JP2007053093A - 燃料電池システムの始動方法 - Google Patents

燃料電池システムの始動方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2007053093A
JP2007053093A JP2006221154A JP2006221154A JP2007053093A JP 2007053093 A JP2007053093 A JP 2007053093A JP 2006221154 A JP2006221154 A JP 2006221154A JP 2006221154 A JP2006221154 A JP 2006221154A JP 2007053093 A JP2007053093 A JP 2007053093A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
burner
fuel cell
reformer
cell system
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006221154A
Other languages
English (en)
Other versions
JP4676934B2 (ja
Inventor
Soonho Kim
純▲ホ▼ 金
Doohwan Lee
斗煥 李
Hyun-Chul Lee
弦哲 李
Dong-Woo Lee
瞳雨 李
Tae-Sang Park
泰相 朴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Samsung SDI Co Ltd
Original Assignee
Samsung SDI Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung SDI Co Ltd filed Critical Samsung SDI Co Ltd
Publication of JP2007053093A publication Critical patent/JP2007053093A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4676934B2 publication Critical patent/JP4676934B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022Heating by combustion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0675Removal of sulfur
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】簡単な装置で迅速に燃料電池システムの正常運転を開始することができる燃料電池システムの始動方法を提供すること。
【解決手段】改質装置10の第1バーナ15で燃料を燃焼させて改質装置10を加熱し、第1バーナ15の排ガスをシフト反応器20に通過させる(a)ステップを含むことを特徴とする、燃料電池システムの始動方法が提供される。これにより、簡単な装置で迅速に燃料電池システムの正常運転を開始することができるために、燃料電池システムの実用性を顕著に向上させた効果がある。また、燃料電池システムに内蔵されたバーナの排ガス及び廃熱を利用するために経済的にも有利な効果がある。
【選択図】図1B

Description

本発明は、燃料電池システムの始動方法に関する。
燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系列の物質内に含まれている水素と酸素との化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
上記のような燃料電池システムは、基本的にシステムを構成するために、燃料電池スタックと燃料処理装置(FP:Fuel Processor)とを主要部として備え、燃料タンクおよび燃料ポンプなどを付随的に備える。スタックは、燃料電池の本体を形成し、膜−電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)とセパレータとでなる単位セルを数個〜数十個積層されせた構造を有する。
燃料ポンプは、燃料タンク内の燃料を燃料処理装置に供給し、燃料処理装置は、燃料を改質及び浄化して水素を発生させ、その水素を燃料電池スタックに供給する。燃料電池スタックでは、この水素の供給を受けて、酸素と電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる。
燃料処理装置は、触媒を利用して炭化水素を改質する。しかし、炭化水素は、硫黄化合物を含有する一方、触媒は、硫黄化合物により被毒されやすい。よって、炭化水素を燃料処理装置に供給する前に、硫黄化合物を除去する必要がある。したがって、炭化水素は、改質ステップに進入する前に脱硫ステップを経る(図1参照)。
炭化水素は、改質されつつ水素を生成するが、これと共に二酸化炭素及び少量の一酸化炭素を生成する。ところが、この一酸化炭素は、燃料電池スタックの電極に使われる触媒に触媒毒として作用する。よって、改質した燃料を直ちにスタックに供給してはならず、一酸化炭素を除去するステップを経なければならない。このとき、一酸化炭素の含有量は、5000ppm以内に減少させることが望ましい。
一酸化炭素を除去するために、反応式1〜反応式3のようなシフト反応/メタン化反応/PROX反応を利用してきた。
(反応式1)
CO+HO→CO+H
(反応式2)
CO+3H→CH+H2
(反応式3)
CO+1/2 O→CO
また、上記のようなシフト反応を利用して、一酸化炭素を5000ppm以下に除去するためには、シフト反応器の温度が、150℃以上になる必要がある。ところが、シフト反応器の温度を150℃まで上昇させるためには、約1時間程度かかる。よって、電気エネルギーを使用するために約1時間程度待つ必要があり、必要な時に直ちに使用できるという電気エネルギーの長所は、大きく損なわれることとなる。よって、このシフト反応器の温度に対する待機時間を改善することへの要求が高かった。
また、従来技術においては、燃料処理装置を始動するに際に、シフト反応器の温度を上昇させるために、まず、燃料処理装置に含まれる改質装置の第1バーナに燃料を供給、燃焼させ、改質装置を加熱する。加熱された改質装置に窒素ガスを通過させることにより、高温の窒素ガスを作る。この高温の窒素ガスをシフト反応器に通過させてきた。しかし、このような方法は、窒素ガスと窒素ガスを加熱するエネルギーとを必要とするために、経済的に不利であり、昇温速度も迅速でなかった。
したがって、装置が簡単でシフト反応触媒の温度を速かに上昇させることができる始動方法への要求が高まった。
米国特許第6838062号明細書
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、簡単な装置で迅速に燃料電池システムの正常運転を開始することが可能な、新規かつ改良された燃料電池システムの始動方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、改質装置の第1バーナで燃料を燃焼させて改質装置を加熱し、第1バーナの排ガスをシフト反応器に通過させる(a)ステップを含むことを特徴とする、燃料電池システムの始動方法が提供される。
かかる構成により、第1バーナの排ガスにより直接シフト反応器を加熱することができるので、シフト反応器の温度を迅速に上昇させることができる。よって、シフト反応器を迅速に正常運転可能な状態にすることができる。
また、(a)ステップにおいて、シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きくてもよい。かかる構成により、シフト反応器の排出物に含まれる一酸化炭素または未反応炭化水素を完全燃焼させることで除去できる。
また、第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給してもよい。かかる構成により、効率的にカソードを加熱することができる。
また、シフト反応器に流れ込む第1バーナの排ガスの温度が150℃〜500℃であってもよい。かかる構成により、シフト反応器を損傷させること無く、迅速かつ適切にシフト反応器の温度を上昇させることができる。
また、改質装置の第1バーナで燃料を燃焼させて改質装置を加熱し、第1バーナの排ガスを水または水蒸気と共に改質装置に投入し、改質装置の排出物をシフト反応器に通過させる(b−1)ステップをさらに含んでもよい。かかる構成により、改質装置の温度の過度な上昇を防止し、第1バーナの排ガスに含まれる一酸化炭素または未反応炭化水素により改質装置及び/またはシフト反応器の触媒にコークスが沈積することを防ぐことができる。同時に、シフト反応器の温度を迅速に上昇させることができる。
また、(a)ステップ及び(b−1)ステップにおいて、第1バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より小さくてもよい。かかる構成により、シフト反応器に供給される第1バーナの排ガス中から、未反応の酸素分子を取り除くことができ、シフト反応器が酸化することを防止できる。
また、第1バーナの排ガスまたは改質装置の排出物の熱を利用して水を蒸発させることによって、水蒸気を発生させてもよい。かかる構成により、水を蒸発させるコストを削減することができる。
また、(b−1)ステップにおいて、シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きくてもよい。かかる構成により、シフト反応器の排出物に含まれる一酸化炭素または未反応炭化水素を完全燃焼させることで除去できる。
また、第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給してもよい。かかる構成により、効率的にカソードを加熱することができる。
また、改質装置の第1バーナで燃料を燃焼させて改質装置を加熱し、水または水蒸気を改質装置に投入し、改質装置の排出物をシフト反応器に通過させる(b−2)ステップをさらに含んでもよい。かかる構成により、改質装置の温度の過度な上昇を防止し、第1バーナの排ガスに含まれる一酸化炭素または未反応炭化水素により改質装置及び/またはシフト反応器の触媒にコークスが沈積することを防ぐことができる。同時に、シフト反応器の温度を迅速に上昇させることができる。
また、(a)ステップ及び(b−2)ステップにおいて、第1バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より小さくてもよい。かかる構成により、シフト反応器に供給される第1バーナの排ガス中から、未反応の酸素分子を取り除くことができ、シフト反応器が酸化することを防止できる。
また、(b−2)ステップにおいて、第1バーナの排ガスをシフト反応器に通過させてもよい。かかる構成により、より効率的に、シフト反応器を加熱することができる。
また、(b−2)ステップにおいて、シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きくてもよい。かかる構成により、シフト反応器の排出物に含まれる一酸化炭素または未反応炭化水素を完全燃焼させることで除去できる。
また、第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給してもよい。かかる構成により、効率的にカソードを加熱することができる。
また、第1バーナの排ガスまたは改質装置の排出物の熱を利用して水を蒸発させることによって、水蒸気を発生させてもよい。かかる構成により、水を蒸発させるコストを削減することができる。
また、改質装置の第1バーナで燃料を燃焼させて改質装置を加熱し、燃料と、水または水蒸気とを改質装置に投入し、改質装置から出る改質された燃料と水蒸気との混合物をシフト反応器に投入し、シフト反応器から出る混合物を排出させる(c)ステップをさらに含んでもよい。かかる構成により、シフト反応器から燃料電池スタックに供給される排出物が含む一酸化炭素が、燃料電池スタックに沈積されるのを防ぐことができる。
また、(c)ステップにおいて、シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きくてもよい。かかる構成により、シフト反応器の排出物に含まれる一酸化炭素または未反応炭化水素を完全燃焼させることで除去できる。
また、第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給してもよい。かかる構成により、効率的にカソードを加熱することができる。
以上説明したように、本発明によれば、簡単な装置で迅速に燃料電池システムの正常運転を開始することができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
本発明の実施形態は、改質装置の第1バーナで燃料を燃焼させて改質装置を加熱し、第1バーナの排ガス(以下、“第1排ガス”という)をシフト反応器に通過させるステップ((a)ステップ)を含む燃料電池システムの始動方法を提供する。
第1排ガスは、燃焼反応の結果で生成されたガスであるために、化学的にも比較的安定した二酸化炭素及び水蒸気が大部分をなす。したがって、このような排ガスをシフト反応器に通過させても、シフト反応器内部の触媒に触媒毒として作用しない。また、第1排ガスは温度が高いために、直接接触を通じてシフト反応触媒の温度を迅速に上昇させることができる。
この時、第1バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より小さいことが望ましい。化学量論モル比は、モル比を化学量論係数で割った比を意味する。もし、第1排ガス中に炭化水素の燃焼反応に使われていない未反応の酸素分子が存在する場合、シフト反応触媒を酸化させるので望ましくない。特に、酸素と炭化水素との化学量論モル比は1:1〜1:2であることが望ましい。もし、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1を超過すれば、未反応酸素が発生して上記のようにシフト反応触媒を酸化させるので望ましくなく、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:2以下になれば、酸素の量があまりにも少ないので燃焼反応がよく起きない。
シフト反応器に流れ込む第1排ガスの温度は、150℃〜500℃であることが望ましい。もし、シフト反応器に流れ込むガスの温度が150℃に達しなければシフト反応触媒の温度があまりにも遅く上昇し、シフト反応器に流れ込むガスの温度が500℃を超過すれば、エネルギーが浪費されてシフト反応触媒が損傷する恐れがあって望ましくない。
本実施形態の始動方法を図1A及び図1Bを参照して従来技術と比較して説明すれば、次の通りである。図1Aは、従来技術の燃料電池システムの始動方法を示す概念図である。また、図1Bは、本実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法を示す概念図である。図1Aに示すように、従来においては、前述したように燃料を第1バーナ15で燃焼させて改質装置10を加熱する。また、窒素ガス(N)を改質装置10に通過させた後、改質装置10で加熱された窒素をシフト反応器20に通過させることによってシフト反応触媒の温度を上昇させた。
しかし、本実施形態の始動方法は、図1Bに示すように、燃料を第1バーナ15で燃焼させて改質装置10を加熱するが、窒素ガスを利用する代わりに第1バーナ15の排ガス
(第1排ガス)を直接シフト反応器20に通過させる((a)ステップ)。すなわち、バーナの排ガスを直接利用するために、シフト反応器の温度をはるかに速かに上昇させることができる。
シフト反応器20から排出されるガスは、外部に排出してもよいが、第2バーナ35で再燃焼させて排出することが環境的側面で望ましい。このとき、上記ガスを完全燃焼させて一酸化炭素または未反応炭化水素を除去することが目的であるので、過量の酸素を第2バーナ35に供給することが望ましい。すなわち、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことが望ましい。また、第2バーナ35で発生する熱は、燃料電池スタック30、特に燃料電池スタック30のカソードの加熱に使うことができる。望ましくは、第2バーナ35の排ガスを燃料電池スタック30に通過させて燃料電池スタックを加熱してもよい。
一方、燃料電池スタック30に燃料を供給できる程度に、燃料中の酸化炭素(CO)を減少させうるシフト反応器20の温度は、最下150℃にならねばならない。上記のように第1排ガスをシフト反応器20に通過させれば、シフト反応触媒の温度が迅速に上昇するが、シフト反応触媒の温度が150℃に到達する前に、第1バーナ15により直接加熱される改質装置10の温度が、改質装置10の最大許容温度に到達することが考えられる。
このような場合に備えて、シフト反応触媒の温度は、上昇させ続けながらも、装置保護のために改質装置10の温度は、これ以上、上昇させない追加的なステップが必要でありうる。
このような追加的ステップの一例として、改質装置10の第1バーナで燃料を燃焼させて改質装置10を加熱し、シフト反応器20に供給された第1排ガスを水または水蒸気と共に改質装置に投入し、改質装置の排出物をシフト反応器に通過させることができる((b−1)ステップ)。水または水蒸気は、改質装置の過熱を防止し、第1排ガスに含まれた一酸化炭素または未反応炭化水素により改質装置及び/またはシフト反応器の触媒にコークス(coke)が沈積されることを防止するために供給される。
上記改質装置に供給される水は、改質装置の高い温度により迅速に気化されて水蒸気になるが、瞬間的に局地的に凝縮される恐れがあるために水蒸気の形態で投入してもよい。
上記のように水または水蒸気を改質装置に投入する時点は、改質装置の温度が100℃以上になる時から投入することが望ましく、400℃以上になる時から投入することがさらに望ましい。
上記追加的ステップの一例((b−1)ステップ)を、図2Aを参照して詳細に説明すれば、次の通りである。図2Aは、本実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−1)ステップを示す概念図である。
まず、燃料を第1バーナ15で燃焼させた後、第1バーナ15の排ガスを水または水蒸気と共に改質装置10に入れる。その後、改質装置10でさらに加熱されて排出されるガスをシフト反応器20に入れて、シフト反応触媒の温度を迅速に上昇させる。
この追加的ステップでは、やはり第1バーナ15での酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より小さいことが望ましい。特に、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比は、1:1〜1:2であることが望ましい。もし、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1を超過すれば未反応酸素が発生して、上記のようにシフト反応触媒を酸化させるので望ましくなく、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:2に達しなければ、酸素の量が少な過ぎて燃焼反応がよく起きない。
水蒸気は、外部熱源を利用して水を蒸発させることによって発生させてもよいが、図2Bに示すように、第1排ガス及び/または改質装置10の排出物の熱を利用して発生させてもよい。このような構成により水蒸気を発生させることで、コストを削減でき経済的にも有利となる。ここで、図2Bは、同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−1)ステップの変形例を示す概念図である。
シフト反応器20から排出されるガスは、外部に排出してもよいが、第2バーナ35で再び燃焼させて排出することが環境的側面で望ましい。このとき、このガスを完全燃焼させて一酸化炭素または未反応炭化水素を除去することが目的であるので、過量の酸素を第2バーナ35に供給することが望ましい。すなわち、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことが望ましい。また、第2バーナ35で発生する熱は、燃料電池スタック30、特に燃料電池スタック30のカソードの加熱に使われうる。望ましくは、第2バーナ35の排ガスを燃料電池スタック30に通過させて燃料電池スタック30を加熱できる(図2B参照)。
上記追加的ステップの他の例として、改質装置10の第1バーナ15で燃料を燃焼させて改質装置10を加熱し、水または水蒸気を改質装置10に投入し、改質装置10の排出物をシフト反応器20に通過させることができる((b−2)ステップ)。水または水蒸気は、改質装置10の過熱を防止するために供給される。
改質装置10に供給される水は、改質装置10の高い温度により迅速に気化されて水蒸気になるが、瞬間的に局地的に凝縮される恐れがあるために水蒸気の形態で投入してもよい。
上記のように水または水蒸気を改質装置10に投入する時点は、改質装置10の温度が100℃以上になる時から投入することが望ましく、400℃以上になる時から投入することがさらに望ましい。
シフト反応器20を通過した水蒸気は、第1排ガスと共にまたは分離されて外部に排出されうる。
上記追加的ステップの他の例((b−2)ステップ)を、図3Aを参照して詳細に説明すれば、次の通りである。図3Aは、本実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−2)ステップを示す概念図である。
まず、燃料を第1バーナ15で燃焼させ、水または水蒸気を改質装置10に入れる。水または水蒸気は、さらに加熱された水蒸気となってシフト反応器20のシフト反応触媒の温度を迅速に上昇させた後、第1バーナ15の排ガスと共に排出される。
上記追加的ステップでも、第1バーナ15での酸素の炭化水素に対する化学量論モル比は、1:1より小さいくてもよい。この場合、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比は1:1〜1:2であることが望ましい。もし、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1を超過すれば、未反応酸素が発生して上記のようにシフト反応触媒を酸化させるので望ましくなく、上記酸素と炭化水素との量論モル比が1:2に達しなければ酸素の量があまりにも少ないので燃焼反応がよく起きない。
また、この場合には、第1バーナ15の排ガスをシフト反応器に通過させることも可能である(図3C参照)。すなわち、図3Cに示すように、上記(b−2)ステップにおいて、第1バーナ15の第1排ガスを、改質装置10の排出物(改質装置10により加熱された水蒸気)に混合しシフト反応器20に供給するか、直接シフト反応器20に供給する。ここで、図3Cは、本実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−2)ステップの第2の変形例を示す概念図である。
この方法は、シフト反応器20の温度を迅速に上昇させるのにさらに効果的でありえる。また、シフト反応器20を通過したガスは未反応炭化水素及び一酸化炭素などを含んでいるので、第2バーナ35で完全燃焼させることが望ましい。また、第2バーナで発生する熱は、燃料電池スタック30、特に燃料電池スタック30のカソードを加熱するのに使われうる。望ましくは、第2バーナ35の排ガスを燃料電池スタック30に通過させて燃料電池スタック30を加熱してもよい。
この追加的ステップでも、第1バーナ15での酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きい場合もある。この場合は、炭化水素が完全燃焼されて過剰酸素がありうるために、シフト反応器20に投入することは望ましくない。したがって、この場合には、第1排ガスは、シフト反応器から出る水蒸気と共にまたは分離して外部に排出することが望ましい(図3Aまたは図3B参照)。
水蒸気は、外部熱源を利用して水を蒸発させることによって発生させることができるが、図3Bに示したように、第1排ガス及び/または改質装置10の排出物の熱を利用して発生させることが経済的に望ましい。ここで、図3Bは、同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−2)ステップの第1の変形例を示す概念図である。
以上の過程を通じてシフト反応器の温度が150℃に到達すれば、燃料を改質装置に入れて正常運転を行う。正常運転を行う方法を、図4を参照して説明すれば次の通りである。なお、図4は、同実施形態にかかる燃料電池システムの正常運転方法を示す概念図である。
燃料を第1バーナ15で燃焼させて、改質装置10で行われる改質反応に必要な熱エネルギーを供給する。また、燃料を水蒸気と共に改質装置10に供給し、改質装置10において改質反応を行い、改質された燃料(リフォーメート、reformate)をシフト反応器20に供給し一酸化炭素を除去した後、燃料電池スタック30に供給する。
一方、シフト反応器20の温度が150℃に到達したにもかかわらず、シフト反応器出口の一酸化炭素が5000ppmを超過する場合がある。これは、燃焼ガス系統の燃料と電池ガス系統の燃料とが分離され、本格的な改質反応が行われることによる一時的現象である。たとえ一時的な現象であっても、一酸化炭素が沈積されれば、ほとんど再生が不可能であるので、装置を長期間使用するためにはこのような現象を防止する必要がある。
上記のような現象を防止するために、まず、改質装置10の第1バーナ15で燃料を燃焼させて改質装置10を加熱し、燃料と、水または水蒸気とを改質装置10に投入する。そして、改質装置10から出る改質された燃料と水蒸気との混合物をシフト反応器20に投入し、シフト反応器20から出る混合物を排出するステップ((c)ステップ)をさらに含むことができる。
シフト反応器20から排出されるガスは、外部に排出してもよいが、第2バーナ35で再び燃焼させて排出することが環境的側面で望ましい。この時、上記ガスを完全燃焼させて一酸化炭素または未反応炭化水素を除去することが目的であるので、過量の酸素をバーナに供給することが望ましい。すなわち、酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことが望ましい。また、第2バーナ35で発生する熱は燃料電池スタック30、特に燃料電池スタック30のカソードの加熱に使われうる。望ましくは、第2バーナ35の排ガスを燃料電池スタック30を通過させて燃料電池スタック30を加熱できる。
そして、第1バーナ15で燃焼反応をして排出される排ガスは、外部に排出する。したがって、第1バーナ15では、酸素を十分に過量に供給して一酸化炭素または未反応炭化水素が出ないようにすることが望ましい。
本ステップ((c)ステップ)を、図5を参照して詳細に説明すれば、次の通りである。ここで、図5は、本実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(c)ステップを示す概念図である。
まず、燃料を第1バーナ15及び改質装置10に供給する。第1バーナ15に供給された燃料は、過量の酸素と燃焼反応を通じて水と二酸化炭素に転化されて排出される。改質装置10に水または水蒸気と共に供給された燃料は、改質反応を通じて水素の豊富なガスに転化された後にシフト反応器20に入る。シフト反応器20で一酸化炭素が除去されるが、供給原料の変化、燃焼杯事物の影響によって一酸化炭素の含有量が5000ppmを超過した場合は、全体燃料処理装置が安定化するまで、シフト反応器20から排出されたガスを外部に排出する。
この水蒸気は、外部熱源を利用して水を蒸発させることによって発生させることもできるが、第1バーナの排ガス及び/または上記改質装置の排出物の熱を利用して発生してもよい。このような構成により水蒸気を発生させることで、コストを削減でき経済的にも有利となる。
以上で前述した燃料電池システムの始動方法において、燃料が改質装置10またはシフト反応器20の触媒層を通過する場合に、燃料は、改質装置10または第1バーナ15に流れ込む前に、脱硫装置をまず経てもよい。
以上、説明したように、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法によれば、簡単な装置で迅速に燃料電池システムの正常運転を開始することができる。よって、燃料電池システムの実用性を顕著に向上させることができる。そして、燃料電池システムに内蔵されたバーナの排ガス及び廃熱を利用するため、コストを削減することができ、経済的にも有利な効果がえられる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
本発明は、燃料電池システムの始動方法に適用可能である。
従来技術の燃料電池システムの始動方法を示す概念図である。 本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法を示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−1)ステップを示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−1)ステップの変形例を示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−2)ステップを示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−2)ステップの第1の変形例を示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(b−2)ステップの第2の変形例を示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの正常運転方法を示す概念図である。 同実施形態にかかる燃料電池システムの始動方法の(c)ステップを示す概念図である。
符号の説明
10 改質装置
15 第1バーナ
20 シフト反応器
30 燃料電池スタック
35 第2バーナ

Claims (18)

  1. (a)改質装置の第1バーナで燃料を燃焼させて前記改質装置を加熱し、前記第1バーナの排ガスをシフト反応器に通過させるステップを含むことを特徴とする、燃料電池システムの始動方法。
  2. 前記(a)ステップにおいて、前記シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、前記第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池システムの始動方法。
  3. 前記第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給することを特徴とする、請求項2に記載の燃料電池システムの始動方法。
  4. 前記シフト反応器に流れ込む前記第1バーナの排ガスの温度が150℃〜500℃であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システムの始動方法。
  5. (b−1)前記改質装置の前記第1バーナで燃料を燃焼させて前記改質装置を加熱し、前記第1バーナの排ガスを水または水蒸気と共に前記改質装置に投入し、前記改質装置の排出物を前記シフト反応器に通過させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システムの始動方法。
  6. 前記(a)ステップ及び前記(b−1)ステップにおいて、前記第1バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より小さいことを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池システムの始動方法。
  7. 前記第1バーナの排ガスまたは前記改質装置の排出物の熱を利用して水を蒸発させることによって、前記水蒸気を発生させることを特徴とする、請求項5または6に記載の燃料電池システムの始動方法。
  8. 前記(b−1)ステップにおいて、前記シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、前記第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載の燃料電池システムの始動方法。
  9. 前記第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給することを特徴とする、請求項8に記載の燃料電池システムの始動方法。
  10. (b−2)前記改質装置の前記第1バーナで燃料を燃焼させて前記改質装置を加熱し、水または水蒸気を前記改質装置に投入し、前記改質装置の排出物を前記シフト反応器に通過させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池システムの始動方法。
  11. 前記(a)ステップ及び前記(b−2)ステップにおいて、前記第1バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より小さいことを特徴とする、請求項10に記載の燃料電池システムの始動方法。
  12. 前記(b−2)ステップにおいて、前記第1バーナの排ガスを前記シフト反応器に通過させることを特徴とする、請求項11に記載の燃料電池システムの始動方法。
  13. 前記(b−2)ステップにおいて、前記シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、前記第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことを特徴とする、請求項12に記載の燃料電池システムの始動方法。
  14. 前記第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給することを特徴とする、請求項13に記載の燃料電池システムの始動方法。
  15. 前記第1バーナの排ガスまたは前記改質装置の排出物の熱を利用して水を蒸発させることによって、前記水蒸気を発生させることを特徴とする、請求項10〜14のいずれかに記載の燃料電池システムの始動方法。
  16. (c)前記改質装置の前記第1バーナで燃料を燃焼させて前記改質装置を加熱し、燃料と、水または水蒸気とを前記改質装置に投入し、前記改質装置から出る改質された燃料と水蒸気との混合物を前記シフト反応器に投入し、前記シフト反応器から出る混合物を排出させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項1〜15のいずれかに記載の燃料電池システムの始動方法。
  17. 前記(c)ステップにおいて、前記シフト反応器の排出物を第2バーナで燃焼させ、前記第2バーナでの酸素の炭化水素に対する化学量論モル比が1:1より大きいことを特徴とする、請求項16に記載の燃料電池システムの始動方法。
  18. 前記第2バーナで発生した熱を燃料電池スタックのカソードに供給することを特徴とする、請求項17に記載の燃料電池システムの始動方法。
JP2006221154A 2005-08-13 2006-08-14 燃料電池システムの始動方法 Expired - Fee Related JP4676934B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050074570A KR100718106B1 (ko) 2005-08-13 2005-08-13 연료전지 시스템의 시동 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007053093A true JP2007053093A (ja) 2007-03-01
JP4676934B2 JP4676934B2 (ja) 2011-04-27

Family

ID=37742882

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006221154A Expired - Fee Related JP4676934B2 (ja) 2005-08-13 2006-08-14 燃料電池システムの始動方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20070037022A1 (ja)
JP (1) JP4676934B2 (ja)
KR (1) KR100718106B1 (ja)
CN (1) CN100517827C (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010517226A (ja) * 2007-01-22 2010-05-20 ロールス−ロイス・フューエル・セル・システムズ(ユーエス)インコーポレーテッド 多段燃焼器及び燃料電池システムを始動するための方法
DE102009060679A1 (de) * 2009-12-28 2011-06-30 J. Eberspächer GmbH & Co. KG, 73730 Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
CN103887545B (zh) * 2012-12-21 2016-04-27 中国科学院大连化学物理研究所 一种高温液体燃料电池系统启动方法
AT521901B1 (de) * 2018-11-19 2020-10-15 Avl List Gmbh Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
US11239479B2 (en) 2020-03-26 2022-02-01 Saudi Arabian Oil Company Ignition method of fuel reformer using partial oxidation reaction of the fuel for SOFC fuel cell start-up
US11542159B2 (en) 2020-06-22 2023-01-03 Saudi Arabian Oil Company Autothermal reformer system with liquid desulfurizer for SOFC system
US11618003B2 (en) 2020-06-23 2023-04-04 Saudi Arabian Oil Company Diesel reforming apparatus having a heat exchanger for higher efficiency steam reforming for solid oxide fuel cells (SOFC)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6188461A (ja) * 1984-10-05 1986-05-06 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置の起動、停止方法
JPS61237370A (ja) * 1985-04-13 1986-10-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池の発電方法及びその装置
JP2001085039A (ja) * 1999-09-10 2001-03-30 Daikin Ind Ltd 燃料電池システム
JP2003197243A (ja) * 2001-11-19 2003-07-11 General Motors Corp <Gm> 急速始動及び操作制御のための統合化燃料処理装置
JP2003243018A (ja) * 2002-02-15 2003-08-29 Babcock Hitachi Kk 水素製造装置およびその運転方法
JP2004189510A (ja) * 2002-12-09 2004-07-08 Nippon Oil Corp 改質システムとその運転方法ならびに燃料電池システムとその運転方法
JP2005050563A (ja) * 2003-07-29 2005-02-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質システム

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19822691A1 (de) * 1998-05-20 1999-11-25 Volkswagen Ag Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie mittels eines Brennstoffzellensystems
KR100286620B1 (ko) * 1998-11-30 2001-04-16 전성범 수증기개질형 수소생산방법 및 수소생산장치
US6835219B2 (en) * 2001-05-14 2004-12-28 General Motors Corporation Rapid startup of fuel processor using water adsorption
JP3637894B2 (ja) 2001-12-27 2005-04-13 日産自動車株式会社 燃料電池システム
WO2003078311A1 (fr) * 2002-03-15 2003-09-25 Matsushita Electric Works, Ltd. Dispositif de reformage et son mode de fonctionnement
JP4363002B2 (ja) * 2002-04-18 2009-11-11 日産自動車株式会社 燃料改質システムとその暖機装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6188461A (ja) * 1984-10-05 1986-05-06 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池発電装置の起動、停止方法
JPS61237370A (ja) * 1985-04-13 1986-10-22 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池の発電方法及びその装置
JP2001085039A (ja) * 1999-09-10 2001-03-30 Daikin Ind Ltd 燃料電池システム
JP2003197243A (ja) * 2001-11-19 2003-07-11 General Motors Corp <Gm> 急速始動及び操作制御のための統合化燃料処理装置
JP2003243018A (ja) * 2002-02-15 2003-08-29 Babcock Hitachi Kk 水素製造装置およびその運転方法
JP2004189510A (ja) * 2002-12-09 2004-07-08 Nippon Oil Corp 改質システムとその運転方法ならびに燃料電池システムとその運転方法
JP2005050563A (ja) * 2003-07-29 2005-02-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質システム

Also Published As

Publication number Publication date
CN100517827C (zh) 2009-07-22
KR20070019908A (ko) 2007-02-16
JP4676934B2 (ja) 2011-04-27
US20070037022A1 (en) 2007-02-15
CN1945885A (zh) 2007-04-11
KR100718106B1 (ko) 2007-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100762685B1 (ko) 개질기 및 이를 채용한 연료전지 시스템
JP4676934B2 (ja) 燃料電池システムの始動方法
JP2006031989A (ja) 固体酸化物形燃料電池による発電方法及びシステム
JP4492882B2 (ja) 二重バーナーを備えた水素生成装置及び駆動方法
JP2010103084A (ja) 固体酸化物燃料電池システムの燃料改質方法
JP2002093447A (ja) 固体高分子型燃料電池用改質器の起動及び停止方法
JP4617332B2 (ja) 移動可能なバーナを具備した燃料改質器とその駆動方法、及び燃料電池システム
JP3857022B2 (ja) 固体高分子型燃料電池の起動及び停止方法
JP2002334714A (ja) 燃料電池を組み込んだ水素製造システム
JP2007157407A (ja) 燃料改質システム
JP2003272691A (ja) 燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法
JP2003086210A (ja) 固体高分子型燃料電池発電装置とその運転方法
JP4136624B2 (ja) 液体燃料の改質方法および装置
JP2009026510A (ja) 燃料電池発電システムおよび燃料電池発電システムの燃料改質方法
JP2015191692A (ja) 燃料電池システムの停止方法、及び、燃料電池システム
JP2004185941A (ja) 固体高分子形燃料電池システムの起動方法
JP3983020B2 (ja) 燃料電池システムにおける改質装置の起動方法
JP5369327B2 (ja) 燃料改質装置およびその前処理方法並びに燃料電池発電システムおよびその運転前処理方法
KR100830161B1 (ko) 가정용 연료전지 시스템의 운전 개시방법
JP4917790B2 (ja) 燃料電池用改質装置の運転制御方法
JP2003272688A (ja) 燃料電池発電装置および燃料電池発電装置の運転方法
US20080118794A1 (en) Fuel processor having improved structure for rapid heating up of carbon monoxide removing unit and method of operating the fuel processor
JP2001080905A (ja) 燃料改質器の運転方法
JP2001089106A (ja) 燃料改質器の起動方法
JP2004047159A (ja) 燃料電池発電装置

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100316

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100616

RD03 Notification of appointment of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423

Effective date: 20100616

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110118

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110128

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140204

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees