JP2016146287A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、リサイクルガス含有の原料流量を適切に制御する燃料電池システムを提供する。【解決手段】原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器３と、水添脱硫器からの原料を用いて改質ガスを生成する改質器２と、水添脱硫器に供給する原料が流れる原料経路４と、水添脱硫器に原料を供給する原料供給器６と、改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして原料供給器よりも上流の原料経路に供給するためのリサイクル経路５と、リサイクル経路からのリサイクルガスが流入する合流部よりも上流の原料経路を流れる原料の流量を計測する原料流量計測器７と、原料流量計測器を通過する原料の流量を調整する原料流量調整器８と、原料供給器の吐出流量と原料流量計測器で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように原料流量調整器及び原料供給器を制御する制御器９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池は、小規模でも発電効率が高くできるので、分散型の発電システムの発電部として用いられている。

分散型発電システムとして機能させるには、発電時の原料を安定的に供給する必要がある。一般的に原料には、既存のインフラストラクチャーから供給される天然ガスを主成分とする天然ガス（都市ガス）、ＬＰＧ、ガソリン、灯油等が用いられる。かかる原料を改質した改質ガスが燃料電池の燃料となるが、原料には、硫黄化合物が含まれる。

例えば、ディメチルスルフィド、ターシャリーメチルメルカプタン等のインフラストラクチャーからの漏れを臭いで検出するための付臭剤がその一例である。

このような原料中の硫黄化合物は、原料を改質反応させる改質器に用いる触媒の被毒成分となり、反応性を低下させる。

そこで、原料中の硫黄化合物を除去するための脱硫器が併設される。かかる脱硫器として、硫黄化合物を吸着除去する吸着脱硫器、硫黄化合物を水素化（水添）し、除去する水添脱硫器が例示される。

水添脱硫器は、硫黄化合物の除去率が大きいので、脱硫器を小型化できるが、水素を原料ガスに安定して添加することが必要となる。水素には原料を改質した改質ガスの一部を利用し、原料に改質ガスをリサイクルさせる構成が多くとられる。

改質ガスをリサイクルする場合、改質ガス中の水蒸気からの凝縮水によってリサイクル経路が詰まる場合、原料に安定して水素が添加できない可能性がある。そこで、リサイクル経路に改質ガス中の水蒸気を除去する水蒸気凝縮分離器を備える燃料システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、水素を一定量以上供給するため、リサイクル経路との合流箇所よりも上流の原料ガス供給路の圧力を検知する圧力検知器と、リサイクル経路に設けられた流量制御器とを備え、圧力検知器の検出値を考慮して、リサイクル経路を介して原料ガスに添加される水素含有ガスの体積比率が下限値以上になるように流量制御器を制御する構成が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−３５６３０８号公報 特開２０１２−２５０８７６号公報

しかし、従来例は、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、リサイクルガス含有の原料流量の適切な制御については十分に検討されていない。

本発明の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、従来に比べ、リサイクルガス含有の原料流量を適切に制御し得る燃料電池システムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明の一態様の燃料電池システムは、燃料電池と、前記原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器からの原料を用いて、前記燃料電池に供給するための改質ガスを生成する改質器と、前記水添脱硫器に供給する原料が流れる原料経路と、前記水添脱硫器に原料を供給する定容積型の原料供給器と、前記改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記原料供給器よりも上流の前記原料経路を流れる原料に供給するためのリサイクル経路と、前記リサイクル経路からのリサイクルガスが流入する合流部よりも上流の前記原料経路を流れる原料の流量を計測する原料流量計測器と、前記原料流量計測器を通過する原料の流量を調整する原料流量調整器と、前記原料供給器の吐出流量と前記原料流量計測器で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように、前記原料流量調整器及び前記原料供給器を制御する制御器と、を備える。

本発明の一態様の燃料電池システムは、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、従来に比べ、リサイクルガス含有の原料流量を適切に制御し得る。

図１は、実施の形態１の燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、実施の形態１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態１の実施例１の燃料電池システムの一例を示す図である。 図４は、実施の形態１の実施例２の燃料電池システムの一例を示す図である。 図５は、実施の形態２の燃料電池システムの一例を示す図である。 図６は、実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態２の実施例１の燃料電池システムの一例を示す図である。 図８は、実施の形態２の実施例２の燃料電池システムの一例を示す図である。

（実施の形態１）
発明者らは、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、リサイクルガス含有の原料流量の適切な制御について鋭意検討し、以下の知見を得た。

燃料電池の安定的な動作には、改質ガスの安定的な生成が重要となる。そして、改質ガスの安定的な生成には、改質触媒の硫黄被毒を防止する水添脱硫器の性能確保のため、水素（改質ガス）を一定量範囲内で原料に添加（リサイクル）する必要がある。また、改質器へ送られるリサイクルガス含有の原料流量は、改質反応における熱バランス及びスチームカーボン比等に影響を与える。よって、改質器へのガス供給量のばらつきを抑制する必要がある。特に、原料に改質ガスの一部をリサイクルする場合、リサイクルガス含有の原料流量のバランスを取ることが困難なことが多い。よって、発明者らは、このような原料供給系については未だ改善の余地があると判断している。

そこで、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池と、原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器からの原料を用いて、燃料電池に供給するための改質ガスを生成する改質器と、水添脱硫器に供給する原料が流れる原料経路と、水添脱硫器に原料を供給する定容積型の原料供給器と、改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、原料供給器よりも上流の原料経路を流れる原料に供給するためのリサイクル経路と、リサイクル経路からのリサイクルガスが流入する合流部よりも上流の原料経路を流れる原料の流量を計測する原料流量計測器と、原料流量計測器を通過する原料の流量を調整する原料流量調整器と、原料供給器の吐出流量と原料流量計測器で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように、原料流量調整器及び原料供給器を制御する制御器とを備える。

かかる構成により、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、従来に比べ、リサイクルガス含有の原料流量を適切に制御し得る。

つまり、原料流量調整器を用いることで、原料流量を所望量に調整でき、定容積型の原料供給器を用いることで、リサイクルガス含有の原料を一定量、水添脱硫器及び改質器に供給できる。これにより、リサイクルガスが添加される前の原料流量と、リサイクルガスが添加された後の原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように制御できる。

以上により、水添脱硫器に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるので、燃料電池システムを安定的に運転し得る。

以下、実施の形態１の具体例について図面を参照しながら説明する。

［装置構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質器２と、水添脱硫器３と、原料経路４と、リサイクル経路５と、原料供給器６と、原料流量計測器７と、原料流量調整器８と、制御器９とを備える。

燃料電池１は、改質器２で生成された水素含有の改質ガス（アノードガス）を用いて発電する。なお、燃料電池１は、発電用の空気等のカソ−ドガス及び発電用のアノードガスの供給に用いるガス供給機構、カソードガスの予熱機構、発電利用後のアノードガス及びカソードガスの排出に用いる排ガス排出機構、及びカソードオフガス及びアノードオフガスから水を回収する水回収機構を備えるが、これらは公知である。よって、詳細な構成の説明は省略する。

燃料電池１としては、いずれの種類であってもよい。燃料電池１として、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、燐酸形燃料電池等が例示される。なお、燃料電池１が、固体酸化物形燃料電池の場合、改質器２と燃料電池１とが１つの容器内に内蔵されてもよい。

水添脱硫器３は、原料中の硫黄成分を除去する。水添脱硫器３は、容器に水添脱硫剤が充填される。水添脱硫剤として、例えば、銅及び亜鉛を含む水添触媒を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、Ｎｉ−Ｍｏ系又はＣｏ−Ｍｏ系触媒と酸化亜鉛系触媒との組み合わせた触媒でもよい。水添脱硫剤が銅及び亜鉛を含む場合、水添脱硫器３は約１５０℃−３５０℃が適温の動作範囲となる。よって、水添脱硫器３での水添反応を高温条件で効果的に進行させるべく、水添脱硫器３を約２５０℃近傍の温度にまで加熱する。例えば、改質器２の加熱に用いた後の燃焼排ガス等により、水添脱硫器３を加熱する構成を取ることが多い。なお、原料として、メタンを主成分とする都市ガス又は天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む燃料を例示できる。

改質器２は、水添脱硫器３からの原料を用いて、燃料電池１に供給するための改質ガスを生成する。具体的には、改質器２において、原料が改質反応して、水素含有の改質ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。例えば、改質反応として、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化改質反応等を例示できる。改質器２の改質触媒として、例えば、Ｒｕ系触媒を用いることができる。改質器２の改質ガスは、燃料電池１の発電時の燃料であるアノードガスとして、改質ガス経路を介して燃料電池１に送られる。改質反応に必要な熱は、燃料電池１から排出される熱エネルギーを利用する。例えば、燃料電池１から排出されるカソードオフガス及びアノードオフガスの燃焼による燃焼熱を改質器２の加熱に用いるとよい。

リサイクル経路５は、改質器２からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、原料供給器６よりも上流の原料経路４を流れる原料に供給するための流路である。リサイクル経路５の上流端は、改質器２より送出された改質ガスが流れる経路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。

原料供給器６は、水添脱硫器３に原料を供給する定容積型の供給器である。具体的には、原料供給器６は、原料経路４を流れる原料及び改質器２の下流の原料経路４から分岐されるリサイクル経路５を流れるリサイクルガスを吸引し、水添脱硫器３に、一定量のリサイクルガス含有の原料を供給する。原料供給器６は、水添脱硫器３に原料を供給する定容積型の供給器であれば、どのような構成であっても構わない。原料供給器６として、例えば、定容積型ポンプ等を例示できる。なお、原料は、原料供給源より供給される。原料供給源は、所定の供給圧を備える。原料供給源として、例えば、原料ボンベ、原料インフラ等を例示できる。例えば、原料経路４の上流端に天然ガスのインフラを接続することで天然ガスを原料に用いても構わない。

原料流量計測器７は、リサイクル経路５からのリサイクルガスが流入する合流部１１よりも上流の原料経路４を流れる原料の流量を計測する。原料流量計測器７は、合流部１１よりも上流の原料経路４を流れる原料の流量を計測できれば、どのような構成であっても構わない。原料流量計測器７として、例えば、流量計等を例示できる。流量計として、例えば、原料の質量流量を計測する質量流量計等を例示できる。

原料流量調整器８は、原料流量計測器７を通過する原料の流量を調整する。原料流量調整器８は、原料流量計測器７を通過する原料の流量を調整できれば、どのような構成であっても構わない。

制御器９は、原料供給器６の吐出流量と原料流量計測器７で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように、原料流量調整器８及び原料供給器６を制御する。制御器９は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器９は、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵ等を例示できる。記憶部としては、例えば、メモリ等を例示できる。制御器９は、集中制御を行う単独の制御器で構成されもいいし、分散制御を行う複数の制御器で構成されてもいい。

［動作］
図２は、実施の形態１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器９の制御プログラムにより行われる。

燃料電池システム１００の運転中、原料経路４を流れる原料が、原料供給器６へ吸引される時、改質器２からの改質ガスの一部がリサイクルガスとして、リサイクル経路５を経て原料へ供給される。これにより、リサイクルガスが原料に混合されて、リサイクルガス含有の原料が原料供給器６で昇圧され、一定容積のリサイクルガス含有の原料が水添脱硫器３に送られる。リサイクルガスを水添脱硫器３に供給すると、水添脱硫器３は、原料中の硫黄化合物を水添反応により除去できる。改質器２では、水添脱硫器３からの原料の改質反応により、水素含有の改質ガスが生成され、改質ガス経路を通じて燃料電池１に供給される。燃料電池１では、発電に必要な改質ガス（アノードガス）及び空気（カソードガス）が供給され、これにより、燃料電池１の発電が行われる。燃料電池１に供給されたカソードガスは、燃料電池１のユニット内に設けられる図示しない熱交換器で、燃料電池１の発電時に発生する熱を利用して燃料電池１の動作に必要な温度まで予熱され、燃料電池１に送られる。

なお、制御器９の制御により運転に必要な補機類を動作させることで上記一連の運転が行われ、従来の燃料電池システム１００の動作と同様に、電力と熱を供給する動作が行われる。

ここで、上記のとおり、燃料電池１の安定的な動作には、改質ガスの安定的な生成が重要となる。そして、改質ガスの安定的な生成には、改質触媒の硫黄被毒を防止する水添脱硫器３の性能確保のため、水素（改質ガス）を一定量範囲内で原料に添加（リサイクル）する必要がある。また、改質器２へ送られるリサイクルガス含有の原料の供給量は、改質器２における熱バランス及びスチームカーボン比（Ｓ／Ｃ比）等に影響を与える。例えば、リサイクルガス量が多い場合、改質反応に必要な温度にまで多量のリサイクルガスを加熱する必要があり、改質器２における必要熱量が増加する。また、リサイクルガスは水蒸気を含むので、リサイクル経路５での結露を防止のため、リサイクル経路５を流れるリサイクルガスを除湿する場合がある。この場合、リサイクルガス量のばらつきが大きいと、改質器２におけるＳ／Ｃ比のバランスが崩れる。よって、改質器２に供給するガス供給量のばらつきを抑制する必要がある。

そこで、本実施形態では、原料流量計測器７で、図示しない原料供給源から送られる原料の原料流量が計測される。また、定容積型の原料供給器６の吐出流量が制御器９に取得される。例えば、制御器９は、原料供給器６への制御信号に基づいて上記吐出流量を把握できる。

そして、図２に示すように、ステップＳ１で、原料供給器６の吐出流量と原料流量計測器７で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量であるか否かが判定される。ステップＳ１の予め設定される差分量とは、燃料電池システム１００の運転条件等により設定される適宜の設定範囲であってもいいし、適宜の設定基準値であってもいい。

例えば、予め設定される差分量が適宜の設定範囲である場合、この設定範囲の上限値及び下限値は、以下のように設定するとよい。

設定範囲の下限値は、水添脱硫器３における水添反応に必要な水素量を確保できる値に設定し、上限値は、改質器２の改質反応での熱バランス、スチームカーボン比等に影響が少なくなる範囲内に設定する。例えば、下限値は、リサイクルガス含有の原料における水素濃度が、原料の２％以上になるように設定し、上限値は、改質器２における熱バランスを考慮して、水素濃度が原料の１０％以下になるように設定しても構わない。なお、このような設定範囲の上限値及び下限値の数値は例示であって、本例に限定されない。

但し、設定範囲の幅（上限値と下限値の差）が可能な限り小さくなるように設定する方がよい。更に、原料流量計測器７の計測誤差、及び原料供給器６の吐出流量誤差を考慮して流量範囲の上限値及び下限値を設定することで、燃料電池システム１００の動作が敏感に反応することなく、燃料電池システム１００を安定的に動作させることも可能である。

ここで、ステップＳ１の流量差が、予め設定される差分量である場合、燃料電池システム１００の運転をそのまま継続する（ステップＳ３）。

一方、ステップＳ１の流量差が、予め設定される差分量でない場合、ステップＳ２で、この流量差が、予め設定される差分量になるように、原料流量調整器８及び原料供給器６が制御される。具体的には、これらの原料流量調整器８及び原料供給器６の操作量が変更される。例えば、原料流量調整器８が圧力調整弁であれば、圧力調整弁の開度が変更される。

上記のとおり、本実施の形態では、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、従来に比べ、リサイクルガス含有の原料流量を適切に制御し得る。

つまり、原料流量調整器８を用いることで、原料流量を所望量に調整でき、定容積型の原料供給器６を用いることで、リサイクルガス含有の原料を一定量、水添脱硫器３及び改質器２に供給できる。これにより、リサイクルガスが添加される前の原料流量とリサイクルガスが添加された後の原料流量との流量差を、予め設定される差分量になるように制御できる。

以上により、水添脱硫器３に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池１の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるので、燃料電池システム１００を安定的に運転し得る。

なお、原料供給器６の吐出流量は、水添脱硫器３に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池１の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるのであれば、必ずしも厳密に定量である必要はない。例えば、原料圧力（原料経路４を流れる原料の圧力）及び原料温度（原料経路４を流れる原料の温度）の変動等により、定容積型のポンプの吐出流量は変化する場合がある。この場合、例えば、燃料電池システム１００の周辺温度が大幅に変化する環境下では、原料経路４に、原料圧力を検知する検知器、原料温度を検知する検知器を設け、これらの検知器の検知データに基づいて原料供給器６の動作を調整してもよい。これにより、燃料電池システム１００の周辺温度が大幅に変化する環境下であっても、リサイクルガス含有の原料を高精度で定量、水添脱硫器３及び改質器２に供給できる。

（実施例１）
実施の形態１の実施例１の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、原料流量調整器は、リサイクル経路に設けられ、リサイクルガスの圧力を調整するための第１圧力調整器であり、制御器は、原料流量計測器で計測される原料流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように第１圧力調整器を動作させ、原料供給器の吐出流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように原料供給器を動作させる。

かかる構成によると、原料流量計測器で計測する原料流量を、燃料電池の発電に必要な流量になるように、第１圧力調整器によりリサイクル経路の圧損を調整できる。つまり、リサイクルガス含有の原料が定量であると、リサイクルガス流量を制御することで、原料経路を流れる原料流量を所望量に調整できる。

また、定容積型の原料供給器を用いることで、原料供給器の吐出流量を、燃料電池の発電に必要な流量となるように調整できる。

本実施例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図３は、実施の形態１の実施例１の燃料電池システムの一例を示す図である。

図３に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質器２と、水添脱硫器３と、原料経路４と、リサイクル経路５と、原料供給器６と、原料流量計測器７と、第１圧力調整器８Ａと、制御器９とを備える。燃料電池１、改質器２、水添脱硫器３、原料経路４、リサイクル経路５、原料供給器６及び原料流量計測器７については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施例では、原料流量調整器８は、リサイクル経路５に設けられ、リサイクルガスの圧力を調整するための第１圧力調整器８Ａである。第１圧力調整器８Ａは、リサイクルガスの圧力を調整できれば、どのような構成であっても構わない。第１圧力調整器８Ａとして、例えば、リサイクル経路５の圧損を調整する圧力調整弁等を例示できる。圧力調整弁として、例えば、ニードル弁等を例示できる。

制御器９は、原料流量計測器７で計測される原料流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量になるように第１圧力調整器８Ａを動作させ、原料供給器６の吐出流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量になるように原料供給器６を動作させる。

以上により、原料流量計測器７で計測する原料流量を、燃料電池１の発電に必要な流量になるように、第１圧力調整器８Ａでリサイクル経路５の圧損を調整できる。つまり、リサイクルガス含有の原料が定量であると、リサイクルガス流量を制御することで、原料経路４を流れる原料流量を所望量に調整できる。

また、定容積型の原料供給器６を用いることで、原料供給器６の吐出流量を燃料電池１の発電に必要な流量となるように調整できる。つまり、定容積型の原料供給器６により、リサイクル経路５の圧損の変化に寄らずに、水添脱硫器３及び改質器２にリサイクル含有の原料を定量供給できる。これにより、リサイクルガスが添加される前の原料流量とリサイクルガスが添加された後の原料流量との流量差を、予め設定される差分量になるように制御できる。

よって、水添脱硫器３に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池１の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるので、燃料電池システム１００を安定的に運転し得る。

（実施例２）
実施の形態１の実施例２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、原料流量調整器は、合流部よりも上流の原料経路に設けられ、原料経路を流れる原料の圧力を調整するための第２圧力調整器であり、制御器は、原料流量計測器で計測される原料流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように第２圧力調整器を動作させ、原料供給器の吐出流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように原料供給器を動作させる。

かかる構成によると、原料流量計測器で計測する原料流量を、燃料電池の発電に必要な流量になるように、第２圧力調整器により原料経路の圧損を調整できる。

また、定容積型の原料供給器を用いることで、原料供給器の吐出流量を燃料電池の発電に必要な流量となるように調整できる。

本実施例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図４は、実施の形態１の実施例２の燃料電池システムの一例を示す図である。

図４に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質器２と、水添脱硫器３と、原料経路４と、リサイクル経路５と、原料供給器６と、原料流量計測器７と、第２圧力調整器８Ｂと、制御器９とを備える。燃料電池１、改質器２、水添脱硫器３、原料経路４、リサイクル経路５、原料供給器６及び原料流量計測器７については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

本実施例では、原料流量調整器８は、合流部１１よりも上流の原料経路４に設けられ、原料経路４を流れる原料の圧力を調整するための第２圧力調整器８Ｂである。第２圧力調整器８Ｂは、リサイクルガスの圧力を調整できれば、どのような構成であっても構わない。第２圧力調整器８Ｂとして、例えば、原料経路４の圧損を調整する圧力調整弁等を例示できる。圧力調整弁として、例えば、ニードル弁等を例示できる。また、第２圧力調整器８Ｂは、合流部１１よりも上流の原料経路４であれば、いずれの箇所に設けても構わない。例えば、本実施例では、第２圧力調整器８Ｂが、原料流量計測器７と合流部１１との間の原料経路４に設けられているが、第２圧力調整器が、原料流量計測器７よりも上流の原料経路４に設けられていてもよい。

制御器９は、原料流量計測器７で計測される原料流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量になるように第２圧力調整器８Ｂを動作させ、原料供給器６の吐出流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量になるように原料供給器６を動作させる。

以上により、原料流量計測器７で計測する原料流量を、燃料電池１の発電に必要な流量になるように、第２圧力調整器８Ｂで原料経路４の圧損を調整できる。

また、定容積型の原料供給器６の吐出流量を、燃料電池１の発電に必要な流量となるように調整できる。つまり、定容積型の原料供給器６により、原料経路４の圧損の変化に寄らずに、水添脱硫器３及び改質器２にリサイクル含有の原料を定量供給できる。これにより、リサイクルガスが添加される前の原料流量とリサイクルガスが添加された後の原料流量との流量差を、予め設定される差分量になるように制御できる。

よって、水添脱硫器３に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池１の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるので、燃料電池システム１００を安定的に運転し得る。

（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、改質器の温度を検出する温度検知器と、燃料電池のアノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器を加熱する燃焼器と、を更に備え、制御器は、原料流量計測器で計測される原料流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内である場合において、温度検知器で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように原料流量調整器を動作させ、原料供給器の吐出流量と原料流量計測器で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように原料供給器を動作させる。

かかる構成によると、原料流量計測器で計測される原料流量が、燃料電池の発電に必要な流量範囲内であることを前提として、原料流量調整器の動作に基づいて原料経路を流れる原料流量を精細に制御できる。その結果、改質器の改質反応に必要な熱量が適量になるように、燃料電池から燃焼器へのアノードオフガス量を制御できる。よって、かかる制御を行わない場合に比べ、改質器の改質ガス生成を安定化できる。

また、定容積型の原料供給器を用いることで、リサイクルガス含有の原料を一定量、水添脱硫器及び改質器に供給できる。これにより、リサイクルガスが添加される前の原料流量と、リサイクルガスが添加された後の原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように制御できる。

以上により、水添脱硫器に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるので、燃料電池システムを安定的に運転し得る。

本実施の形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図５は、実施の形態２の燃料電池システムの一例を示す図である。

図５に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質器２と、水添脱硫器３と、原料経路４と、リサイクル経路５と、原料供給器６と、原料流量計測器７と、原料流量調整器８と、制御器９、温度検知器１０と、燃焼器１２と、を備える。燃料電池１、改質器２、水添脱硫器３、原料経路４、リサイクル経路５、原料供給器６、原料流量計測器７及び原料流量調整器８については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

温度検知器１０は、改質器２の温度を検出する。温度検知器１０は、改質器２の温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。つまり、改質器２に温度検知器１０を設け、改質器２の温度を直接的に検知してもいいし、改質器２の温度と相関する所定の箇所に温度検知器１０を設け、改質器２の温度を間接的に検知してもいい。温度検知器１０として、例えば、熱電対、サーミスタ等を例示できる。

燃焼器１２は、燃料電池１のアノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器２を加熱する。例えば、燃焼器１２には、燃料として、燃料電池１のアノードオフガス及びカソードオフガスが供給される。燃焼器１２は、アノードオフガスの燃焼熱を用いて改質器２を加熱できれば、どのような構成であっても構わない。例えば、燃焼器１２は、アノードオフガス及びカソードオフガスを外部で予め混合させて供給する予混合燃焼バーナであってもいいし、これらを個別に供給して内部で混合させる拡散燃焼バーナであってもいい。

制御器９は、原料流量計測器７で計測される原料流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内である場合において、温度検知器１０で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように原料流量調整器８を動作させ、原料供給器６の吐出流量と原料流量計測器７で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように原料供給器６を動作させる。

［動作］
図６は、実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器９の制御プログラムにより行われる。

本実施の形態では、制御器９の制御により運転に必要な補機類を動作させることで実施の形態１と同様の一連の運転が行われ、従来の燃料電池システム１００の動作と同様に、電力と熱を供給する動作が行われる。

このとき、燃料電池１の発電で余剰なカソードオフガス及びアノードオフガスは、燃焼器１２において燃焼される。そして、アノードオフガスの燃焼による燃焼熱は、改質器２の改質反応に利用される。更に、改質反応に必要な熱を付与した燃焼排ガスは、水添脱硫器３に送られ、本燃焼排ガスの熱は、水添脱硫器３の水添脱硫剤の加熱に利用される。

ここで、燃料電池１の発電量が増加する場合、原料経路４を流れる原料流量が一定であると、燃焼器１２に送られるアノードオフガス量が減少する。その結果、改質器２の加熱に用いる熱量が不足し、改質器２の温度が予め設定される温度（適温）を下回る場合がある。

逆に、燃料電池１の発電量が減少する場合、原料経路４を流れる原料流量が一定であると、燃焼器１２に送られるアノードオフガス量は増加する。その結果、改質器２で加熱に用いる熱量が超過し、改質器２の温度が適温を超える場合がある。

そこで、本実施形態では、原料流量計測器７で計測される原料流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内である場合において、温度検知器１０により改質器２の温度を検知し、温度検知器１０の検知温度が、予め設定される温度となるように、上記の流量範囲内において原料経路４を流れる原料流量が調整されている。

具体的には、図６に示すように、ステップＳ４で、温度検知器１０で検知される検知温度が、予め設定される温度であるか否かが判定される。ステップＳ４の予め設定される温度とは、燃料電池システム１００の運転条件等により設定される適宜の設定範囲であってもいいし、適宜の設定基準値であってもいい。

なお、改質器２の温度は、改質器２における原料の転化率（反応率）に影響を及ぼす。よって、ステップＳ４の予め設定される温度は、燃料電池１の発電に必要な改質ガスでの水素濃度を確保し得る温度、燃料電池１での動作温度を維持するために改質ガスでのメタン濃度を確保する温度とする方がよい。本実施の形態では、予め設定される温度として、約６３０℃に設定している。なお、この設定温度の数値は例示であって、本例に限定されない。

ステップＳ４の検知温度が、予め設定される温度でない場合、ステップＳ５で、本検知温度が、予め設定される温度になるように、原料流量調整器８が制御される。具体的には、これらの原料流量調整器８の操作量が変更される。例えば、原料流量調整器８が圧力調整弁であれば、圧力調整弁の開度が変更される。

ステップＳ４の検知温度が、予め設定される温度である場合、次の判定ステップに進み、ステップＳ１Ａで、原料供給器６の吐出流量と原料流量計測器７で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量であるか否かが判定される。なお、本実施の形態のステップＳ１Ａは、実施の形態１のステップＳ１と同様であるので詳細な説明は省略する。

ステップＳ１Ａの流量差が、予め設定される差分量である場合、燃料電池システム１００の運転をそのまま継続する（ステップＳ３）。

ステップＳ１Ａの流量差が、予め設定される差分量でない場合、ステップＳ２Ａで、この流量差が、予め設定される差分量になるように、原料供給器６が制御される。具体的には、原料供給器６の操作量が変更される。

上記のとおり、本実施の形態では、原料流量計測器７で計測される原料流量が、燃料電池１の発電に必要な流量範囲内であることを前提として、原料流量調整器８の動作に基づいて原料経路４を流れる原料流量を精細に制御できる。その結果、改質器２の改質反応に必要な熱量が適量になるように、燃料電池１から燃焼器１２へのアノードオフガス量を制御できる。よって、かかる制御を行わない場合に比べ、改質器２の改質ガス生成を安定化できる。

また、定容積型の原料供給器６を用いることで、リサイクルガス含有の原料を一定量、水添脱硫器３及び改質器２に供給できる。これにより、リサイクルガスが添加される前の原料流量と、リサイクルガスが添加された後の原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように制御できる。

以上により、水添脱硫器３に必要なリサイクルガス量を上記の流量差で確保し、燃料電池１の発電に必要な所望量の原料流量を確保できるので、燃料電池システム１００を安定的に運転し得る。

（実施例１）
実施の形態２の実施例１の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムにおいて、原料流量調整器は、リサイクル経路に設けられ、リサイクルガスの圧力を調整するための第１圧力調整器であり、制御器は、温度検知器で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように第１圧力調整器を動作させ、原料供給器の吐出流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内になるように原料供給器を動作させる。

かかる構成によると、原料流量計測器で計測する原料流量が、燃料電池の発電に必要な流量範囲内であることを前提として、第１圧力調整器によりリサイクル経路の圧損を精細に調整できる。つまり、リサイクルガス含有の原料が定量であると、リサイクルガス流量を制御することで、原料経路を流れる原料流量を所望量に調整できる。その結果、改質器の改質反応に必要な熱量が適量になるように、燃料電池から燃焼器へのアノードオフガス量を制御できる。よって、かかる制御を行わない場合に比べ、改質器の改質ガス生成を安定化できる。

本実施例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態２の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図７は、実施の形態２の実施例１の燃料電池システムの一例を示す図である。

図７に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質器２と、水添脱硫器３と、原料経路４と、リサイクル経路５と、原料供給器６と、原料流量計測器７と、第１圧力調整器８Ａと、制御器９と、温度検知器１０と、燃焼器１２と、を備える。燃料電池１、改質器２、水添脱硫器３、原料経路４、リサイクル経路５、原料供給器６及び原料流量計測器７については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。また、第１圧力調整器８Ａについては実施の形態１の実施例１と同様であるので説明を省略する。更に、温度検知器１０及び燃焼器１２については実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

本実施例では、制御器９は、温度検知器１０で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように第１圧力調整器を動作させ、原料供給器６の吐出流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内になるように原料供給器６を動作させる。

以上により、原料流量計測器７で計測する原料流量が、燃料電池１の発電に必要な流量範囲内であることを前提として、第１圧力調整器８Ａによりリサイクル経路５の圧損を精細に調整できる。つまり、リサイクルガス含有の原料が定量であると、リサイクルガス流量を制御することで、原料経路４を流れる原料流量を所望量に調整できる。その結果、改質器２の改質反応に必要な熱量が適量になるように、燃料電池１から燃焼器１２へのアノードオフガス量を制御できる。よって、かかる制御を行わない場合に比べ、改質器２の改質ガス生成を安定化できる。

（実施例２）
実施の形態２の実施例２の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムにおいて、原料流量調整器は、合流部よりも上流の原料経路に設けられ、原料経路を流れる原料の圧力を調整するための第２圧力調整器であり、制御器は、温度検知器で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように第２圧力調整器を動作させ、原料供給器の吐出流量が、燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内になるように原料供給器を動作させる。

かかる構成によると、原料流量計測器で計測する原料流量が、燃料電池の発電に必要な流量範囲であることを前提として、第２圧力調整器により原料経路の圧損を精細に調整できる。その結果、改質器の改質反応に必要な熱量が適量になるように、燃料電池から燃焼器へのアノードオフガス量を制御できる。よって、かかる制御を行わない場合に比べ、改質器の改質ガス生成を安定化できる。

本実施例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、実施の形態２の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
図８は、実施の形態２の実施例２の燃料電池システムの一例を示す図である。

図８に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、改質器２と、水添脱硫器３と、原料経路４と、リサイクル経路５と、原料供給器６と、原料流量計測器７と、第２圧力調整器８Ｂと、制御器９と、温度検知器１０と、燃焼器１２と、を備える。燃料電池１、改質器２、水添脱硫器３、原料経路４、リサイクル経路５、原料供給器６及び原料流量計測器７については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。また、第２圧力調整器８Ｂについては実施の形態１の実施例２と同様であるので説明を省略する。更に、温度検知器１０及び燃焼器１２については実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

本実施例では、制御器９は、温度検知器１０で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように第２圧力調整器８Ｂを動作させ、原料供給器６の吐出流量が、燃料電池１の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内になるように原料供給器６を動作させる。

以上により、原料流量計測器７で計測する原料流量が、燃料電池１の発電に必要な流量範囲内であることを前提として、第２圧力調整器８Ｂにより原料経路４の圧損を精細に調整できる。その結果、改質器２の改質反応に必要な熱量が適量になるように、燃料電池１から燃焼器１２へのアノードオフガス量を制御できる。よって、かかる制御を行わない場合に比べ、改質器２の改質ガス生成を安定化できる。

本発明の一態様は、水添脱硫反応に必要な適量のリサイクルガスを原料に供給する際に、従来に比べ、リサイクルガス含有の原料流量を適切に制御し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。

１ ：燃料電池
２ ：改質器
３ ：水添脱硫器
４ ：原料経路
５ ：リサイクル経路
６ ：原料供給器
７ ：原料流量計測器
８ ：原料流量調整器
８Ａ ：第１圧力調整器
８Ｂ ：第２圧力調整器
９ ：制御器
１０ ：温度検知器
１１ ：合流部
１２ ：燃焼器
１００ ：燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   前記原料中の硫黄成分を除去する水添脱硫器と、
   前記水添脱硫器からの原料を用いて、前記燃料電池に供給するための改質ガスを生成する改質器と、
   前記水添脱硫器に供給する原料が流れる原料経路と、
   前記水添脱硫器に原料を供給する定容積型の原料供給器と、
   前記改質器からの改質ガスの一部をリサイクルガスとして、前記原料供給器よりも上流の前記原料経路を流れる原料に供給するためのリサイクル経路と、
   前記リサイクル経路からのリサイクルガスが流入する合流部よりも上流の前記原料経路を流れる原料の流量を計測する原料流量計測器と、
   前記原料流量計測器を通過する原料の流量を調整する原料流量調整器と、
   前記原料供給器の吐出流量と前記原料流量計測器で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように、前記原料流量調整器及び前記原料供給器を制御する制御器と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記原料流量調整器は、前記リサイクル経路に設けられ、前記リサイクルガスの圧力を調整するための第１圧力調整器であり、
   前記制御器は、前記原料流量計測器で計測される原料流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように前記第１圧力調整器を動作させ、前記原料供給器の吐出流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように前記原料供給器を動作させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記原料流量調整器は、前記合流部よりも上流の前記原料経路に設けられ、前記原料経路を流れる原料の圧力を調整するための第２圧力調整器であり、
   前記制御器は、前記原料流量計測器で計測される原料流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように前記第２圧力調整器を動作させ、前記原料供給器の吐出流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量になるように前記原料供給器を動作させる請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記改質器の温度を検出する温度検知器と、
   前記燃料電池のアノードオフガスの燃焼熱を用いて前記改質器を加熱する燃焼器と、を更に備え、
   前記制御器は、前記原料流量計測器で計測される原料流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて予め設定される流量範囲内である場合において、前記温度検知器で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように前記原料流量調整器を動作させ、前記原料供給器の吐出流量と前記原料流量計測器で計測される原料流量との流量差が、予め設定される差分量になるように前記原料供給器を動作させる請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記原料流量調整器は、前記リサイクル経路に設けられ、前記リサイクルガスの圧力を調整するための第１圧力調整器であり、
   前記制御器は、前記温度検知器で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように前記第１圧力調整器を動作させ、前記原料供給器の吐出流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて前記予め設定される流量範囲内になるように前記原料供給器を動作させる請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記原料流量調整器は、前記合流部よりも上流の前記原料経路に設けられ、前記原料経路を流れる原料の圧力を調整するための第２圧力調整器であり、
   前記制御器は、前記温度検知器で検知される検知温度が、予め設定される温度になるように前記第２圧力調整器を動作させ、前記原料供給器の吐出流量が、前記燃料電池の発電量に基づいて前記予め設定される流量範囲内になるように前記原料供給器を動作させる請求項４に記載の燃料電池システム。

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