボンベへの切替えをさせるとともに警報信号を供給元や所定の外部機関等に発信する。制御監視盤２５は、第２センサ２４から出力される検出信号に基づいてブタンの割合が一定値を超えた状態を検出すると、攪拌器１６を駆動させる制御信号を出力してＬＰＧを撹拌させる。

上述した燃料供給装置１は、ＬＰＧを燃料ガスとして燃料電池装置２に供給するようにしたが、簡易な対応を図ることにより燃料ガスとして都市ガスを供給する装置への転換も可能である。かかる燃料供給装置１は、都市ガス用のガスメータの後段でガス配管と接続するように構成され、切替調整器１４や撹拌器１６を特に不要とする。また、かかる燃料供給装置１は、第２センサ２４が、都市ガスのメタン濃度とエタン以上の炭化水素の濃度を検出する。

また、上述した燃料供給装置１においては、切替調整器１４によってボンベ１３から高圧で供給されるＬＰＧを所定の圧力に降圧して供給管１５に供給することから、上述したように燃料配管１９に昇圧装置２４を設けてＬＰＧを昇圧して燃料電池装置２改質部４へ供給するように構成する。図４に示した燃料供給装置６０は、ボンベ１３から高圧のＬＰＧが供給されるＬＰＧ供給システムの特徴を利用して適宜の圧力に調整したＬＰＧを燃料電池装置２へと供給することにより、昇圧装置２４を不要として構造の簡易化を図っている。なお、燃料供給装置６０は、以下に説明する部位を除く他の部位が上述した燃料供給装置１の対応部位と同等であることから、同一符号を付すことによって説明を省略する。

すなわち、燃料供給装置６０は、上述したボンベ１３の切替機能とＬＰＧの圧力調整機能とを有する切替調整器１４に代えて、単機能のボンベ切替器６１と第１圧力調整器６２と第２圧力調整器６３とを備えて構成される。燃料供給装置６０においては、切替器６１によって、ＬＰＧが所定の圧力値以下となった場合にボンベ１３Ａから新規のボンベ１３Ｂへの切替が行われるようにする。燃料供給装置６０においては、ガスメータ１７の前段に切替器６１との間に位置して第１圧力調整器６２が供給管１５に設けられるととも、ガスメータ１７の後段に位置して第２圧力調整器６３がガス配管２０に設けられる。

第１圧力調整器６２は、切替器６１を介してボンベ１３から供給されたＬＰＧを中圧に高圧して脱硫器２１に供給する。第１圧力調整器６２は、脱硫器２１内を通過する際に生じる圧力損失をカバーするために、設定圧力を燃料電池装置２の改質部４が要求する圧力仕様よりも若干高めの圧力に設定してＬＰＧを供給する。また、第２圧力調整器６３は、ガスメータ１７から供給される中圧のＬＰＧを所定の圧力までさらに降圧してガス機器３に供給する。

なお、燃料供給装置６０は、既存のＬＰＧ供給システムにそのまま適用する場合に、既設の切替調整器１４に代えて上述したボンベ切替器６１及び第１圧力調整器６２と第２圧力調整器６３を設けるとともに中圧用のガスメータ１７と交換する必要がある。燃料供給装置６０は、切替調整器１４との比較でこれら交換機器が全体としても利用者に対してさほど大きな負担を強いることは無く、また高能力の昇圧装置２４を不要とすることからも充分に実用化を図ることが可能である。

図５に示した燃料供給装置７０は、図６に示した流路切替型の脱硫器７１を備えた構成に特徴を有している。なお、燃料供給装置７０は、基本的な構成を上述した燃料供給装置６０と同様とすることから対応する部位に同一符号を付すことによって説明を省略する。燃料供給装置７０は、ガスメータ１７を介して供給管１５に脱硫器７１が設けられ、この脱硫器７１を介して燃料配管１９とガス配管２０とが分岐される。ガス配管２０には、第２圧力調整器６３が設けられている。

脱硫器７１は、ステンレス材等によって形成された缶体７２の内部に脱硫剤２９を充填した脱硫空間部７３を構成する。脱硫器７１には、缶体７２の一方側面部７２ａに、ＬＰＧの供給部を構成する第１開口部７４と、脱硫処理後のＬＰＧを送出する第１ガス送出部を構成する第２開口部７５とが設けられている。脱硫器７１には、缶体７２の相対する他方側面部７２ｂに、未脱硫処理のＬＰＧを送出する第２ガス送出部を構成する第３開口部７６が形成されている。脱硫器７１には、缶体７２の内部に、第１開口部７４と第３開口部７６とを連結する導管７７が設けられている。

脱硫器７１には、第１管継ぎ手７８を介して一端をガスメータ１７に接続された供給管１５の他端が接続される。脱硫器７１には、供給管１５を介してＬＰＧが供給される。脱硫器７１には、第２管継ぎ手７９を介して燃料配管１９が接続されるとともに、第３管継ぎ手８０を介してガス配管２０が接続される。脱硫器７１は、導管７７が側面部７２ａ、７２ｂ間に架け渡されるようにして缶体７２の内部に設けられており、供給管１５とガス配管２０とを直結する。導管７７には、第３開口部７６の近傍に位置して、脱硫空間部７３と連通させる複数の開口部７７ａ、７７ｂが形成されている。

以上のように構成された脱硫器７１においては、供給管１５を介して導管７７にＬＰＧが供給されている。脱硫器７１においては、ガス機器３が使用されるとガス配管２０側が負圧状態となるために、ＬＰＧが導管７７を介して第３開口部７６側からこのガス配管２０に直接流れ、脱硫剤２９に触れることなくガス機器３へと供給されるようにする。

脱硫器７１においては、燃料電池装置２が使用される場合に、燃料配管１９側が負圧状態となるために、ＬＰＧが導管７７の各開口部７７ａ、７７ｂから脱硫空間部７３内に引き込まれる。脱硫器７１においては、ＬＰＧが脱硫空間部７３内において脱硫剤２９によって硫黄成分等を除去されて燃料配管１９を介して燃料電池装置２に供給される。

燃料供給装置７０においては、上述したように脱硫器７１がＬＰＧを燃料配管１９とガス配管２０とに切り替えて供給する機能を有することから、流路の切替を行う切替機構等を不要とし、また管接続部位において発生しやすいガス漏れを防止して信頼性の向上を図るようになる。なお、燃料供給装置７０は、脱硫器７１を、第１圧力調整器６２の前段位置或いはボンベ１３に直接設けるようにしてもよい。

燃料供給装置を用いた燃料電池システムの要部構成図である。燃料供給装置に備えられる脱硫器の要部断面図である。脱硫剤を製造する多角バレルスパッタ装置の要部構成図である。燃料供給装置を用いた第２の燃料電池システムの要部構成図である。燃料供給装置を用いた第３の燃料電池システムの要部構成図である。分岐型脱硫器の要部縦断面図である。

符号の説明

１燃料供給装置、２燃料電池装置、３ガス器具、４改質部、８燃料電池部、１３ボンベ、１４切替調整器、１５供給管、１６撹拌器、１７ガスメータ、１９燃料配管、２０ガス配管、２１脱硫器、２２第１センサ、２３第２センサ、２５制御監視盤、２６缶体、２７仕切壁、２８脱硫空間部、２９脱硫剤、４０多角バレルスパッタ装置、４１真空容器、４３バレル、４４微細粒体、４５スパッタリングターゲット、６０燃料供給装置、６１切替器、６２第１圧力調整器、６３第２圧力調整器、７０燃料供給装置、７１脱硫器、７２缶体、７３脱硫空間部、７４第１開口部、７５第２開口部、７６第３開口部、７７導管

Claims

燃料ガスとして液化石油ガス（LPG:Liquefied Petroleum Gas）や天然ガスを充填した高圧燃料ボンベを燃料供給源とし、この燃料供給源から供給管を介して供給される上記燃料ガスをガス配管を介してガス器具に供給するとともに燃料配管を介して燃料電池装置に供給する燃料電池用燃料供給装置において、
複数本の上記高圧燃料ボンベを備える上記燃料供給源と、
上記燃料供給源から所定の圧力で供給される上記燃料ガスを上記ガス配管に供給するとともに、上記燃料ガスの供給圧力が所定値以下であることを検出すると他の高圧燃料ボンベからの供給に切り替える切替動作を行うとともに切替信号を出力する切替器と、
上記燃料供給源と上記燃料電池装置との間に配管された上記燃料配管に付設されて、供給される上記燃料ガスに混入された少なくとも硫黄成分や硫黄化合物を吸着除去する脱硫剤を内蔵した脱硫器と、
上記燃料配管に付設されて、上記脱硫器を通過した上記燃料ガスの硫黄成分を検出する第１センサと、
上記燃料配管に付設されて、上記脱硫器を通過した上記燃料ガスの成分を検出する第２センサと、
上記第１センサと上記第２センサとから出力される検出信号、上記燃料供給源に付設された上記切替器から出力される切替信号、ガス流量計から出力される計量信号が入力され、これら各信号と基準値とを比較して異常値を検出すると上記燃料配管を閉鎖させる制御信号を出力する制御部と
を備えることを特徴とする燃料電池用燃料供給装置。
上記脱硫器が、内部に上記脱硫剤を充填する脱硫空間部を構成した缶体と、この缶体に設けられて上記供給管が接続されることによって上記燃料供給源から上記燃料ガスが供給される供給部と、上記缶体の上記脱硫空間部に連通して設けられるとともに上記燃料配管が接続される第１ガス送出部と、上記缶体に設けられて上記ガス配管が接続される第２ガス送出部と、上記缶体内に上記供給部と上記第２ガス送出部とを接続して設けられ一部に上記脱硫空間部と連通する開口部が設けられた開口導管とから構成され、
上記燃料供給源から供給される上記燃料ガスを、上記ガス配管又は上記燃料配管に切り替えて供給する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用燃料供給装置。
上記脱硫器に、活性炭粒子や無機物材からなる粒子の表面に、金属や金属酸化物からなる微粒子又は薄膜を被覆させた脱硫剤が用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用燃料供給装置。