JP2007220553A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができる燃料電池システムを得る。
【解決手段】燃料電池システム１０は、改質触媒２８を用いて硫黄成分を含む改質原料から水素含有ガスを生成する改質部２５と、水素含有ガス中の水素を消費して発電を行いつつカソード電極１８側で水を生成する燃料電池１２と、カソード電極１２から排出されるカソードオフガスを改質部２５に供給するための水蒸気供給ライン４４とを備えている。この燃料電池システム１０では、改質触媒２８が硫黄被毒された場合に、水蒸気供給ライン４４を用いて改質触媒２８にカソードオフガスを供給することで、該改質触媒２８の活性を回復するための再生工程を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化水素等の改質原料を改質して生成した水素含有ガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムに関する。

水蒸気改質によって硫黄化合物を含む炭化水素から水素リッチなガスを得る燃料改質装置において、硫黄被毒により改質触媒の触媒活性が低下した場合に、改質触媒を内蔵する改質部を加熱部で加熱すると共に該改質部に不活性ガス又は水蒸気ガスを所定時間供給することで、改質触媒の触媒活性を回復させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような触媒活性の回復作業は、燃料改質装置の立ち上げ操作、停止操作、通常運転操作以外の時間帯に行われる。
特開２０００−３５１６０６明細書

しかしながら、上記の如き従来の技術では、触媒活性の回復作業の際には、加熱部に対し改質部を加熱するための燃料、電力、熱量等のエネルギ、すなわち改質部の運転（水素リッチガスの生成）には直接的に寄与しないエネルギを供給する必要があり、エネルギロスが大きい問題があった。特に、触媒活性を回復させるために水蒸気ガスを用いる場合には、水を水蒸気にするための潜熱相当のエネルギがさらに要求されるので、エネルギロスの問題が顕著になり、エネルギ効率の観点から改善の余地がある。

本発明は、上記事実を考慮して、改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができる燃料電池システムを得ることが目的である。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、改質触媒を用いて硫黄成分を含む改質原料から水素含有ガスを生成する改質部と、前記水素含有ガス中の水素を消費して発電を行い、該発電に伴ってカソード電極側で水を生成する燃料電池と、前記カソード電極から排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給することで、前記改質触媒の活性を回復するための再生工程を行う触媒再生手段と、を備えている。

請求項１記載の燃料電池システムでは、改質部が改質原料（改質燃料）を改質して生成された水素含有ガスが燃料電池（アノード電極）で消費されて発電が行われる。この発電に伴って燃料電池のカソード電極側では水が生成され、この水は水蒸気としてカソード電極から排出される。ところで、硫黄成分を含む改質原料を改質して水素含有ガスを生成させる改質部では、運転に伴って改質触媒が原料中の硫黄成分により被毒される。

この硫黄被毒により活性が低下した改質触媒の触媒活性を回復するための再生工程を行う際に、触媒再生手段は、燃料電池からのカソードオフガスを改質部に供給する。このカソードオフガスは、上記の通り水蒸気を含み、かつ燃料電池の運転温度相当の温度を有するため、このカソードオフガスが供給された改質部では、改質触媒上の硫黄成分が除去され、触媒活性を回復することができる。すなわち、燃料電池で生成された水蒸気を含みかつ高温のカソードオフガスを利用することで、水蒸気生成のエネルギが不要で、また再生工程に必要な熱（エネルギ）の外部からの導入量を抑制する（導入しない場合を含む）ことができる。

このように、請求項１記載の燃料電池システムでは、改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができる。なお、カソードオフガスに含まれる酸素は、水蒸気と共に改質部に導入されて改質触媒上の硫黄除去に寄与する（硫黄除去を促進する）。

請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒再生手段は、前記改質部への前記改質原料の供給停止後に該改質部に前記カソードオフガスを所定時間に亘り供給することで、前記再生工程を行うように構成されている。

請求項２記載の燃料電池システムでは、上記した改質触媒の活性を回復するための硫黄除去効果は、供給する水蒸気（及び酸素）の供給量よりも供給時間に依存するとの知見に基づいて、再生工程を行う際に触媒再生手段は、カソードオフガスを所定時間に亘って改質部に供給する。これにより、例えば同じ量の水蒸気（及び酸素）を短時間で改質部に供給する場合と比較して、効果的に改質触媒上の硫黄成分を除去することができ、触媒活性が良好に回復される。

請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒再生手段は、前記再生工程において、前記カソードオフガスの前記改質部への供給を開始する前に、該カソードオフガスの供給ラインの圧力を上昇させるガス貯留工程を行うように構成されている。

請求項３記載の燃料電池システムでは、再生工程において触媒再生手段は、カソードオフガスの改質部への供給開始前に、カソードオフガスの改質部への供給ラインの圧力を上昇させて該供給ラインにカソードオフガスを蓄える。その後、この供給ラインに蓄えたカソードオフガスを改質部に供給することで、上記の通り所定時間に亘り改質部にカソードオフガスを供給することが可能になる。すなわち、再生工程を行う際には、改質部への燃料供給停止に伴い水素含有ガスの生成が停止し、これによる燃料電池での発電停止に伴いカソード電極側での水（水蒸気）生成も停止するので、再生工程の開始からカソード電極側での水生成の停止までの時間は短い（ガス流れのタイムラグ分だけである）が、この短時間で生成される水（水蒸気）を圧力に変換して蓄えておくことで、水蒸気を含有するカソードオフガスを所定時間に亘って改質部に供給することが可能になる。

請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒再生手段は、前記供給ラインに設けられ前記カソードオフガスを蓄えるガス貯留部を備える。

請求項４記載の燃料電池システムでは、ガス貯留部にカソードオフガスを蓄えることができるので、所定時間に亘って改質部に供給するためのカソードオフガスを確実に蓄えることができる。なお、ガス貯留部は、例えば、改質触媒の活性回復工程における供給ラインの圧力上昇に伴ってカソードオフガスを蓄えても良く、燃料電池の運転中にカソードオフガスを蓄えても良い。

請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項２乃至請求項４の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記触媒再生手段は、前記カソードオフガスの供給流量を絞ることで該カソードオフガスを所定時間に亘り前記改質部に供給するための絞り手段を備える。

請求項５記載の燃料電池システムでは、カソードオフガスの供給流量を絞りながら、該カソードオフガスを徐々に改質部に供給する。これにより、カソードオフガスが短時間で改質部に供給されてしまうことが防止される。特に、請求項３又は請求項４の構成において再生開始後の短時間で圧力に変換して蓄えたカソードオフガスを、効果的に所定時間に亘って（時間軸方向に分散して）供給することができる。

請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記改質部には、前記燃料電池における前記水素含有ガスを消費するアノード電極から排出されるアノードオフガスを燃焼して得た熱を前記改質触媒に供給するための加熱部が設けられている。

請求項６記載の燃料電池システムでは、改質触媒の活性回復工程を行う場合には、燃料電池のアノードオフガス（改質部で得た水素含有ガスのうち燃料電池で消費された水素を除くガス）を加熱部に供給して燃焼させ、再生工程を行う（維持する）ための熱を改質部に供給する。これにより、改質部にはカソードオフガスの有する熱の他、加熱部からの燃焼熱が供給されるので、改質部の加熱のために外部から導入するエネルギが一層抑制される。

以上説明したように本発明に係る燃料電池システムは、改質触媒の触媒活性を効率的に回復させることができるという優れた効果を有する。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０について、図１乃至図３に基づいて説明する。図１には、燃料電池システム１０のシステム構成図（プロセスフローシート）が示されている。これらの図に示される如く、燃料電池システム１０は、水素を消費して発電を行う燃料電池１２と、燃料電池１２に供給するための水素含有の改質ガスを生成するための改質装置（改質器）１４とを主要構成要素として構成されている。

燃料電池１２は、この実施形態では例えば高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）等と同様の原理で作動するプロトン導伝型の燃料電池とされている。具体的には、燃料電池１２は、図２に模式的に示される如く、アノード電極（燃料極）１６とカソード電極（空気極）１８との間に、プロトン導伝性を有する電解質２０を挟んで構成されている。また、燃料電池１２は、改質ガス（水素）をアノード電極１６に導入するためのアノード流路２２と、酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路２４とを備えている。

この燃料電池１２は、アノード電極１６では、アノード流路２２の燃料入口２２Ａから供給された改質ガス中の水素が電子を放出してプロトン化され、このプロトン（水素イオン）は、電解質２０を経由してアノード電極１６からカソード電極に移動する。一方、カソード電極１８では、電解質２０を経由して到達したプロトンと、アノード電極１６から図示しない外部負荷を経由して到達した電子と、カソード流路２４の空気入口２４Ａから導入したカソード用空気中の酸素とが反応して水が生成されるようになっている。

したがって、燃料電池１２では、発電に伴ってカソード電極１８側で水が生成され、この水はカソードオフガスの一部である水蒸気としてカソード流路２４のオフガス出口２４Ｂから燃料電池１２外に排出されるようになっている。この燃料電池１２は、例えば３００℃〜７００℃程度の中温域で運転される構成とされている。

図１に示される如く、改質装置１４は、燃料電池１２のアノード電極１６に供給するための水素含有の改質ガスを生成する改質部（反応器）２５と、改質部２５が改質反応を行うための熱を供給するための加熱部２６とを主要構成要素として構成されている。改質部２５は、改質触媒２８を内蔵しており、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気）を触媒反応させることで、水素ガスを含む改質ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。

改質部２５における改質反応には、以下の式（１）乃至（４）で表されるように、式（１）で示す水蒸気改質反応を含む各反応が含まれる。したがって、改質工程で得た改質ガスには、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（Ｃ_ｘＨ_ｙ）等の可燃性ガス、及び二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。

Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ_２ … （１）
Ｃ_ｎＨ_ｍ＋ｎ／２Ｏ_２ → ｎＣＯ ＋ ｍ／２Ｈ_２ … （２）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ⇔ ＣＯ_２＋Ｈ_２ … （３）
ＣＯ＋３Ｈ_２ ⇔ ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ … （４）
この改質反応の中で主となる式（１）の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、かつ改質部２５は、上記の通り中温又は高温で運転される燃料電池１２に改質ガスを供給するため所定温度以上の温度で運転されるようになっている。加熱部２６は、この改質部２５における改質反応、運転温度を維持するための熱の供給する構成とされている。加熱部２６は、図示しない酸化触媒を内蔵して改質部２５に隣接して設けられており、供給された燃料を酸素と共に酸化触媒に接触させて触媒燃焼を生じさせる構成とされている。

改質装置１４は、加熱部２６で燃料を触媒燃焼させて得た燃焼熱を隔壁部３０を介して改質部２５に供給するようになっている。このため、燃焼ガス等の熱媒（流体）を介して改質部２５を加熱する構成のように熱量を温度に変換することなく、改質部２５に熱量を直接的に付与することができる構成とされている。

そして、燃料電池システム１０は、改質部２５に炭化水素原料を供給するための原料ポンプ３２を備えており、原料ポンプ３２の吐出部は原料供給ライン３４を介して改質部２５の原料入口２５Ａに接続されている。炭化水素原料は、上記した改質反応には寄与しない硫黄成分（硫黄化合物）をわずかに含んでいる。この炭化水素原料は、例えば蒸発器やインジェクション等図示しない気化手段等によって、気相又は微粒化状態で改質部２５に供給されるようになっている。

また、改質部２５の改質ガス出口２５Ｂは、下流端がアノード流路２２の燃料入口２２Ａに接続された改質ガス供給ライン３６の上流端に接続されている。これにより、改質部２５で生成された改質ガスが燃料電池１２のアノード電極１６に供給されるようになっている。一方、アノード流路２２のオフガス出口２２Ｂには、アノードオフガスライン３８の上流端が接続されており、アノードオフガスライン３８の下流端は加熱部２６の燃料入口２６Ａに接続されている。

以上により、燃料電池システム１０では、改質部２５で生成された改質ガス中の水素が燃料電池１２で消費され、この消費された水素を除く残余成分がアノードオフガスとして加熱部２６に導入され、そのうちの可燃成分（水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）、メタン（ＣＨ_４）、二酸化炭素（ＣＯ_２））が加熱部２６で燃料として消費されるようになっている。この加熱部２６の排ガス出口２６Ｂには、燃焼排ガスを系外に排出するための排気ガスライン３９が接続されている。

また、燃料電池システム１０は、カソード電極１８にカソード用空気を供給するためのカソード用空気ポンプ４０を備えており、カソード用空気ポンプ４０の吐出部は、下流端がカソード流路２４の空気入口２４Ａに接続されたカソード用空気供給ライン４２の上流端が接続されている。さらに、カソード流路２４のオフガス出口２４Ｂには、水蒸気供給ライン４４の上流端が接続されており、水蒸気供給ライン４４の下流端は、改質部２５の水蒸気入口２５Ｃ接続されている。これにより、カソード電極１８で生成された水蒸気、該カソード電極１８で消費されなかった酸素を含むカソードオフガスが改質部２５における水蒸気改質反応に利用される構成である。

さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池１２に冷却空気を供給するための冷却用空気ポンプ４５を備えており、冷却用空気ポンプ４５の吐出部は、下流端が燃料電池１２の図示しない冷媒流路の入口１２Ａに接続された冷却用空気ライン４６の上流端に接続されている。この冷媒流路の出口１２Ｂは、支燃ガス供給ライン４８の上流端に接続されている。支燃ガス供給ライン４８は、加熱部２６における支燃ガス入口２６Ｃに接続されており、加熱部２６に燃焼支燃ガスとしての酸素を含む冷却オフガスを供給するようになっている。これにより、加熱部２６では、アノードオフガスライン３８からのアノードオフガスと支燃ガス供給ライン４８からの冷却オフガスとを内蔵した酸化触媒に接触させて、触媒燃焼を生じさせる構成とされている。

そして、燃料電池システム１０は、それぞれ水蒸気供給ライン４４に設けられて本発明における触媒再生手段を構成する調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２を備えている。調整弁Ｖ１は、水蒸気供給ライン４４を開閉し得る開閉弁Ｖ２に対しカソードオフガス流れ方向の下流側に配置されており、その弁開度を調整可能とされている。この調整弁Ｖ１は、全閉状態で水蒸気供給ライン４４の圧力を上昇させるため圧力上昇手段として機能し、部分開放状態で改質部２５へのカソードオフガスの供給流量を絞る絞り手段として機能する。

また、水蒸気供給ライン４４における調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２間には、ガス貯留部としてのチャンバ５０が設けられている。この実施形態では、チャンバ５０は、水蒸気供給ライン４４に直列に設けられている。また、チャンバ５０は、内周又は外周に図示しない断熱部が設けられて断熱構造とされている。

上記した各調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２は、それぞれ制御装置としての触媒再生コントローラ５２によって開閉又は弁開度が制御されるようになっている。また、燃料電池システム１０では、冷却用空気ライン４６に設けられ該冷却用空気ライン４６を開閉し得る開閉弁Ｖ３を備えている。開閉弁Ｖ３は、触媒再生コントローラ５２によって開閉が制御されるようになっている。

触媒再生コントローラ５２は、燃料電池システム１０の全体動作を制御する図示しないメインコントローラからの信号に基づいて、改質部２５の改質触媒２８の触媒活性を回復させるための再生工程を行う条件が成立したと判断した場合に、該再生工程が行われるように、原料ポンプ３２、カソード用空気ポンプ４０、冷却用空気ポンプ４５、調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２、Ｖ３の作動を制御して、炭化水素ガスの供給が停止された改質部２５にカソードオフガスを供給するようになっている。再生工程を開始する条件は、改質触媒２８の硫黄被毒が一定程度に進行した又は進行したと推定されるをことに対応する条件であり、例えば、燃料電池システム１０の前回の再生工程後における累積運転時間や燃料電池１２の累積発電量（改質装置１４の改質量）等が所定の閾値を越えたこと、改質部２５が生成する改質ガス中の水素濃度が所定の閾値を下回ったこと、改質触媒２８の温度が所定の閾値を超えたこと等のうちの１つ又は複数を採用することができる。

また、触媒再生コントローラ５２は、再生工程において、カソードオフガスを所定圧力で水蒸気供給ライン４４（主にチャンバ５０）に蓄えさせるようになっている。チャンバ５０の容量は、上記した所定圧力で蓄えたカソードオフガスを調整弁Ｖ１の弁開度を絞りながら改質部２５に供給した場合に、該カソードオフガスを所定時間に亘り改質部２５に供給可能な容量として設定されている。この触媒再生コントローラ５２による触媒再生の具体的な制御については、本実施形態の作用と共に後述する。

この実施形態では、水蒸気供給ライン４４、調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２、チャンバ５０、触媒再生コントローラ５２が本発明における触媒再生手段に相当する。なお、水蒸気供給ライン４４、冷却用空気ライン４６は、燃料電池システム１０の通常運転（燃料電池１２の発電中）でも用いられるため、これらのラインに設けられた調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２、冷却用空気ライン４６の開閉弁Ｖ３は、通常運転中にはそれぞれ全開状態とされている。

次に、第１の実施形態の作用を説明する。

上記構成の燃料電池システム１０では、原料ポンプ３２、カソード用空気ポンプ４０の作動によって、原料供給ライン３４から改質装置１４の改質部２５に炭化水素原料、水蒸気（カソードオフガス）が導入される。改質部２５内では、水蒸気改質反応を含む式（1）〜式（４）で示す改質反応が行われ、水素を高濃度で含有する改質ガスが生成される。

改質部２５で生成された改質ガスは、アノード流路２２の燃料入口２２Ａからアノード電極１６に供給される。燃料電池１２では、アノード電極１６に供給された改質ガス中の水素がプロトン化され、このプロトンが電解質を経由してカソード電極１８に移動して該カソード電極１８に導入された空気中の酸素と反応する。このプロトンの移動に伴って電子がアノード電極１６から外部導体を通じてカソード電極に向けて流れ、発電が行われる。

この発電によって燃料電池１２では、アノード電極１６に供給された改質ガス中の水素、カソード電極１８に供給されたカソード用空気中の酸素が発電量（負荷の電力消費量）に応じて消費され、カソード電極１８では水（運転温度において水蒸気）が生成される。この水蒸気を含むガスは、カソードオフガスとしてカソード電極１８から水蒸気供給ライン４４に押し出され、水蒸気入口２５Ｃから改質部２５に導入される。このとき、チャンバ５０には、カソードオフガスが置換されつつ充填されている。

一方、発電に伴って改質ガス中の水素が発電量に応じて消費された後のガスは、アノードオフとしてアノード電極１６から排出され、このアノードオフガスは、アノードオフガスライン３８を経由して、改質装置１４の加熱部２６に供給される。また、加熱部２６には、支燃ガス供給ライン４８から燃料電池１２を冷却した後の冷却オフガスが供給される。この加熱部２６では、アノードオフガス中の可燃成分を燃料とし、冷却オフガス中の酸素を支燃ガスとして触媒燃焼が生じる。この触媒燃焼によって生じた熱は、隔壁部３０を介して改質部２５に供給される。この熱によって改質部２５では、吸熱反応である改質反応を維持すると共に運転温度（改質ガス温）を改質反応に必要な温度に保つ。

メインコントローラは、燃料電池１２の発電量に応じた量の水素が改質装置１４で生成され、かつ上記した運転が維持されるように、燃料電池システム１０全体を制御する。

以上のような燃料電池システム１０の運転に伴って、改質装置１４を構成する改質部２５の改質触媒２８は、炭化水素原料に含まれる硫黄成分によって被毒され、触媒活性が低下する。このため、燃料電池システム１０では、所定の場合に改質触媒２８の触媒活性を回復させる再生工程を行う。以下、この再生工程の作用について、図３に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

燃料電池システム１０の触媒再生コントローラ５２は、ステップＳ１０で、メインコントローラからの信号に基づいて、再生工程を行う（開始する）条件が成立した（触媒再生タイミングである）か否かを判断する。再生工程を行う条件が成立していないと判断した場合には、ステップＳ１０に戻り、この条件が成立するまで繰り返す。

一方、再生工程を行う条件が成立した場合に触媒再生コントローラ５２は、ステップＳ１２に進み、原料ポンプ３２を停止する。これにより、改質部２５への炭化水素ガスの供給が停止される。次いで、触媒再生コントローラ５２はステップＳ１４に進み、調整弁Ｖ１を全閉にする。ステップＳ１２、Ｓ１４は同時に実行しても良い。これにより、改質部２５へのカソードオフガス（水蒸気）の供給も停止され、改質部２５内では残留している改質原料、水蒸気等の分だけ改質反応が行われる。他方、カソード用空気ポンプ４０の作動は継続されているので、カソード流路２４内の水蒸気が水蒸気供給ライン４４に押し出される。これにより、水蒸気供給ライン４４、チャンバ５０の圧力が上昇する。

触媒再生コントローラ５２は、ステップＳ１６に進み、調整弁Ｖ１の全閉からの経過時間が所定時間を上回ったか否かを判断する。調整弁Ｖ１の全閉から所定時間が経過していない場合には、ステップＳ１６に戻り、所定時間経過するまで繰り返す。調整弁Ｖ１の全閉から所定時間が経過した場合には、ステップＳ１８に進み、開閉弁Ｖ２を全閉する。また、カソード用空気ポンプ４０を停止する。この状態では、水蒸気供給ライン４４における調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２間、チャンバ５０内には、燃料電池１２の運転温度と同等の温度を有するカソードオフガス（水蒸気、酸素を含むガス）がほぼ所定圧力で蓄えられている。なお、ステップＳ１６では、調整弁Ｖ１閉止からの経過時間に代えて、例えばチャンバ５０の圧力が所定圧力に達したか否かで開閉弁Ｖ２の閉止タイミングを制御するようにしても良い。

そして、触媒再生コントローラ５２は、ステップＳ２０に進み、調整弁Ｖ１を部分開放する。これにより、水蒸気供給ライン４４、チャンバ５０に蓄えられたカソードオフガスは、調整弁Ｖ１によって供給流量を絞られつつ徐々に改質部２５に供給される。このカソードオフガスの供給によって改質触媒２８上の硫黄成分の除去が行われる。また、このカソードオフガスの供給によって、改質部２５内のガスが排出され、改質ガス供給ライン３６、アノード流路２２、アノードオフガスライン３８にガスの流れが生じ、アノード流路２２、アノードオフガスライン３８に滞留していたアノードオフガスが改質触媒２８に供給される。

これにより、改質部２５では改質反応に伴う吸熱が停止しているのに対し、加熱部２６では供給されるアノードオフガス中の可燃成分が支燃ガス供給ライン４８からの酸素と共に酸化触媒に接触して燃焼する。この燃焼に伴う熱は、隔壁部３０を介して改質部２５の改質触媒２８に供給され、硫黄成分の除去すなわち触媒活性の回復に利用される。

次いで、触媒再生コントローラ５２は、ステップＳ２２で、メインコントローラからの情報（例えばアノードオフガスの成分（ガスセンサ出力）や加熱部２６の温度分布）に基づいて、加熱部２６におけるアノードオフガスの燃焼が終了したか否かを判断する。加熱部２６での燃焼が終了していないと判断した場合には、ステップＳ２２に戻り、燃焼終了まで繰り返す。一方、加熱部２６での燃焼が終了したと判断した場合には、ステップＳ２４に進み、開閉弁Ｖ３を全閉する。また、冷却用空気ポンプ４５を停止する。これにより、加熱部２６には、顕熱冷却により改質部２５（改質触媒２８）温度を低下させる低温の空気の供給が停止される。

さらに、触媒再生コントローラ５２は、ステップＳ２６に進み、調整弁Ｖ１の部分開放すなわち改質部２５へのカソードオフガス供給開始からの経過時間が所定時間に達したか否かを判断する。カソードオフガス供給開始から所定時間が経過していない場合には、ステップＳ２６に戻り、所定時間の経過まで繰り返す。そして、カソードオフガス供給開始から所定時間が経過した場合すなわち触媒再生の終了条件が成立した場合には、ステップＳ２８に進み、調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２、Ｖ３をそれぞれ全開し、制御を終了する。これにより、燃料電池システム１０は、メインコントローラによる制御状態に復帰し、燃料電池１２による発電を行うための運転を再開する。このカソードオフガスを改質部２５に供給する所定時間は、例えば、予め設定した時間であっても良く、触媒再生間の運転時間等から算出したものであっても良い。

ここで、燃料電池システム１０では、燃料電池１２のカソードオフガスを改質部２５に供給することで改質触媒２８の再生すなわち触媒活性の回復を行うため、外部からエネルギ供給を受けることなく改質触媒２８の再生を行うことができる。具体的には、カソードオフガスには、改質触媒２８の再生に必要な水蒸気、酸素が含まれており、しかもカソードオフガス自体が燃料電池１２の運転温度相当の温度（熱）を有するため、例えば、水を蒸発して（潜熱を供給して）水蒸気を生成し改質触媒２８に供給し、かつ加熱部２６に燃料電池１２の運転や改質装置１４での水素生成に直接的には寄与しない燃料を供給して改質触媒２８を加熱する構成と比較して、水蒸気生成のためのエネルギ、改質触媒２８加熱のためのエネルギが不要であり、システム全体として効率が高い。

しかも、燃料電池システム１０では、燃料電池１２のアノード流路２２、アノードオフガスライン３８に滞留したアノードオフガス（可燃性ガス）を加熱部２６にて燃焼させるので、外部からのエネルギ供給に頼ることなく、触媒再生に必要な熱をさらに改質部２５の改質触媒２８に付与することができる。これにより、改質触媒２８上の硫黄成分を一層効果的に除去することができる。また、触媒再生のために原料ポンプ３２（改質原料の供給）を停止した直後には、改質側の吸熱反応が減少している一方で、加熱側の発熱が発生するという熱バランスのとれない状態が存在する。このアンバランスによって、比較的短時間で改質触媒２８の温度を上昇させることが可能である。

このように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０では、改質触媒２８の触媒活性を効率的に回復させることができる。

また、燃料電池システム１０では、触媒再生のためにカソードオフガスを改質部２５に供給するため、換言すれば、触媒再生に寄与する（促進する）水蒸気と低濃度の酸素とを共に改質部２５に供給するため、きわめて短時間の再生工程で十分な触媒活性の回復を実現することができる。そして、上記の如くアノードオフガスの燃焼熱が供給される燃料電池システム１０では、水蒸気、低濃度の酸素、温度の３条件を満たすため、運転時間に対する触媒再生時間を数十分の一から百数十分の一とすることが可能である。このため、燃料電池システム１０では、上記した所定時間の触媒再生工程によって、改質触媒２８の触媒活性を回復することができた。

そして、燃料電池システム１０では、触媒再生工程を開始する前に調整弁Ｖ１を閉じることで水蒸気供給ライン４４の圧力を上昇し、燃料供給停止後の短時間でカソードオフガスを蓄え、これを所定時間に亘り改質部２５に供給することが実現された。すなわち、限られた量のカソードオフガスの供給可能時間を圧力に変換して蓄え、調整弁Ｖ１で絞りながら所定時間に亘り供給することができた。しかも、この水蒸気供給ライン４４にはチャンバ５０が設けられているため、十分な時間の再生工程を行い得る量のカソードオフガスを蓄えることが実現された。

次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態と基本的に同一の部品・部分については上記第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。図４には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム６０が図１に対応するシステムフロー図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム６０は、チャンバ５０に代えてアキュムレータ６２を備える点で、燃料電池システム１０とは異なる。

アキュムレータ６２は、水蒸気供給ライン４４における調整弁Ｖ１、開閉弁Ｖ２間の部分から分岐した分岐ライン６４の下流端に接続されている。アキュムレータ６２の容量はチャンバ５０と同様に、所定圧力のカソードオフガスを蓄えた状態で所定時間の触媒再生工程を行い得るように決められている。また、分岐ライン６４には、触媒再生コントローラ５２によって開閉し得る開閉弁Ｖ４が設けられている。開閉弁Ｖ４は、燃料電池システム１０の通常運転中には全閉とされている。

燃料電池システム６０の他の構成は、燃料電池システム１０の対応する構成と同じである。

したがって、第２の実施形態に係る燃料電池システム６０によっても、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の作用によって同様の効果を得ることができる。また、アキュムレータ６２と開閉弁Ｖ４とを備えた燃料電池システム６０では、燃料電池システム１０のスタートアップ時にはアキュムレータ６２をカソードオフガスで充填することなくスムースに運転を立ち上げ、燃料電池１２の運転中にアキュムレータ６２にカソードオフガスを蓄えることができる。

例えば、燃料電池１２の発電量低減要求があり改質装置１４の改質ガス生成量を低減する場合、カソードオフガスが要求改質量に対し余剰になるが、この際、調整弁Ｖ１の弁開度を絞りながら開閉弁Ｖ４を開放し、改質部２５へのカソードオフガス供給量を減らしながらアキュムレータ６２にカソードオフガスを蓄えることができる。また例えば、改質触媒２８の触媒活性を回復するための再生工程を行う直前に燃料電池１２の発電量を減らしながらアキュムレータ６２にカソードオフガスを蓄えることができる。すなわち、燃料電池システム６０によっても、触媒再生工程を開始する前にカソードフガスを水蒸気供給ライン４４、アキュムレータ６２の圧力に変換して保持することができ、改質触媒２８の触媒活性の回復に十分な時間の触媒改質工程を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池の模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの触媒再生用の制御フローを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示すシステムフロー図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１６ アノード電極
１８ カソード電極
２５ 改質部
２６ 加熱部
２８ 改質触媒
４２ カソード用空気供給ライン（供給ライン）
５０ チャンバ（ガス貯留部）
５２ 触媒再生コントローラ（触媒再生手段）
６０ 燃料電池システム
６２ アキュムレータ（ガス貯留部）
Ｖ１ 調整弁（触媒再生手段、絞り手段）
Ｖ２〜Ｖ４ 開閉弁（触媒再生手段）

Claims (6)

1. 改質触媒を用いて硫黄成分を含む改質原料から水素含有ガスを生成する改質部と、
   前記水素含有ガス中の水素を消費して発電を行い、該発電に伴ってカソード電極側で水を生成する燃料電池と、
   前記カソード電極から排出されるカソードオフガスを前記改質部に供給することで、前記改質触媒の活性を回復するための再生工程を行う触媒再生手段と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記触媒再生手段は、前記改質部への前記改質原料の供給停止後に該改質部に前記カソードオフガスを所定時間に亘り供給することで、前記再生工程を行うように構成されている請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記触媒再生手段は、前記再生工程において、前記カソードオフガスの前記改質部への供給を開始する前に、該カソードオフガスの供給ラインの圧力を上昇させるガス貯留工程を行うように構成されている請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記触媒再生手段は、前記供給ラインに設けられ前記カソードオフガスを蓄えるガス貯留部を備える請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記触媒再生手段は、前記カソードオフガスの供給流量を絞ることで該カソードオフガスを所定時間に亘り前記改質部に供給するための絞り手段を備える請求項２乃至請求項４の何れか１項記載の燃料電池システム。
6. 前記改質部には、前記燃料電池における前記水素含有ガスを消費するアノード電極から排出されるアノードオフガスを燃焼して得た熱を前記改質触媒に供給するための加熱部が設けられている請求項１乃至請求項５の何れか１項記載の燃料電池システム。

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