JP2022131495A - 燃料電池の燃料ガス供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易的な構成で複数の燃料ガスを用いて効率的な運用が可能な燃料電池の燃料ガス供給装置を提供する。【解決手段】燃料電池の燃料ガス供給装置は、燃料電池に複数の燃料ガスを供給可能な複数の燃料ガス供給源を備える。複数の燃料ガス供給源の各々には下流側に複数の燃料ガス供給路がそれぞれ接続される。燃料ガス供給路の各々には、燃料ガスの混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽の圧力に基づいて開閉可能な複数の第１バルブが設けられる。また複数の燃料ガス供給路の合流点と前記燃料電池との間には、複数の燃料ガスの少なくとも１つを含む混合ガスを燃料電池に供給するための混合ガス供給路が設けられる。混合ガス供給路には第２バルブが設けられる。複数の第１バルブは、燃料ガスの混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽の圧力が予め設定された設定圧力以下になった場合に開くように構成され、設定圧力は、複数の第１バルブの各々について互いに異なるように設定される。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池の燃料ガス供給装置に関する。
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、高温雰囲気で反応させて発電を行っている。
燃料電池で使用される燃料ガスは、上述のように多岐にわたるが、近年、カーボンニュートラルなバイオガスや再生可能エネルギ由来の水素のような燃料ガスのように、都市ガス等に比べて性状や供給量が不安定な種類の燃料ガスの有効利用が望まれている。このような燃料ガスは、燃料電池の安定な運転を実現するために、他の燃料ガスと組み合わされて用いられることがある。例えば特許文献１では、燃料電池に供給される燃料ガスとして、生ゴミ、汚泥などの廃棄物から発生する水素ガスと、廃棄物から発生するメタンガスを改質することで生成した水素ガスとを混合させた混合ガスを用いる燃料電池発電システムが開示されている。また特許文献２では、燃料電池に供給される燃料ガスとして、廃棄物から発生したガスに対して、炭化水素系原燃料による水素ガスを補完することで安定した発電を実現する燃料電池発電システムが開示されている。また特許文献３では、燃料電池に供給される燃料ガスとして、例えばメタン発酵ガスや消化ガスのようなバイオガスを含む混合ガスを用いる燃料電池システムにおいて、ガス組成の計測結果に基づいて、バイオガスのガス組成・熱量の変動に伴って混合ガスの流量を制御することにより、システムを稼働することが開示されている。
特開２００５－９３０８７号公報 特開２００８－２０４７０７号公報 特開２０１０－２７２２１３号公報
前述のように燃料電池に対して性状や供給量が不安定な燃料ガスを用いる場合、燃料電池で必要とされる燃料成分が不足しないように燃料ガスの供給制御を行う必要がある。このような要請に対して、上記特許文献３では、燃料電池に供給される燃料ガスの組成を計測することで混合ガスの流量制御を行っているが、計測に必要なセンサや制御装置などの構成が必要でありコストが高くなってしまう。特に、燃料電池で使用しようとする燃料ガスの種類が多い場合には、各燃料ガスを計測するための構成が大掛かりとなってしまう。
本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、簡易的な構成で複数の燃料ガスを用いて効率的な運用が可能な燃料電池の燃料ガス供給装置を提供することを目的とする。
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池の燃料ガス供給装置は、上記課題を解決するために、
燃料電池に複数の燃料ガスをそれぞれ供給可能な複数の燃料ガス供給源と、
前記複数の燃料ガス供給源の各々に接続され、前記複数の燃料ガス供給源より下流側において互いに合流する複数の燃料ガス供給路と、
前記複数の燃料ガス供給路にそれぞれ設けられ、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽の圧力に基づいて開閉可能な複数の第１バルブと、
前記複数の燃料ガス供給路の合流点と前記燃料電池とを接続し、前記複数の燃料ガスの少なくとも１つを含む混合ガスを前記燃料電池に供給するための混合ガス供給路と、
前記混合ガス供給路に設けられた第２バルブと、
を備え、
前記複数の第１バルブは、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合ガス貯槽の圧力が予め設定された設定圧力以下になった場合に開くように構成され、
前記設定圧力は、前記複数の第１バルブの各々について互いに異なるように設定される。
尚、燃料電池の燃料ガス供給装置は、前記複数の第１バルブと前記複数の燃料ガスの合流部との間に各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合ガス貯槽の圧力が予め設定された設定圧力以上になった場合に混合ガスの逆流を防止する機構を備えてもよい。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、簡易な構成で複数の燃料ガスを用いて効率的な運用が可能な燃料電池の燃料ガス供給装置を提供できる。
本実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。 図１のＳＯＦＣカートリッジが備えるセルスタックの一態様を示すものである。 一実施形態に係る燃料電池の燃料ガス供給装置の構成を示す模式図である。 図３の制御装置によって実施される燃料電池の燃料ガス供給方法のフローチャートである。 燃料電池の運用中における混合ガス貯槽の圧力、及び、第１バルブの開度の時間的変化の一例を示すタイミングチャートである。
以下に、本発明に係る燃料電池の燃料ガス供給装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
まず図１及び図２を参照して本実施形態に係る燃料電池２０１（ＳＯＦＣモジュール）の構成について説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池２０１の構成を示す図であり、図２は図１のＳＯＦＣカートリッジ２０３が備えるセルスタック１０１の一態様を示すものである。尚、図１では、燃料電池２０１の内部構成がわかりやすいように、部分的に断面が示されている。
燃料電池２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１を含んでおり、各セルスタック１０１は、図２に示すように、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。尚、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、後述するように消化ガス、再生エネルギ由来の水素ガス及び都市ガスをはじめ、水素（Ｈ２）、アンモニア（ＮＨ３）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭及び木質系バイオマスなどの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２－）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
図１に示すように、燃料電池２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また燃料電池２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と複数の酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、燃料電池２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガス（後述の混合ガスＧｍ）を供給する、後述の燃料ガス供給装置１に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、燃料ガス供給装置１から供給される所定流量の燃料ガス（後述の混合ガス）を、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガス（後述の混合ガス）を複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ～約３ＭＰａ、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
続いて上記構成を有する燃料電池２０１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置１について説明する。図３は一実施形態に係る燃料電池２０１の燃料ガス供給装置１の構成を示す模式図である。燃料ガス供給装置１は、上述の燃料ガス供給管２０７に対して複数の燃料ガスを供給するための装置である。
複数の燃料ガスは、性状が安定し供給量が十分に確保された少なくとも１つの燃料ガスを含む。ここで「性状が安定し供給量が十分に確保された」とは、他の燃料ガスに比べて、性状において組成が既知・明らかで、組成の変動が小さいことを意味し、供給量において混合ガス貯槽１４から燃料電池２０１へ供給する必要な供給量よりも常時十分多い流量を混合ガス貯槽１４へ供給可能であることを意味する。本実施形態では、第Ｎ燃料ガスＧＮである都市ガスは、インフラ設備としての燃料供給源２－Ｎから供給されるため、性状や供給量が変動する第１燃料ガスＧ１（消化ガス）や第２燃料ガスＧ２（再生エネルギ由来の水素ガス）などに比べて安定した燃料ガスである。
このような複数の燃料ガスには、予め優先度が設定される。優先度は、ユーザが任意に設定可能であるが、燃料ガスの供給先である燃料電池で優先的に消費したい燃料ガスほど優先度が高くなるように設定される。例えば、複数の燃料ガスの優先度は、燃料電池の運用コスト、再生可能エネルギの優先利用、二酸化炭素の排出削減量などの観点から設定可能である。本実施形態では、第１燃料ガスＧ１、第２燃料ガスＧ２、・・・第Ｎ燃料ガスＧＮの順に優先度が設定される。
複数の燃料ガス供給源２－１，２－２、・・・、２－Ｎから各燃料ガスを燃料電池２０１側に供給するための複数の燃料ガス供給路４－１、４－２、・・・、４－Ｎがそれぞれ設けられる。複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎの各々は、一端側が燃料ガス供給源に接続されており、他端側が互いに合流することにより合流点６を形成している。
合流点６の下流には混合された各燃料ガス（混合ガス）を貯蔵する混合ガス貯槽１４が設置されてもよい。
複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎには、複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎがそれぞれ設けられる。複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎは、各燃料ガスの合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力に基づいて開度が変化することで、複数の燃料ガスの優先度に応じて燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎをそれぞれ流れる各燃料ガスの流量をそれぞれ調整可能になっている。
複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎは、各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力に基づいて開度が調整可能なバルブである。複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎには、開閉動作の基準となる二次（下流）側の圧力が設定されており、各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力が第１バルブの設定圧力より低い場合には開（燃料供給）状態であり、設定圧力より高い場合には閉状態になるように構成される。具体的に言うと、複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎには、設定圧力Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮがそれぞれ設定される。
複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎの設定圧力Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮは、燃料ガスに設定された優先度が高いほど高くなるように設定される。本実施形態では、第１燃料ガスＧ１、第２燃料ガスＧ２、・・・、第Ｎ燃料ガスＧＮの順で優先度が設定されるため、各設定圧力は、Ｐ１＞Ｐ２＞・・・＞ＰＮを満たすように設定される。
尚、各燃料ガスの供給源圧力は、各々の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎに設けられた各々の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎで設定された圧力の設定圧力Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮより高い圧力で供給できる能力を有している。
本実施形態では、複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎは、各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力に基づいて機械的に制御可能な減圧弁から構成されてもよい。複数の第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎは、例えば、複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎに設置した圧力センサの検出値に基づいて、コントローラを用いた電子制御的な開度制御を行うことも可能であるが、このような機械的に制御可能な減圧弁として構成することで、複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎごとにこれらのセンサやコントローラ等を設けることが不要となり、より簡単な構成で燃料ガス供給装置１を実現できる。
また複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎの合流点６の下流側には、混合ガス供給路１０が設けられる。複数の燃料ガスは合流点６で混合されることで混合ガスＧｍとなり、混合ガス供給路１０を介して燃料電池２０１に供給可能である（混合ガス供給路１０の下流側は、前述の燃料ガス供給管２０７に接続されている）。混合ガス供給路１０には、混合ガスＧｍの流量を調整するための第２バルブ１２が設けられる。これにより、混合ガス供給路１０における混合ガスＧｍの流量は、第２バルブ１２の開度に応じて調整可能となっている。
また混合ガス供給路１０には、混合ガスＧｍを貯留可能な混合ガス貯槽１４が設けられる。混合ガス貯槽１４は、混合ガス供給路１０のうち第２バルブ１２より上流側に設けられる。これにより、複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎからの複数の燃料ガスを、混合ガス貯槽１４に一時的に貯蔵することで混合ガスＧｍの使用量が大きく変動した場合でも供給圧力の変動を緩和し第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎの作動状態を安定化することができる。また、貯蔵されることで燃料ガスが予め混合され、複数の燃料ガス供給路４－１，４－２、・・・、４－Ｎからの供給流量の割合が変化した場合においても混合ガスＧｍの組成の変動を緩和できるため燃料電池の運転を安定化させることができる。
尚、混合ガス供給路１０には、例えば燃料電池２０１の起動・停止時に燃料系統をパージするための水素ガス及び窒素ガスを供給するための水素ガス供給路１５ａ及び窒素ガス供給路１５ｂが接続されている場合がある。その際水素ガス供給路１５ａ及び窒素ガス供給路１５ｂは、混合ガス供給路１０のうち第２バルブ１２より下流側に接続される。水素ガス供給路１５ａ及び窒素ガス供給路１５ｂには、水素ガス及び窒素ガスの供給量を調整するためのバルブ１７ａ、１７ｂが設けられている。
また燃料ガス供給装置１は、混合ガス貯槽１４に貯留された混合ガスＧｍの圧力Ｐｘを検出するための圧力センサ１６、燃料電池の燃料となる燃料成分の濃度、例えば混合ガスＧｍのＣＨ４濃度を検出するためのＣＨ４濃度センサ１８、混合ガスＧｍのＨ２濃度を検出するためのＨ２濃度センサ２０、混合ガスＧｍのＣＯ濃度を検出するためのＣＯ濃度センサ２２と、混合ガスＧｍの流量Ｆｘを検出する流量検出器２３と、これらのセンサの検出値に基づいて第２バルブ１２の開度を制御するための制御装置２４と、を備える。
制御装置２４は、燃料ガス供給装置１の制御ユニットであり、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。尚、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
続いて上記構成を有する燃料ガス供給装置１によって実施される燃料ガス供給方法について説明する。図４は図３の制御装置２４によって実施される燃料電池の燃料ガス供給方法のフローチャートである。
まず制御装置２４は、燃料電池２０１に対する出力指令Ｄを取得する（ステップＳ１）。出力指令Ｄは、例えば、燃料電池２０１で発電された電力の供給先である電力系統の需給状態に応じて与えられる。続いて制御装置２４は、ステップＳ１で取得した出力指令Ｄに基づいて、燃料電池のＩ－Ｖ（電流―電圧）特性により決定される出力電流目標値を算出する。（ステップＳ２）。
一方で制御装置２４は、混合ガスＧｍの各濃度センサ、例えばＣＨ４濃度センサ１８、Ｈ２濃度センサ２０、ＣＯ濃度センサ２２の検出値をそれぞれ取得し（ステップＳ３）、ステップＳ３の取得結果に基づいて混合ガスＧｍの改質後の燃料組成（Ｈ２、ＣＯ）を算出する（ステップＳ４）。そして制御装置２４は、ステップ２で算出された目標電流に応じて予め設定された燃料利用率を取得する（ステップＳ５）。さらにステップＳ４で算出された燃料組成を基にステップＳ２で算出された電流目標値とステップ５で取得した燃料利用率から必要となる混合ガスＧｍの燃料流量を算出する（ステップＳ６）。更に、その流量になるための第２バルブ１２の開度目標値を算出する（ステップＳ７）。そして制御装置２４は、ステップ７で算出された開度目標値に対応する制御信号を第２バルブ１２に与えることにより、第２バルブ１２の開度制御が行われる（ステップＳ８）。
尚、図４に示すように、ステップＳ１，２，５のフローと、ステップＳ３，４のフローとは互いに独立して実施可能であり、両者の実施順は任意でよい。
このように制御装置２４によって第２バルブ１２の開度制御が行われることにより、混合ガスＧｍの燃料流量が調整され、燃料電池２０１に対する出力指令Ｄに対応することができる。
図５は燃料電池２０１の運用中における混合ガス貯槽１４の圧力、及び、第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎの開度の時間的変化の一例を示すタイミングチャートである。
時刻ｔ０で示す初期状態では、複数の燃料ガス供給源２－１、２－２、・・・、２－Ｎには、それぞれ十分な燃料ガスがあると仮定する。発電に必要な燃料電池への燃料供給に伴い混合ガス貯槽の圧力が低下し、複数の燃料ガス供給路４－１、４－２、・・・、４－Ｎにそれぞれ設けられた第１バルブ８－１、８－２・・・８－Ｎのうち、まず第１バルブ８－１の設定圧力Ｐ１だけが各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘより高くなるため（他の第１バルブ８－２、・・・８－Ｎの設定圧力は各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘより低い）、混合ガス貯槽１４には第１燃料ガス供給路４－１のみから第１燃料ガスＧ１が供給される。そして時刻ｔ０～ｔ１では、混合ガス貯槽１４への第１燃料ガスＧ１の供給と、混合ガス貯槽１４から燃料電池２０１への混合ガスＧｍの供給とが平衡することで、混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘは第１バルブ８－１の設定圧力Ｐ１に略一定に維持される。
時刻ｔ１～ｔ２では、例えば燃料電池２０１における燃料ガスの消費増加や、第１燃料ガスＧ１の供給量減少などの事情によって、第１バルブ８－１が全開となっても各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが時間経過に従って次第に低下する。そして時刻ｔ２で各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが第１バルブ８－２の設定圧力Ｐ２に到達すると、第１バルブ８－２が開状態となり燃料ガス供給源２－２からの第２燃料ガスＧ２の供給が開始される。これにより、第１燃料ガスＧ１が不足した場合には、次に優先度が高い第２燃料ガスＧ２が供給されることで、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘは第１バルブ８－２の設定圧力Ｐ２となるよう制御される。
そして時刻ｔ２～ｔ３では、混合ガス貯槽１４への混合ガスＧｍ（第１燃料ガスＧ１＋第２燃料ガスＧ２）の供給と、混合ガス貯槽１４から燃料電池２０１への混合ガスＧｍの供給とが平衡することで、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘは第１バルブ８－２の設定圧力Ｐ２に略一定に維持される。
時刻ｔ３～ｔ４では、例えば燃料電池２０１における燃料ガスの更なる消費増加や、第１燃料ガスＧ１又は第２燃料ガスＧ２の供給量減少などの事情によって、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが時間経過に従って次第に低下する。そして時刻ｔ４で各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが第１バルブ８－Ｎの設定圧力ＰＮに到達すると、第１バルブ８－Ｎが開状態となり燃料ガス供給源２－Ｎからの第Ｎ燃料ガスＧＮの供給が開始される。このように複数の燃料ガス供給源からの燃料が不足した場合には、最終的に十分な供給量を持つ第Ｎ燃料ガスＧＮが供給されることで、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘは第１バルブ８－Ｎの設定圧力ＰＮとなるよう制御される。
そして時刻ｔ４～ｔ５では、混合ガス貯槽１４への混合ガスＧｍ（第１燃料ガスＧ１＋第２燃料ガスＧ２＋第Ｎ燃料ガスＧＮ）の供給と、混合ガス貯槽１４から燃料電池２０１への混合ガスＧｍの供給とが平衡することで、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘは第１バルブ８－Ｎの設定圧力ＰＮに略一定に維持される。
逆に時刻ｔ５～ｔ６では、例えば燃料電池２０１における燃料ガスの消費減少や、第１燃料ガスＧ１又は第２燃料ガスＧ２の供給量増加などの事情によって、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが時間経過に従って次第に増加するため時刻ｔ５で各燃料ガス合流後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが設定圧力ＰＮを超えると、第１バルブ８－Ｎを閉制御することで、燃料ガス供給源２－Ｎからの第Ｎ燃料ガスＧＮの供給が停止する。これにより、優先度が低い第Ｎ燃料ガスＧＮの消費を抑え、燃料電池２０１の運用コストや二酸化炭素の排出量を効果的に削減することができる。
時刻ｔ５～ｔ６では徐々に混合貯槽１４の圧力Ｐｘが上昇し、時刻ｔ６で第１バルブ８－２の設定圧力に到達すると第１バルブ８－２は混合貯槽１４の圧力が設定圧力Ｐ２となるよう全開状態から圧力制御を開始する。
時刻ｔ６～ｔ７では、混合ガス貯槽１４への混合ガスＧｍ（第１燃料ガスＧ１＋第２燃料ガスＧ２）の供給と、混合ガス貯槽１４から燃料電池２０１への混合ガスＧｍの供給とが平衡することで、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘは第１バルブ８－２の設定圧力Ｐ２に略一定に維持される。
続いて時刻ｔ７で各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが設定圧力Ｐ２を超えると、第１バルブ８－２を閉制御することで、燃料ガス供給源２－２からの第２燃料ガスＧ２の供給が停止する。その結果、最も優先度が高い第１燃料ガスＧ１のみが供給される初期状態に戻る。
このように混合ガス貯槽１４の圧力が変動する場合には、各設定圧力Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮとの大小関係に対応して各第１バルブ８－１，８－２、・・・、８－Ｎが開閉することで、優先度が高い燃料ガスの使用機会を最大化するとともに、不足分に応じて下位の優先度の燃料ガスを順に使用することで、燃料電池２０１で必要な燃料流量を確保することができる。
また、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽１４の圧力Ｐｘが燃料ガス供給路４－１、４－２、・・・、４－Ｎにそれぞれ設けられた第１バルブ８－１、８－２・・・８－Ｎの設定圧力Ｐ１、Ｐ２・・・ＰＮより高くなった場合に燃料ガス供給源２－１、２－２・・・２－Ｎに逆流しないように各第１バルブ８－１、８－２・・・８－Ｎの下流に逆流防止機構を設けるとよい。逆流防止機構は各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合貯槽１４の圧力Ｐｘが各設定圧力Ｐ１，Ｐ２・・・ＰＮより高い場合に燃料ガス供給路を遮断する遮断弁を設けてもよいし、機械的に逆流を防止する逆止弁を設けてもよい。機械的に逆流を防止する逆止弁を用いるとより簡素なシステムで逆流を防止できる。
その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）一態様に係る燃料電池の燃料ガス供給装置（例えば上記実施形態の）は、
燃料電池に複数の燃料ガス供給源（例えば上記実施形態の燃料ガスＧ１、Ｇ２、・・・、ＧＮをそれぞれ供給可能な燃料ガス供給源２－１、２－２、・・・、２－Ｎ）と、
前記複数の燃料ガス供給源の各々に接続され、前記複数の燃料ガス供給源より下流側において互いに合流する複数の燃料ガス供給路（例えば上記実施形態の燃料ガス供給路４－１、４－２、・・・、４－Ｎ）と、
前記複数の燃料ガス供給路にそれぞれ設けられ、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽（例えば上記実施形態の混合ガス貯槽１４）の圧力（例えば上記実施形態の圧力Ｐｘ）に基づいて開閉可能な複数の第１バルブ（例えば上記実施形態の第１バルブ８－１、８－２、・・・、８－Ｎ）と、
前記複数の燃料ガス供給路の合流点（例えば上記実施形態の合流点６）と前記燃料電池とを接続し、前記複数の燃料ガスの少なくとも１つを含む混合ガス（例えば上記実施形態の混合ガスＧｍ）を前記燃料電池に供給するための混合ガス供給路（例えば上記実施形態の混合ガス供給路１０）と、
前記混合ガス供給路に設けられた第２バルブ（例えば上記実施形態の第２バルブ１２）と、
を備え、
前記複数の第１バルブは、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合ガス貯槽の圧力が予め設定された設定圧力（例えば上記実施形態の設定圧力Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮ）以下になった場合に開くように構成され、
前記設定圧力は、前記複数の第１バルブの各々について互いに異なるように設定される。
上記（１）の態様によれば、複数の燃料ガスを複数の燃料供給源から供給の優先度に応じて供給される燃料ガスを含む混合ガスを燃料電池に供給できる。複数の燃料ガス供給路には圧力に応じて開度を調整可能な第１バルブが設けられており、各燃料ガス混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽の圧力が各設定圧力以下になった場合に開くように構成される。各第１バルブの設定圧力は互いに異なるように設定されることで、複数の燃料供給源から燃料ガスを順次取出し、混合ガスとして燃料電池に供給できる。このように複数の燃料ガスからなる混合ガスを燃料電池に供給することで、複数の燃料ガスを利用した燃料電池の運用が可能となる。
（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記複数の燃料ガスには予め優先度が設定されており、
前記設定圧力は、前記優先度が高いほど高く設定される。
上記（２）の態様によれば、各第１バルブの設定圧力は、優先度に基づいて設定される。特に、優先度が高い燃料ガスに対応する設定圧力を大きく設定することで、優先度が高い燃料ガスの使用頻度を高めつつ、当該燃料ガスだけでは不足が生じる場合には、優先度が低い燃料ガスを順次供給して混合ガスとすることで、ユーザが意図する燃料ガスを効率的に使用しつつ、燃料電池２０１の運用コストや二酸化炭素の排出量を効果的に削減することができる。
（３）他の態様では、上記（１）又は（２）の態様において、
前記複数の第１バルブは、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合ガス貯槽の圧力に応じて開度を調整可能な減圧弁である。
上記（３）の態様によれば、各燃料ガス供給路に設けられた第１バルブを減圧弁として構成することで、圧力を検出するためのセンサや当該センサに基づいて制御信号を生成するためのコントローラなどの構成を用いることなく、シンプルな構成で上記装置を実現できる。
（４）他の態様では、上記（１）から（３）のいずれか一態様において、
前記混合ガス供給路のうち前記第２バルブより上流側に設けられ、前記混合ガスを貯留可能な混合ガス貯槽（例えば上記実施形態の混合ガス貯槽１４）を更に備える。
上記（４）の態様によれば、複数の燃料ガス供給路からの複数の燃料ガスは、混合ガス貯槽に一時的に貯蔵することで混合ガスの使用量が変動した場合でも供給圧力の変動を緩和し第１バルブの作動状態を安定化することができる。また、貯蔵されることで燃料ガスが十分に混合され、複数の燃料ガス供給路からの供給流量の割合が変化した場合においても混合ガス組成の変動を緩和できるため燃料電池の運転を安定させることができる。
（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
前記第２バルブから前記燃料電池に供給される前記混合ガスの燃料組成を計測する手段前記混合ガスの流量検出手段をさらに備える。
上記（５）の態様によれば、安定した性状を有する混合ガスの燃料組成を計測し、その計測結果に基づいて出力指令に基づいて燃料電池に供給する混合ガス流量を算出する制御装置を備える。
（６）他の態様では、上記（１）から（５）のいずれか一態様において、
混合ガスの流量検出手段を備え、前記燃料電池に供給される前記混合ガスに含まれる燃料組成に基づいて算出された混合ガス流量を前記第２バルブの開度および流量検出手段により制御する。
上記（６）の態様によれば、混合ガスに含まれる燃料組成に基づいて第２バルブの開度を制御することで、燃料電池の発電に必要な混合ガスの流量を適切に供給することができる。
（７）他の態様では、上記（１）から（６）のいずれか一態様において、
各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合貯槽の圧力が前記燃料ガス供給ラインにそれぞれ設けられた前記第１バルブの前記設定圧力より高くなった場合に、前記燃料ガス供給源に前記混合ガスが逆流しないように逆流防止機構を更に備える。
上記（７）の態様によれば、逆流防止機構を備えることにより、第１バルブの下流側の圧力が設定圧力より高くなった場合においても、第１バルブの上流側に混合ガスが逆流することを防止し、信頼性に優れた燃料ガス供給装置を実現できる。
（８）他の態様では、上記（１）から（７）のいずれか一態様において、
前記複数の燃料ガスは、性状や供給量が安定している燃料ガスを少なくとも１つ含む。
上記（８）の態様によれば、例えば都市ガスのような性状が安定して十分な供給量のある燃料ガスを用いることで、消化ガスや再生エネルギ由来の水素ガス等のように性状や供給量が安定していない燃料ガスを優先的に使用する場合においても、不足が生じた場合には性状や供給量が安定している燃料ガスを用いることで不足分を賄うことができる。これにより、性状や供給量が安定している燃料ガスの消費を抑えることで燃料電池の運用コストを低減できり、消化ガスや再生エネルギ由来の水素ガス等の性状が安定していない燃料ガスの有効利用が可能となる。
１ 燃料ガス供給装置
２－１、２－２、・・・、２－Ｎ 燃料ガス供給源
４－１、４－２、・・・、４－Ｎ 燃料ガス供給路
６ 合流点
８－１、８－２、・・・、８－Ｎ 第１バルブ
９－１，９－２、・・・、９－Ｎ 逆流防止機構
１０ 混合ガス供給路
１２ 第２バルブ
１４ 混合ガス貯槽
１６ 圧力センサ
１８ ＣＨ４濃度センサ
２０ Ｈ２濃度センサ
２２ ＣＯ濃度センサ
２３ 混合ガス流量検出器
２４ 制御装置
１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ 燃料電池
２０３ カートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
Ｄ 出力指令
Ｇ１、Ｇ２、・・・、ＧＮ 燃料ガス
Ｇｍ 混合ガス
Ｐ１、Ｐ２、・・・、ＰＮ 設定圧力

Claims (8)

  1. 燃料電池に複数の燃料ガスをそれぞれ供給可能な複数の燃料ガス供給源と、
    前記複数の燃料ガス供給源各々に接続され、前記複数の燃料ガス供給源より下流側において互いに合流する複数の燃料ガス供給路と、
    前記複数の燃料ガス供給路にそれぞれ設けられ、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは混合ガス貯槽の圧力に基づいて開閉可能な複数の第１バルブと、
    前記複数の燃料ガス供給路の合流点と前記燃料電池とを接続し、前記複数の燃料ガスの少なくとも１つを含む混合ガスを前記燃料電池に供給するための混合ガス供給路と、
    前記混合ガス供給路に設けられた第２バルブと、
    を備え、
    前記複数の第１バルブは、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合ガス貯槽の圧力が予め設定された設定圧力以下になった場合に開くように構成され、
    前記設定圧力は、前記複数の第１バルブの各々について互いに異なるように設定される、燃料電池の燃料ガス供給装置。
  2. 前記複数の燃料ガスには予め優先度が設定されており、
    前記設定圧力は、前記優先度が高いほど高く設定される、請求項１に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
  3. 前記複数の第１バルブは、各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合ガス貯槽の圧力に応じて開度を調整可能な減圧弁である、請求項１又は２に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
  4. 前記混合ガス貯槽は、前記混合ガス供給路のうち前記第２バルブより上流側に設けられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
  5. 前記第２バルブから前記燃料電池に供給される前記混合ガスの燃料組成を計測する手段を更に備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
  6. 前記燃料電池に供給される前記混合ガスに含まれる燃料組成に基づいて必要な混合ガス流量を算出し、当該流量に基づいて前記第２バルブの開度を制御する、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
  7. 各前記燃料ガスの混合後の圧力もしくは前記混合貯槽の圧力が前記燃料ガス供給ラインにそれぞれ設けられた前記第１バルブの前記設定圧力より高くなった場合に、前記燃料ガス供給源に前記混合ガスが逆流しないように逆流防止機構を更に備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
  8. 前記複数の燃料ガスは、性状が安定し、且つ、供給量が十分に確保されている燃料ガスを少なくとも１つ含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池の燃料ガス供給装置。
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