JPWO2010119601A1 - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池発電システムにおいて、脱硫器の交換時に落下する触媒の粉や埃が流量センサーに到達するのを防止する。燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、脱硫器３の上流側で脱硫器３を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサー１７と、一端が脱硫器３の下端に接続され他端が流量センサー１７に接続された原料配管１１とを備え、原料ガスが脱硫器３内を上方向に流れ、脱硫器３が原料配管１１に着脱可能に接続され、脱硫器３と流量センサー１７が略上下方向に並ぶように近接して配置され、原料配管１１の一端から進入した脱硫器３の触媒の粉または埃が流量センサー１７に到達するのを防止するトラップ部１６を原料配管１１の途中に設けたものであり、トラップ部１６の上流側がトラップ部１６よりも高くなっている。

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電を行なう燃料電池発電システムの本体構造に関するものである。
従来の燃料電池発電システムとしては、特許文献１に開示されているものがあった。以下、特許文献１に開示されている従来の燃料電池発電システムについて、図８を参照しながら説明する。図８は特許文献１に開示された従来の燃料電池発電システムのシステム構成を示すものである。
図８に示すように、従来の燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの原料を水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、燃料電池１の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、原料供給の入切を行なう遮断弁４と、原料ガスの圧力を上昇させ改質器２へ供給する昇圧ポンプ５と、燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給する送風機６とを備える。脱硫器３と遮断弁４とは原料配管１１で接続され、脱硫器３と昇圧ポンプ５とは脱硫後配管１２で接続されている。
また、従来の燃料電池発電システムの脱硫器の搭載構成としては、特許文献２に開示されているものがあった。以下、特許文献２に開示されている従来の燃料電池発電システムの脱硫器の搭載構成について、図９を参照しながら説明する。図９は特許文献２に開示された従来の燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体構成を示すものである。
図９に示すように、従来の燃料電池発電システムは、燃料電池発電システム本体７に、脱硫器３を着脱するための点検窓８が設けられている。脱硫器３は円柱状に構成され、脱硫器３の下面に脱硫器入口９があり、脱硫器３の上面に脱硫器出口１０がある。
図８および図９を参照しながら、従来の燃料電池発電システムの動作を説明する。
遮断弁４より供給された原料は、脱硫器３により硫黄分を除去された後、昇圧ポンプ５で加圧されて改質器２へ供給される。原料ガスは改質器２で水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１に供給される。一方送風機６より酸化剤ガスとしての反応空気が燃料電池１に供給され、燃料ガスと反応空気とが電機化学的に反応して発電を行なう。
脱硫器３は、触媒の吸着現象を利用して原料に含まれる硫黄を除去しているため、使用時間とともに硫黄の除去性能が低下する。従って継続して使用するために、脱硫器３を定期的に新品に交換する必要がある。定期交換する際は、点検窓８より交換作業を行い、脱硫器３の脱硫器入口９と原料配管１１との接続と、脱硫器出口１０と脱硫後配管１２との接続を外して交換する。
日本国特開２００８−２８２５７２号公報 日本国特開２００６−１４０１６４号公報
しかしながら、上記従来の構成では、昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わるため、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、特に原料の流れがなくなる機器停止中に、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入るといった現象が発生する。
また、脱硫器３を定期交換する際に、輸送振動によって脱硫器３内で発生した触媒の粉が交換用の新品の脱硫器３から原料配管１１に進入し、または交換のために脱硫器３を取り外している間に、原料配管１１の開口部分より空気中の埃が進入する可能性がある。
以上のように触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１に進入して、原料配管１１に連通する遮断弁４に到達すると、遮断弁４の摺動部に入り込み、遮断弁４が開閉しない動作不良や、遮断弁４の弁座部に触媒の粉や空気中の埃が付着して発生する気密不良になるといった課題を有していた。
また、上記従来の構成では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機を遮断弁４としているが、実際には、脱硫器３と遮断弁４との間に、脱硫器３を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサーを設けることが考えられる。その場合は、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機が流量センサーとなり、触媒の粉や空気中の埃により、流量センサーの動作不良が発生する可能性がある。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脱硫器の下面に設けた接続部に原料配管を介して連通する流量センサーを設ける燃料電池発電システムにおいて、流量センサーへの触媒の粉や空気中の埃の到達を防ぎ、その動作信頼性を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器と、前記脱硫器の上流側で前記脱硫器を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサーと、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記流量センサーに接続された原料配管とを備え、原料ガスが前記脱硫器内を流れ、前記脱硫器が前記原料配管に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃が前記流量センサーに到達するのを防止するトラップ部を前記原料配管の途中に設けたのである。
本構成によって、脱硫器の触媒の粉や空気中の埃は原料配管に入るものの、トラップ部が脱硫器の触媒の粉や空気中の埃を流量センサーに到達するのを防止することができる。
本発明の燃料電池発電システムによれば、トラップ部が配管に入った脱硫器の触媒の粉や空気中の埃の流量センサーへの進入を防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサーの動作不良を防止し、流量センサーの動作信頼性を向上することができることができる。
本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムに用いた原料配管の斜視図 本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態５における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 従来の燃料電池発電システムの概略構成図 従来の燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
第１の発明は、燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器と、前記脱硫器の上流側で前記脱硫器を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサーと、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記流量センサーに接続された原料配管とを備え、原料ガスが前記脱硫器内を流れ、前記脱硫器が前記原料配管に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃が前記流量センサーに到達するのを防止するトラップ部を前記原料配管の途中に設けたものである。これにより、原料配管の一端から進入した脱硫器の触媒の粉または埃が流量センサーに到達するのを防止するトラップ部を原料配管の途中に設けたことにより、脱硫器の触媒の粉や埃は原料配管に入るものの、トラップ部が脱硫器の触媒の粉や埃を流量センサーに到達するのを防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサーの動作不良を防止し、流量センサーの動作信頼性を向上することができる。
第２の発明は、特に、第１の発明における脱硫器の上流側が脱硫器の下流側より下方に位置するものであり、この場合には、脱硫器が鉛直方向に配置されるため、原料ガスがほとんどの触媒と反応することができる。逆に、脱硫器が水平方向に配置された場合には、脱硫器内の触媒が脱硫器内の下部に偏在するため、脱硫器内の上部に触媒の存在しない空間が形成され、この空間を原料ガスが流れて脱硫されない状態で脱硫器から排出される可能性が生じる。第２の発明によれば、このような可能性が排除することができる。
第３の発明は、特に、第１または第２の発明における前記トラップ部が、前記トラップ部の上流側が前記トラップ部よりも高くなっているものであり、トラップ部を、トラップ部の上流側がトラップ部よりも高くなっているものとすることができ、トラップ部を容易に構成することができる。
第４の発明は、特に、第１から第３の発明のうちいずれか１つの発明において、前記脱硫器と前記流量センサーとが略上下方向に並ぶように近接して配置されているものである。一般に、脱硫器は定期交換部品であるため、メンナンス性の良い構成位置に配置される。したがって、脱硫器と流量センサーとを略上下方向に並ぶように近接して配置したことにより、流量センサーの確認が容易となり、流量センサーのメンテナンス性が向上する。
第５の発明は、特に、第１から第３のうちいずれか１つの発明において、前記流量センサーの下流側の位置が前記脱硫器の上流側の位置より上方に配置されているものである。したがって、落下時に発生する触媒の粉または埃の有する位置エネルギーにより、触媒の粉または空気中の埃がトラップ部を通過して流量センサーに到達することを防止することができる。
第６の発明は、特に、第１から第３の発明のうちいずれか１つの発明における前記原料配管が、少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を有するものであり、原料配管のループ最下部がトラップ部として機能する。原料配管に少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を設けることにより、進入した触媒中の粉および空気中の埃は原料配管のループの最下部に溜まり、流量センサーまで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサーの動作不良を防止することができる。
また、原料配管をループ形状にすることにより、流量センサーを脱硫器の直下近傍に配置することが容易にできる。さらに、運転中流量センサーは連通する昇圧ポンプが原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向である。しかし、原料配管はループ状で配管長が長くなって緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプの圧力変動の影響が緩和され、流量センサーの測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
第７の発明は、特に、第１から第６の発明のうちいずれか１つの発明における前記トラップ部が、前記原料配管における前記トラップ部以外の部分よりも内径が大きいものであり、トラップ部に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部が、原料配管におけるトラップ部以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
さらに、運転中、流量センサーは連通する昇圧ポンプが原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向である。しかし、原料配管の途中のトラップ部の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプの圧力変動の影響が緩和され、流量センサーの測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
以下、本発明の燃料電池発電システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。また、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略構成図、図２は本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図である。
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの原料を水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、燃料電池１の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、原料供給の入切を行なう遮断弁４と、原料ガスの圧力を上昇させ改質器２へ供給する昇圧ポンプ５と、燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給する送風機６と、脱硫器３の上流側で脱硫器３を通過する原料の流量を測定する流量センサー１７と、脱硫器３の下面の脱硫器入口から流量センサー１７まで連通接続する原料配管１１と、遮断弁４と流量センサー１７と昇圧ポンプ５と送風機６に接続され、遮断弁４と昇圧ポンプ５と送風機６を制御する制御器１８とで構成されている。
制御器１８は流量センサー１７の流量の値に応じて、燃料電池１へ供給する必要空気量を求め、送風機６へ制御信号を送るなどの燃料電池発電システムの運転動作を制御する。また、上流側から下流側に向かって、遮断弁４、流量センサー１７、原料配管１１、脱硫器３、脱硫後配管１２、昇圧ポンプ５、改質器２、燃料電池１の順番で接続されている。
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システムは、流量センサー１７が、脱硫器３の直下付近に配置されて、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１で、脱硫器３と連通接続されている。原料配管１１は、上方に開口し流量センサー１７と接続する原料配管入口１４と、上方に開口し脱硫器入口９と接続する原料配管出口１５とを備え、原料配管１１を燃料電池発電システム本体７に取り付けた時、流量センサー１７と接続する原料配管入口１４は、原料配管入口１４より下方かつ原料配管１１で最も下方に位置するトラップ部１６より上方に位置するように構成されている。
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池発電システムについて、以下、その動作を説明する。
遮断弁４より供給された原料は、流量センサー１７を通過した後、脱硫器３により硫黄分を除去された後、昇圧ポンプ５で加圧されて改質器２へ供給される。原料ガスは改質器２で水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１に供給される。一方、制御器１８は流量センサー１７で測定した原料の流量に応じて、燃料電池１に必要な空気量を演算し、送風機６に運転信号を送る。送風機６より酸化剤ガスとしての反応空気が燃料電池１に供給され、燃料ガスと反応空気とが電機化学的に反応して発電を行なう。
脱硫器３は、触媒の吸着現象を利用して原料に含まれる硫黄を除去しているため、使用時間とともに硫黄の除去性能が低下する。従って継続して使用するために、脱硫器３を定期的に新品に交換する必要がある。定期交換する際は、脱硫器３の脱硫器入口９と原料配管１１との接続と、脱硫器出口１０と脱硫後配管１２との接続を外して交換する。
運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１を用いているため、原料配管１１に入った触媒の粉や空気中の埃は、原料配管１１の最下部であるトラップ部１６に溜まるため、トラップ部１６より上方にある流量センサー１７へは到達せず、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。
以上説明したように本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料電池１の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、脱硫器３の上流側で脱硫器３を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサー１７と、一端が脱硫器３の下端に接続され他端が流量センサー１７に接続された原料配管１１とを備え、原料ガスが脱硫器３内を上方向に流れ、脱硫器３が原料配管１１に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、脱硫器３と流量センサー１７が略上下方向に並ぶように近接して配置され、原料配管１１の一端から進入した脱硫器３の触媒の粉または埃が流量センサー１７に到達するのを防止するトラップ部１６を原料配管１１の途中に設けたものである。また、トラップ部１６は、トラップ部１６の上流側がトラップ部１６よりも高くなっているものである。
そして、原料配管１１の一端から進入した脱硫器３の触媒の粉または埃が流量センサー１７に到達するのを防止するトラップ部１６を原料配管１１の途中に設けたことにより、脱硫器３の触媒の粉や埃は原料配管１１に入るものの、トラップ部１６が脱硫器３の触媒の粉や埃を流量センサー１７に到達するのを防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサー１７の動作不良を防止し、流量センサー１７の動作信頼性を向上することができる。
また、トラップ部１６を、トラップ部１６の上流側がトラップ部１６よりも高くなっているものとすることができ、原料配管１１を曲げるだけでトラップ部１６を容易に構成することができる。
一般に、脱硫器３は定期交換部品であるため、メンテナンス性の良い構成位置に配置される。したがって、流量センサー１７を脱硫器３の直下付近に配置したことにより、流量センサー３の確認が容易となり、流量センサー３のメンテナンス性が向上する。
なお、本実施の形態では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けた場合も、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムに用いた原料配管の斜視図、図４は、同実施の形態における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図である。
図３に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、原料配管１１が、鉛直方向にループ状に曲げて形成され、下方に開口し流量センサー１７と接続する原料配管入口１４と、鉛直方向の上方に開口し脱硫器入口９と接続する原料配管出口１５と、原料配管１１のループ部の最下部となるトラップ部１６とから構成される。
図４に示すように、本実施の形態２の燃料電池発電システムでは、流量センサー１７が、脱硫器３の直下付近に配置され、原料配管１１で脱硫器３と連通接続されている。
本実施の形態２は、実施の形態１の燃料電池発電システムにおいて、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１の代わりに、鉛直方向にループ状に曲げられた原料配管１１を用いたものであり、その他の構成は、実施の形態１と同様である。
また、本実施の形態２の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態２の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態２の燃料電池発電システムでは、原料配管１１が、鉛直方向にループ状に形成されているため、進入した触媒中の粉および空気中の埃は、原料配管１１のループ部の最下部となるトラップ部１６に溜まり、流量センサー１７まで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。
また、原料配管１１をループ形状にしているため、容易に流量センサー１７を脱硫器３の直下近傍に配置することができる。脱硫器３は定期交換部品であるため、メンテナンス性の良い構成位置に配置されており、脱硫器３の直下近傍に配置される流量センサー１７はメンテナンス性に優れている。
さらに、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１はループ状で配管長が長くなって緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。なお、本実施の形態では、原料配管１１のループ形状を１周としているが、ループの数を増やし緩衝空間を大きくして、昇圧ポンプ５の影響をさらに低減することが可能である。
以上、説明したように本実施の形態２の燃料電池発電システムは、原料配管１１が、少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を有するものであり、原料配管１１のループ最下部がトラップ部１６として機能する。原料配管１１に少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を設けることにより、進入した触媒中の粉および空気中の埃は原料配管１１のループ最下部のトラップ部１６に溜まり、流量センサー１７まで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。また、原料配管１１をループ形状にすることにより、流量センサー１７を脱硫器３の直下近傍に配置することが容易にできる。
なお、本実施の形態２では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの脱硫器３の付近の本体の構成図である。
図５に示すように本実施の形態における燃料電池発電システムは、実施の形態１の燃料電池発電システムにおいて、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１より大きくした構成としている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
また、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１を用いており、さらに原料配管１１の最下部であるトラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしているため、原料配管１１に入った触媒の粉や空気中の埃は、原料配管１１の最下部であるトラップ部１６に溜まるため、トラップ部１６より上方にある流量センサー１７へは到達せず、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。また、トラップ部１６に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部１６が、原料配管１１におけるトラップ部１６以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
さらに、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができる。このため、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
なお、本実施の形態では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図である。
図６に示すように本実施の形態４における燃料電池発電システムは、実施の形態２の燃料電池発電システムにおいて、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１より大きくした構成としている。その他の構成は、実施の形態２と同様である。
また、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態２とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、原料配管１１が、鉛直方向にループ状に曲げて形成され、さらに原料配管１１のループ最下部のトラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしているため、進入した触媒中の粉および空気中の埃は、原料配管１１のループ部の最下部となるトラップ部１６に溜まり、流量センサー１７まで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。また、トラップ部１６に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部１６が、原料配管１１におけるトラップ部１６以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
また、原料配管１１をループ形状にしているため、容易に流量センサー１７を脱硫器３の直下近傍に配置することができる。脱硫器３は定期交換部品であるため、メンナンス性の良い構成位置に配置されており、脱硫器３の直下近傍に配置される流量センサー１７はメンテナンス性に優れている。
さらに、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
なお、本実施の形態では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における燃料電池発電システムの脱硫器３の付近の本体の構成図である。
図７に示すように本実施の形態５における燃料電池発電システムは、実施の形態１の燃料電池発電システムにおいて、流量センサー１７の下流側の位置が脱硫器３の上流側の位置より上方に配置した構成としている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。なお、流量センサー１７の下流側の位置とは、図７において流量センサー１７の原料配管入口１４側の位置を指す。また、脱硫器３の上流側の位置とは、図７において脱硫器３の原料配管出口１５側の位置を指す。
また、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態５の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態５の燃料電池発電システムでは、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１を用いており、さらに流量センサー１７の下流側の位置が脱硫器３の上流側の位置より上方に配置したものである。このため、触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１を落下する時に発生する位置エネルギーでは、当該触媒の粉や空気中の埃がトラップ部１６を通過し当該トラップ部１６より上方にある流量センサー１７に到達せず、進入した触媒中の粉および埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。
なお、本実施の形態５では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態５の変形例）
また、図７に示す原料配管１１におけるトラップ部１６は、図５に示すトラップ部１６のように、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしたものを構成しても良い。この場合にも、本実施の形態５と同様に、触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１を落下する時に発生する位置エネルギーでは、当該触媒の粉や空気中の埃がトラップ部１６を通過し当該トラップ部１６より上方にある流量センサー１７に到達せず、進入した触媒中の粉および埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。更に、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができる。このため、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
本出願は、２００９年４月１３日出願の日本特許出願（特願２００９−９６８６０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明にかかる燃料電池発電システムは、トラップ部が原料配管１１に入った脱硫器の触媒の粉や空気中の埃の流量センサーへの進入を防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサーの動作不良を防止し、流量センサーの動作信頼性を向上することができる。このため、脱硫器と脱硫器の下方に配置された流量センサー等の燃料電池発電システムに使用する補機とが原料配管で接続され、脱硫器を定期的に交換する必要がある家庭用の燃料電池発電システムに有用である。
１ 燃料電池
３ 脱硫器
１１ 原料配管
１６ トラップ部
１７ 流量センサー
【０００３】
空気中の埃が進入する可能性がある。
［００１２］
以上のように触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１に進入して、原料配管１１に連通する遮断弁４に到達すると、遮断弁４の摺動部に入り込み、遮断弁４が開閉しない動作不良や、遮断弁４の弁座部に触媒の粉や空気中の埃が付着して発生する気密不良になるといった課題を有していた。
［００１３］
また、上記従来の構成では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機を遮断弁４としているが、実際には、脱硫器３と遮断弁４との間に、脱硫器３を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサーを設けることが考えられる。その場合は、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機が流量センサーとなり、触媒の粉や空気中の埃により、流量センサーの動作不良が発生する可能性がある。
［００１４］
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脱硫器の下面に設けた接続部に原料配管を介して連通する補機を設ける燃料電池発電システムにおいて、補機への触媒の粉や空気中の埃の到達を防ぎ、その動作信頼性を向上させることを目的とする。
課題を解決するための手段
［００１５］
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去し、上流側が下流側よりも下方に位置するように前記原料ガスが流される脱硫器と、前記脱硫器の上流側に配置される補機と、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記補機に接続されている原料配管とを備え、前記脱硫器が前記原料配管に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃を溜めるトラップ部が、前記原料配管の途中に設けられ、前記トラップ部は、前記脱硫器の入り口及び前記補機の出口の両方よりも下方に位置する配管部分を設けるか、又は、鉛直方向にループ上に形成されている配管部分を設けて構成されているのである。
［００１６］
本構成によって、脱硫器の触媒の粉や空気中の埃は原料配管に入るものの、トラップ部が脱硫器の触媒の粉や空気中の埃を補機に到達するの
【０００４】
を防止することができる。
発明の効果
［００１７］
本発明の燃料電池発電システムによれば、トラップ部が配管に入った脱硫器の触媒の粉や空気中の埃の補機への進入を防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による補機の動作不良を防止し、補機の動作信頼性を向上することができる。
図面の簡単な説明
［００１８］
［図１］本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略構成図
［図２］本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
［図３］本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムに用いた原料配管の斜視図
［図４］本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
［図５］本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
［図６］本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
［図７］本発明の実施の形態５における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
［図８］従来の燃料電池発電システムの概略構成図
［図９］従来の燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
発明を実施するための形態
［００１９］
第１の発明は、燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去し、上流側が下流側よりも下方に位置するように前記原料ガスが流される脱硫器と、前記脱硫器の上流側に配置される補機と、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記補機に接続されている原料配管とを備え、前記脱硫器が前記原料配管に着
【０００５】
脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃を溜めるトラップ部が、前記原料配管の途中に設けられ、前記トラップ部は、前記脱硫器の入り口及び前記流補機の出口の両方よりも下方に位置する配管部分を設けるか、又は、鉛直方向にループ上に形成されている配管部分を設けて構成されているものである。これにより、原料配管の一端から進入した脱硫器の触媒の粉または埃が流量センサーに到達するのを防止するトラップ部を原料配管の途中に設けたことにより、脱硫器の触媒の粉や埃は原料配管に入るものの、トラップ部が脱硫器の触媒の粉や埃を流量センサーに到達するのを防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサーの動作不良を防止し、流量センサーの動作信頼性を向上することができる。
［００２０］
［００２１］
第３の発明は、特に、第１または第２の発明における前記トラップ部が、前記トラップ部の上流側が前記トラップ部よりも高くなっているものであり、トラップ部を、トラップ部の上流側がトラップ部よりも高くなっているものとすることができ、トラップ部を容易に構成することができる。
［００２２］
第４の発明は、特に、第１から第３の発明のうちいずれか１つの発明において、前記脱硫器と前記補機とが略上下方向に並ぶように近接して配置されているものである。一般に、脱硫器は定期交換部品であるため、メンナンス性の良い構成位置に配置される。したがって、脱硫器と補機とを略上下方向に並ぶように近接して配置したことにより、補機の確認が容易となり、補機のメンテナンス性が向上する。
［００２３］
第５の発明は、特に、第１から第３のうちいずれか１つの発明において、前記補機の下流側の位置が前記脱硫器の上流側の位置より上方に配
【０００６】
置されているものである。したがって、落下時に発生する触媒の粉または埃の有する位置エネルギーにより、触媒の粉または空気中の埃がトラップ部を通過して補機に到達することを防止することができる。
［００２４］
［００２５］
［００２６］
第７の発明は、特に、第１から第６の発明のうちいずれか１つの発明における前記補機は流量センサーであり、前記トラップ部が、前記原料配管における前記トラップ部以外の部分よりも内径が大きいものであり、トラップ部に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部が、原料配管におけるトラップ部以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
［００２７］
さらに、運転中、流量センサーは連通する昇圧ポンプが原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向である。しかし、原料配管の途中のトラップ部の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプの圧力変動の影響が緩和され、流量センサーの測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
【００１６】
同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
［００７５］
（実施の形態５の変形例）
また、図７に示す原料配管１１におけるトラップ部１６は、図５に示すトラップ部１６のように、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしたものを構成しても良い。この場合にも、本実施の形態５と同様に、触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１を落下する時に発生する位置エネルギーでは、当該触媒の粉や空気中の埃がトラップ部１６を通過し当該トラップ部１６より上方にある流量センサー１７に到達せず、進入した触媒中の粉および埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。更に、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができる。このため、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
［００７６］
本出願は、２００９年４月１３日出願の日本特許出願（特願２００９−９６８６０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
産業上の利用可能性
［００７７］
本発明にかかる燃料電池発電システムは、トラップ部が原料配管１１に入った脱硫器の触媒の粉や空気中の埃の補機への進入を防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサーの動作不良を防止し、補機の動作信頼性を向上することができる。このため、脱硫器と脱硫器の下方に配置された流量センサー等の燃料電池発電システムに使用する補機とが原料配管で接続され、脱硫器を定期的に交換する必要がある家庭用の燃料電池発電システムに有用である。
符号の説明
本発明は、燃料電池を用いて発電を行なう燃料電池発電システムの本体構造に関するものである。
従来の燃料電池発電システムとしては、特許文献１に開示されているものがあった。以下、特許文献１に開示されている従来の燃料電池発電システムについて、図８を参照しながら説明する。図８は特許文献１に開示された従来の燃料電池発電システムのシステム構成を示すものである。
図８に示すように、従来の燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの原料を水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、燃料電池１の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、原料供給の入切を行なう遮断弁４と、原料ガスの圧力を上昇させ改質器２へ供給する昇圧ポンプ５と、燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給する送風機６とを備える。脱硫器３と遮断弁４とは原料配管１１で接続され、脱硫器３と昇圧ポンプ５とは脱硫後配管１２で接続されている。
また、従来の燃料電池発電システムの脱硫器の搭載構成としては、特許文献２に開示されているものがあった。以下、特許文献２に開示されている従来の燃料電池発電システムの脱硫器の搭載構成について、図９を参照しながら説明する。図９は特許文献２に開示された従来の燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体構成を示すものである。
図９に示すように、従来の燃料電池発電システムは、燃料電池発電システム本体７に、脱硫器３を着脱するための点検窓８が設けられている。脱硫器３は円柱状に構成され、脱硫器３の下面に脱硫器入口９があり、脱硫器３の上面に脱硫器出口１０がある。
図８および図９を参照しながら、従来の燃料電池発電システムの動作を説明する。
遮断弁４より供給された原料は、脱硫器３により硫黄分を除去された後、昇圧ポンプ５で加圧されて改質器２へ供給される。原料ガスは改質器２で水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１に供給される。一方送風機６より酸化剤ガスとしての反応空気が燃料電池１に供給され、燃料ガスと反応空気とが電機化学的に反応して発電を行なう。
脱硫器３は、触媒の吸着現象を利用して原料に含まれる硫黄を除去しているため、使用時間とともに硫黄の除去性能が低下する。従って継続して使用するために、脱硫器３を定期的に新品に交換する必要がある。定期交換する際は、点検窓８より交換作業を行い、脱硫器３の脱硫器入口９と原料配管１１との接続と、脱硫器出口１０と脱硫後配管１２との接続を外して交換する。
特開２００８−２８２５７２号公報 特開２００６−１４０１６４号公報
しかしながら、上記従来の構成では、昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わるため、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、特に原料の流れがなくなる機器停止中に、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入るといった現象が発生する。
また、脱硫器３を定期交換する際に、輸送振動によって脱硫器３内で発生した触媒の粉が交換用の新品の脱硫器３から原料配管１１に進入し、または交換のために脱硫器３を取り外している間に、原料配管１１の開口部分より空気中の埃が進入する可能性がある。
以上のように触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１に進入して、原料配管１１に連通する遮断弁４に到達すると、遮断弁４の摺動部に入り込み、遮断弁４が開閉しない動作不良や、遮断弁４の弁座部に触媒の粉や空気中の埃が付着して発生する気密不良になるといった課題を有していた。
また、上記従来の構成では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機を遮断弁４としているが、実際には、脱硫器３と遮断弁４との間に、脱硫器３を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサーを設けることが考えられる。その場合は、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機が流量センサーとなり、触媒の粉や空気中の埃により、流量センサーの動作不良が発生する可能性がある。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、脱硫器の下面に設けた接続部に原料配管を介して連通する補機を設ける燃料電池発電システムにおいて、補機への触媒の粉や空気中の埃の到達を防ぎ、その動作信頼性を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去し、上流側が下流側よりも下方に位置するように前記原料ガスが流される脱硫器と、前記脱硫器の上流側に配置される補機と、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記補機に接続されている原料配管とを備え、前記脱硫器が前記原料配管に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃を溜めるトラップ部が、前記原料配管の途中に設けられ、前記トラップ部は、前記脱硫器の入り口及び前記補機の出口の両方よりも下方に位置する配管部分を設けるか、又は、鉛直方向にループ上に形成されている配管部分を設けて構成されているのである。
本構成によって、脱硫器の触媒の粉や空気中の埃は原料配管に入るものの、トラップ部が脱硫器の触媒の粉や空気中の埃を補機に到達するのを防止することができる。
本発明の燃料電池発電システムによれば、トラップ部が配管に入った脱硫器の触媒の粉や空気中の埃の補機への進入を防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による補機の動作不良を防止し、補機の動作信頼性を向上することができることができる。
本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略構成図 本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムに用いた原料配管の斜視図 本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 本発明の実施の形態５における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図 従来の燃料電池発電システムの概略構成図 従来の燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図
第１の発明は、燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去し、上流側が下流側よりも下方に位置するように前記原料ガスが流される脱硫器と、前記脱硫器の上流側に配置される補機と、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記補機に接続されている原料配管とを備え、前記脱硫器が前記原料配管に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃を溜めるトラップ部が、前記原料配管の途中に設けられ、前記トラップ部は、前記脱硫器の入り口及び前記流補機の出口の両方よりも下方に位置する配管部分を設けるか、又は、鉛直方向にループ上に形成されている配管部分を設けて構成されているものである。これにより、原料配管の一端から進入した脱硫器の触媒の粉または埃が流量センサーに到達するのを防止するトラップ部を原料配管の途中に設けたことにより、脱硫器の触媒の粉や埃は原料配管に入るものの、トラップ部が脱硫器の触媒の粉や埃を流量センサーに到達するのを防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサーの動作不良を防止し、流量センサーの動作信頼性を向上することができる。
第２の発明は、特に、第１の発明における前記トラップ部が、前記トラップ部の上流側が前記トラップ部よりも高くなっているものであり、トラップ部を、トラップ部の上流側がトラップ部よりも高くなっているものとすることができ、トラップ部を容易に構成することができる。
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記脱硫器と前記補機とが略上下方向に並ぶように近接して配置されているものである。一般に、脱硫器は定期交換部品であるため、メンテナンス性の良い構成位置に配置される。したがって、脱硫器と補機とを略上下方向に並ぶように近接して配置したことにより、補機の確認が容易となり、補機のメンテナンス性が向上する。
第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記補機の下流側の位置が前記脱硫器の上流側の位置より上方に配置されているものである。したがって、落下時に発生する触媒の粉または埃の有する位置エネルギーにより、触媒の粉または空気中の埃がトラップ部を通過して補機に到達することを防止することができる。
第５の発明は、特に、第１から第４の発明のうちいずれか１つの発明における前記トラップ部が、前記原料配管における前記トラップ部以外の部分よりも内径が大きいものであり、トラップ部に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部が、原料配管におけるトラップ部以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
さらに、運転中、流量センサーは連通する昇圧ポンプが原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向である。しかし、原料配管の途中のトラップ部の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプの圧力変動の影響が緩和され、流量センサーの測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
以下、本発明の燃料電池発電システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。また、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成については、同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの概略構成図、図２は本発明の実施の形態１における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図である。
図１に示すように、本実施の形態１の燃料電池発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１と、天然ガスなどの原料を水蒸気改質し水素リッチな改質ガスを生成する改質器２と、燃料電池１の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、原料供給の入切を行なう遮断弁４と、原料ガスの圧力を上昇させ改質器２へ供給する昇圧ポンプ５と、燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給する送風機６と、脱硫器３の上流側で脱硫器３を通過する原料の流量を測定する流量センサー１７と、脱硫器３の下面の脱硫器入口から流量センサー１７まで連通接続する原料配管１１と、遮断弁４と流量センサー１７と昇圧ポンプ５と送風機６に接続され、遮断弁４と昇圧ポンプ５と送風機６を制御する制御器１８とで構成されている。
制御器１８は流量センサー１７の流量の値に応じて、燃料電池１へ供給する必要空気量を求め、送風機６へ制御信号を送るなどの燃料電池発電システムの運転動作を制御する。また、上流側から下流側に向かって、遮断弁４、流量センサー１７、原料配管１１、脱硫器３、脱硫後配管１２、昇圧ポンプ５、改質器２、燃料電池１の順番で接続されている。
図２に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システムは、流量センサー１７が、脱硫器３の直下付近に配置されて、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１で、脱硫器３と連通接続されている。原料配管１１は、上方に開口し流量センサー１７と接続する原料配管入口１４と、上方に開口し脱硫器入口９と接続する原料配管出口１５とを備え、原料配管１１を燃料電池発電システム本体７に取り付けた時、流量センサー１７と接続する原料配管入口１４は、原料配管入口１４より下方かつ原料配管１１で最も下方に位置するトラップ部１６より上方に位置するように構成されている。
以上のように構成された本実施の形態の燃料電池発電システムについて、以下、その動作を説明する。
遮断弁４より供給された原料は、流量センサー１７を通過した後、脱硫器３により硫黄分を除去された後、昇圧ポンプ５で加圧されて改質器２へ供給される。原料ガスは改質器２で水素リッチな燃料ガスとして燃料電池１に供給される。一方、制御器１８は流量センサー１７で測定した原料の流量に応じて、燃料電池１に必要な空気量を演算し、送風機６に運転信号を送る。送風機６より酸化剤ガスとしての反応空気が燃料電池１に供給され、燃料ガスと反応空気とが電機化学的に反応して発電を行なう。
脱硫器３は、触媒の吸着現象を利用して原料に含まれる硫黄を除去しているため、使用時間とともに硫黄の除去性能が低下する。従って継続して使用するために、脱硫器３を定期的に新品に交換する必要がある。定期交換する際は、脱硫器３の脱硫器入口９と原料配管１１との接続と、脱硫器出口１０と脱硫後配管１２との接続を外して交換する。
運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１を用いているため、原料配管１１に入った触媒の粉や空気中の埃は、原料配管１１の最下部であるトラップ部１６に溜まるため、トラップ部１６より上方にある流量センサー１７へは到達せず、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。
以上説明したように本実施の形態の燃料電池発電システムは、燃料電池１の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器３と、脱硫器３の上流側で脱硫器３を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサー１７と、一端が脱硫器３の下端に接続され他端が流量センサー１７に接続された原料配管１１とを備え、原料ガスが脱硫器３内を上方向に流れ、脱硫器３が原料配管１１に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、脱硫器３と流量センサー１７が略上下方向に並ぶように近接して配置され、原料配管１１の一端から進入した脱硫器３の触媒の粉または埃が流量センサー１７に到達するのを防止するトラップ部１６を原料配管１１の途中に設けたものである。また、トラップ部１６は、トラップ部１６の上流側がトラップ部１６よりも高くなっているものである。
そして、原料配管１１の一端から進入した脱硫器３の触媒の粉または埃が流量センサー１７に到達するのを防止するトラップ部１６を原料配管１１の途中に設けたことにより、脱硫器３の触媒の粉や埃は原料配管１１に入るものの、トラップ部１６が脱硫器３の触媒の粉や埃を流量センサー１７に到達するのを防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による流量センサー１７の動作不良を防止し、流量センサー１７の動作信頼性を向上することができる。
また、トラップ部１６を、トラップ部１６の上流側がトラップ部１６よりも高くなっているものとすることができ、原料配管１１を曲げるだけでトラップ部１６を容易に構成することができる。
一般に、脱硫器３は定期交換部品であるため、メンテナンス性の良い構成位置に配置される。したがって、流量センサー１７を脱硫器３の直下付近に配置したことにより、流量センサー１７の確認が容易となり、流量センサー１７のメンテナンス性が向上する。
なお、本実施の形態では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けた場合も、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における燃料電池発電システムに用いた原料配管の斜視図、図４は、同実施の形態における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図である。
図３に示すように、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、原料配管１１が、鉛直方向にループ状に曲げて形成され、下方に開口し流量センサー１７と接続する原料配管入口１４と、鉛直方向の上方に開口し脱硫器入口９と接続する原料配管出口１５と、原料配管１１のループ部の最下部となるトラップ部１６とから構成される。
図４に示すように、本実施の形態２の燃料電池発電システムでは、流量センサー１７が、脱硫器３の直下付近に配置され、原料配管１１で脱硫器３と連通接続されている。
本実施の形態２は、実施の形態１の燃料電池発電システムにおいて、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１の代わりに、鉛直方向にループ状に曲げられた原料配管１１を用いたものであり、その他の構成は、実施の形態１と同様である。
また、本実施の形態２の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態２の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態２の燃料電池発電システムでは、原料配管１１が、鉛直方向にループ状に形成されているため、進入した触媒中の粉および空気中の埃は、原料配管１１のループ部の最下部となるトラップ部１６に溜まり、流量センサー１７まで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。
また、原料配管１１をループ形状にしているため、容易に流量センサー１７を脱硫器３の直下近傍に配置することができる。脱硫器３は定期交換部品であるため、メンテナンス性の良い構成位置に配置されており、脱硫器３の直下近傍に配置される流量センサー１７はメンテナンス性に優れている。
さらに、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１はループ状で配管長が長くなって緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。なお、本実施の形態では、原料配管１１のループ形状を１周としているが、ループの数を増やし緩衝空間を大きくして、昇圧ポンプ５の影響をさらに低減することが可能である。
以上、説明したように本実施の形態２の燃料電池発電システムは、原料配管１１が、少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を有するものであり、原料配管１１のループ最下部がトラップ部１６として機能する。原料配管１１に少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を設けることにより、進入した触媒中の粉および空気中の埃は原料配管１１のループ最下部のトラップ部１６に溜まり、流量センサー１７まで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。また、原料配管１１をループ形状にすることにより、流量センサー１７を脱硫器３の直下近傍に配置することが容易にできる。
なお、本実施の形態２では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における燃料電池発電システムの脱硫器３の付近の本体の構成図である。
図５に示すように本実施の形態における燃料電池発電システムは、実施の形態１の燃料電池発電システムにおいて、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１より大きくした構成としている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
また、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１を用いており、さらに原料配管１１の最下部であるトラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしているため、原料配管１１に入った触媒の粉や空気中の埃は、原料配管１１の最下部であるトラップ部１６に溜まるため、トラップ部１６より上方にある流量センサー１７へは到達せず、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。また、トラップ部１６に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部１６が、原料配管１１におけるトラップ部１６以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
さらに、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができる。このため、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
なお、本実施の形態では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４における燃料電池発電システムの脱硫器付近の本体の構成図である。
図６に示すように本実施の形態４における燃料電池発電システムは、実施の形態２の燃料電池発電システムにおいて、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１より大きくした構成としている。その他の構成は、実施の形態２と同様である。
また、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態２とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態の燃料電池発電システムでは、原料配管１１が、鉛直方向にループ状に曲げて形成され、さらに原料配管１１のループ最下部のトラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしているため、進入した触媒中の粉および空気中の埃は、原料配管１１のループ部の最下部となるトラップ部１６に溜まり、流量センサー１７まで到達することはなく、進入した触媒中の粉および空気中の埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。また、トラップ部１６に触媒中の粉および空気中の埃が溜まっても、トラップ部１６が、原料配管１１におけるトラップ部１６以外の部分よりも内径が大きいため、原料ガスの流れを妨げる可能性が少ない。
また、原料配管１１をループ形状にしているため、容易に流量センサー１７を脱硫器３の直下近傍に配置することができる。脱硫器３は定期交換部品であるため、メンナンス性の良い構成位置に配置されており、脱硫器３の直下近傍に配置される流量センサー１７はメンテナンス性に優れている。
さらに、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができるので、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
なお、本実施の形態では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における燃料電池発電システムの脱硫器３の付近の本体の構成図である。
図７に示すように本実施の形態５における燃料電池発電システムは、実施の形態１の燃料電池発電システムにおいて、流量センサー１７の下流側の位置が脱硫器３の上流側の位置より上方に配置した構成としている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。なお、流量センサー１７の下流側の位置とは、図７において流量センサー１７の原料配管入口１４側の位置を指す。また、脱硫器３の上流側の位置とは、図７において脱硫器３の原料配管出口１５側の位置を指す。
また、本実施の形態の燃料電池発電システムの動作は、実施の形態１とほぼ同様であるので、異なる点について説明する。
本実施の形態５の燃料電池発電システムにおいても、運転中に昇圧ポンプ５の振動が脱硫後配管１２を通じて脱硫器３に伝わって、その微振動により脱硫器３内の触媒が篩いに掛けられた状態になり、触媒中の粉が脱硫器３の下面にある脱硫器入口９から出て原料配管１１に入ったり、脱硫器３を定期交換する際に、交換用の新品の脱硫器３より、輸送振動によって発生した触媒の粉が原料配管１１に入ったり、更には脱硫器３の交換のために脱硫器３を取り外している間に、空気中の埃が原料配管出口１５に入ることがある。
しかし、本実施の形態５の燃料電池発電システムでは、略Ｊ字形状に曲げられた原料配管１１を用いており、さらに流量センサー１７の下流側の位置が脱硫器３の上流側の位置より上方に配置したものである。このため、触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１を落下する時に発生する位置エネルギーでは、当該触媒の粉や空気中の埃がトラップ部１６を通過し当該トラップ部１６より上方にある流量センサー１７に到達せず、進入した触媒中の粉および埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。
なお、本実施の形態５では、脱硫器３の下面に設けた接続入口部から原料配管１１を介して連通する補機として流量センサー１７を用いて説明したが、燃料電池発電システムに使用する遮断弁４、圧力センサー等の他の補機を同構成位置に設けても、触媒の粉や空気中の埃による補機の動作不良を防止することができる。
（実施の形態５の変形例）
また、図７に示す原料配管１１におけるトラップ部１６は、図５に示すトラップ部１６のように、トラップ部１６の内径をトラップ部１６以外の原料配管１１の内径より大きくしたものを構成しても良い。この場合にも、本実施の形態５と同様に、触媒の粉や空気中の埃が原料配管１１を落下する時に発生する位置エネルギーでは、当該触媒の粉や空気中の埃がトラップ部１６を通過し当該トラップ部１６より上方にある流量センサー１７に到達せず、進入した触媒中の粉および埃による流量センサー１７の動作不良を防止することができる。更に、運転中、流量センサー１７は連通する昇圧ポンプ５が原料を昇圧する際に発生する圧力変動の影響を受け易い傾向であるが、原料配管１１の途中のトラップ部１６の内径を大きくすることによって、内容積が大きくなり緩衝空間を大きくすることができる。このため、昇圧ポンプ５の圧力変動の影響が緩和され、流量センサー１７の測定精度が向上し、安定した機器運転を実現することができる。
本出願は、２００９年４月１３日出願の日本特許出願（特願２００９−９６８６０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明にかかる燃料電池発電システムは、トラップ部が原料配管１１に入った脱硫器の触媒の粉や空気中の埃の補機への進入を防止するため、触媒の粉や空気中の埃の進入による補機の動作不良を防止し、補機の動作信頼性を向上することができる。このため、脱硫器と脱硫器の下方に配置された流量センサー等の燃料電池発電システムに使用する補機とが原料配管で接続され、脱硫器を定期的に交換する必要がある家庭用の燃料電池発電システムに有用である。
１ 燃料電池
３ 脱硫器
１１ 原料配管
１６ トラップ部
１７ 流量センサー

Claims (7)

  1. 燃料電池の発電に必要な水素を主成分とする燃料ガスの原料となる原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器と、前記脱硫器の上流側で前記脱硫器を通過する原料ガスの流量を測定する流量センサーと、一端が前記脱硫器の上流側に接続され他端が前記流量センサーに接続された原料配管とを備え、原料ガスが前記脱硫器内を流れ、前記脱硫器が前記原料配管に着脱可能に接続された燃料電池発電システムであって、前記原料配管の一端から進入した前記脱硫器の触媒の粉または埃が前記流量センサーに到達するのを防止するトラップ部を前記原料配管の途中に設けた燃料電池発電システム。
  2. 前記脱硫器の上流側が前記脱硫器の下流側より下方に位置する請求項１記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記トラップ部は、前記トラップ部の上流側が前記トラップ部よりも高くなっているものである請求項１または２記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記脱硫器と前記流量センサーとが略上下方向に並ぶように近接して配置されている請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記流量センサーの下流側の位置が前記脱硫器の上流側の位置より上方に配置されている請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記原料配管は、少なくとも一つの鉛直方向にループしている部分を有する請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
  7. 前記トラップ部は、前記原料配管における前記トラップ部以外の部分よりも内径が大きい請求項１から６のうちいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
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