JP2012133916A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】システムは、アノード流体が供給されるアノード10およびカソード流体が供給されるカソード11をもつスタック12と、原料水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部2と、原料水搬送源80と、蒸発部2で生成された水蒸気を用いて燃料を水蒸気改質させてアノード流体を形成する改質部3とを有する。制御部100は、スタック12の発電運転が停止されており、且つ、蒸発部2が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されているときにおいて、原料水を蒸発部2に一時的に供給した状態でスタック12の開回路電圧の上昇を判定する判定操作を実行し、開回路電圧の上昇有りのとき、スタック12の発電運転を行う再起動操作を実行する。
【選択図】図1
Description
図1は実施形態1の燃料電池システムに係るブロック図を示す。本実施形態に係る燃料電池システムは、アノード流体通路73からアノード流体(水素含有ガス)が供給されるアノード10およびカソード流体通路70からカソード流体(空気等の酸素含有ガス)が供給されるカソード11をもつ燃料電池1のスタック12と、給水通路8から供給された液相状の原料水を蒸発させて気相状の水蒸気を生成させる蒸発部2と、純水である原料水を蒸発部2にポンプ80(水搬送源)により搬送させる給水通路8と、蒸発部2で生成された水蒸気を用いて燃料(例えば都市ガス,LPG)を水蒸気改質させてアノード流体を形成する改質部3と、蒸発部2と改質部3を加熱する燃焼部105と、給水通路8に設けられ原料水を蒸発部2に向けて搬送させるポンプ80(水搬送源)と、のスタック12からの高温の排ガスを貯湯槽の水と熱交換させる熱交換器76と、ポンプ80,60,71等の機器を制御させる制御部100とを有する。アノード10側から排出されたアノード排ガスは流路103を介して、燃焼部105に供給される。カソード11側から排出されたカソード排ガスは流路104を介して、燃焼部105に供給される。燃焼部105は、アノード排ガスとカソード排ガスとを燃焼させ蒸発部2と改質部3を加熱させる。燃焼部105には燃焼排ガス路75が設けられ、燃焼部105における燃焼後のガスおよび、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが燃焼排ガス路75を介して大気中に放出される。
アノード10はアノード反応を促進させる触媒を有し、カソード11はカソード反応を促進させる触媒を有する。触媒は遷移金属系特に貴金属系にできる。改質部3および蒸発部2は互いに隣設されているか、接近して配置されている。改質部3には、蒸発部2を介して燃料通路6の燃料ポンプ60(燃料搬送源)によりガス状の燃料が供給される。スタック12を構成する複数の燃料電池1は、直列に電気接続され、電圧が高くされている。スタック12燃料電池1のカソード11には、カソード流体通路70のカソードポンプ71(カソード流体搬送源)によりカソード流体(空気)が供給される。蒸発部2および改質部3を加熱させる燃焼部105が設けられている。断熱壁19は温度維持のために改質部3,蒸発部2,スタック12、燃焼部105等を覆っており、高温となる発電モジュール18を形成している。
(1)…CH4+2H2O→4H2+CO2
CH4+H2O→3H2+CO
さて図2において、特性線K1は発電モジュール18(スタック12)の温度を示す。特性線K1として示すように、時間経過につれて発電モジュール18の内部温度(スタック12の温度)は次第に低下する。特性線K2はスタック12のカソード11に供給させるカソード流体(空気)の流量(NLM)を示す。特性線K2として示すように、発電運転を停止させた時刻t2以降においても、時刻t6,時刻t7以降においても、カソードポンプ71を駆動させてカソード流体をスタック12のカソード11に供給させて冷却促進を図る。特性線K3は改質部3に供給させる燃料の流量を示す。特性線K3として示すように、発電運転を停止した時刻t2以降では、改質部3への燃料の供給流量を急激に低下させるが、触媒等を保護すべく、還元性をもつ水素ガスを改質部3において生成させるため、時刻t3まで燃料を改質部3に供給させる。特性線K4は蒸発部2に供給させる原料水の流量を示す。特性線K4として示すように、発電運転を停止した時刻t2以降では、蒸発部2に供給される原料水の供給流量を急激に低下させるが、時刻t3まで原料水を蒸発部2に供給させる。図2から理解できるように、時刻t3以降では、燃料および原料水の供給は抑えられるため、改質部3において水素ガスは基本的には生成されない。図2において、特性線K5はスタック12の開回路電圧(OCV)を示す。特性線K5として示すように、スタック12の発電運転を停止した時刻t2から時刻t3の領域HR(発電運転が停止されているものの、触媒を保護する還元性をもつ水素ガスが生成されている時間帯)においても、スタック12の開回路電圧(OCV)は残存している。領域HRでは、改質部3において生成された水素ガスがアノード10に供給されるため、アノード10における水素濃度が相対的に高くなり、アノード10の電位が水素の標準電極電位(0ボルト)に近づき、ひいてはアノード10とカソード11との電位差である開回路電圧(OCV)が高くなるためと考えられる。
図4は、制御部100のCPUが実行するフローチャートの一例を示す。まず、燃料電池システムの発電運転が停止されているとき、システムの起動開始指令が出力された場合には、制御部100は発電モジュール18の内部温度THMを読み込み、制御部100は、内部温度THMが所定温度T1以上か否か判定する(ステップS2)。内部温度THMはスタック12、改質部3、蒸発部2の温度であると実質的に推定できる。温度THMが所定温度T1未満であれば(ステップS2のNo)、発電モジュール18の内部温度は低温であり、ひいてはスタック12および改質部3の温度は低いため、蒸発部2も水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されていない。そこで制御部100は、コールドスタート処理のフラグを立て(ステップS4)、着火処理に移行する(ステップS20)。
本実施形態は、実施形態1と基本的には共通の構成、共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。制御部100は、判定操作においてスタック12の開回路電圧の上昇の上昇率(開回路電圧を時間で微分した微分値)を求める。開回路電圧の上昇の上昇率が、上昇率用の第1所定値以上のとき、制御部100は、開回路電圧の上昇有りと判定し、蒸発部2および給水通路8等の水蒸気生成系2Xは正常であると判定する。このように水蒸気生成系2Xは正常であると判定されると、制御部100は、再起動操作を実行し、原料水を蒸発部2に供給させると共に燃料を改質部3に供給させてスタック12の発電運転を行う。判定操作は、図2に示す領域HR,HSのときに実行することが好ましい。但し、蒸発部2が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されている場合には、図2に示す領域HTにおいて判定操作を実行しても良い。微分値であれば、時間の概念が導入されるため、原料水の供給とスタック12の開回路電圧の上昇とを対応させ易い。上昇率であれば、原料水の供給以外に起因するノイズの影響を回避し易い。
本実施形態は、実施形態1と基本的には共通の構成、共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。システムが発電停止されたとしても、改質部3の構成材料には水素がある程度残留していると考えられる。制御部100は、判定操作においてスタック12の開回路電圧の上昇(図3における線部分K51)、ピーク(線部分K52)および下降(線部分K53)を順に確認した状態において、開回路電圧の上昇有りと判定する。そして、制御部100は、再起動操作を実行し、原料水を蒸発部2に供給させると共に燃料を改質部3に供給させてスタック12の発電運転を行う。上昇(図3における線部分K51)、ピーク(線部分K52)では、原料水で生成された水蒸気により、改質部3に残留している水素は改質部3から離脱し、アノード10に到達していると考えることができる。ピーク後の下降(線部分K53)では、スタック12のアノード10に到達した水素が更に下流側に吐出したため、スタック12の開回路電圧が低下したものと考えられる。このようにピーク後の下降(線部分K53)では、スタック12のアノード10に到達した水素が更に下流側に吐出している。従って、ピーク後の下降(線部分K53)を検知すれば、スタック12のアノード10には水素が残留しておらず、アノード10をリセット状態(残留水素なし)に設定できる。判定操作は、図2に示す領域HR,HSのときに実行することが好ましい。但し、蒸発部2が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されている場合には、図2に示す領域HTにおいて判定操作を実行しても良い。
本実施形態は、実施形態1と基本的には共通の構成、共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。本実施形態によれば、発電モジュール18の内部温度、蒸発部2の温度が相対的に高いほど、蒸発部2に供給する原料水の水量を相対的に増加させる。この場合、蒸発部2が保持する熱量が大きいため、蒸発部2で生成される水蒸気量が増加し、改質部3に残留している水素をスタック12のアノードに押し出す力を増加でき、スタック12の開回路電圧を上昇させ易く、判定操作における判定精度を高め得ると考えられる。これに対して発電モジュール18の内部温度、ひいては蒸発部2の温度が相対的に低いほど、蒸発部2に供給する原料水の水量を相対的に減少させる。蒸発部2の温度が低い場合には、判定操作において蒸発部2に供給した原料水が蒸発部2の温度を低下させ、水蒸気生成機能に影響を与えるためである。
本実施形態は、実施形態1と基本的には共通の構成、共通の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。制御部100は、燃料電池システムの発電運転を停止させる指令を出力した後、蒸発部2が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されているときにおいて、具体的には、発電モジュール18の内部温度がT1以上のときにおいて、上記した判定操作を実行するために、ポンプ80を駆動させて原料水を一時的に蒸発部2に供給させる。この場合、システムの発電運転を停止させる毎に、蒸発部2および給水通路8等の水蒸気生成系2Xが正常であるか否かを自動的にチェックできる。上記した判定操作は、図2に示す領域HR,HSのときに実行することが好ましい。但し、蒸発部2が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されている場合には、図2に示す領域HTにおいて判定操作を実行しても良い。
図5は適用形態1の概念を模式的に示す。図5に示すように、燃料電池システムは、燃料電池1で形成されたスタック12と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部2と、蒸発部2で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部3と、蒸発部2と改質部3を加熱する燃焼部105と、蒸発部2に供給される液相状の原料水を溜めるタンク4と、これらを収容するケース5とを有する。
(2)…H2+O2−→H2O+2e−
COが含まれている場合には、CO+O2−→CO2+2e−
(3)…1/2O2+2e−→O2−
発電反応後のアノードオフガスは、発電反応しなかった水素を含む。カソードオフガスは発電反応に未反応な酸素を含む。アノードオフガスおよびカソードオフガスは、燃焼部105に排出されて燃焼される。燃焼した後のアノードオフガスおよびカソードオフガスは、排気ガスとなり、熱交換器76のガス通路を経て排気通路75を流れ、更に、排気通路75の先端の排気口からケース5の外部に放出される。図5に示すように、排気通路75には、凝縮機能をもつ熱交換器76が設けられている。貯湯槽77に繋がる貯湯通路78および貯湯ポンプ79が設けられている。貯湯通路78は往路78aおよび復路78cをもつ。貯湯槽77の低温の水は、貯湯ポンプ79の駆動により、貯湯槽77の吐出ポート77pから吐出されて往路78aを通過し、熱交換器76に至り、熱交換器76で加熱される。熱交換器76で加熱された水は、復路78cを介して帰還ポート77iから貯湯槽77に帰還する。このようにして貯湯槽77の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器76で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器76から延設された凝縮水通路42を介して重力等により浄水部43に供給される。浄水部43はイオン交換樹脂等の水浄化剤43aを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水はタンク4に移動し、タンク4に溜められる。ポンプ80が駆動すると、タンク4内の水は給水通路8を介して高温の蒸発部2に供給され、蒸発部2で水蒸気とされて改質部3に供給され、改質部3において燃料を改質させる改質反応として消費される。
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態および適用形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。加熱部40はタンク4に設けられているが、これに限らず、凝縮水通路42に設けられていても良い。加熱部40を廃止させても良い。燃料電池1は、場合によっては、溶融炭酸塩形またはりん酸形の燃料電池に適用しても良い。スタックの発電運転が停止されている場合であっても、蒸発部が水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されているときに起動できるものであれば、固体高分子形燃料電池でも良い。燃料としては、都市ガス、LPG、バイオガス、ガソリン、灯油、アルコール等でも良い。図5において、発電モジュール18の内部に、スタック12,改質部3,蒸発部2が収容されているが、蒸発部2は水蒸気を発生させ得るような温度となる限り、発電モジュール18の外方に離間して、あるいは、発電モジュール18の断熱壁19に隣設されていても良い。上記した記載から次の技術的思想が把握される。
Claims (4)
- アノード流体が供給されるアノードおよびカソード流体が供給されるカソードをもつ燃料電池のスタックと、原料水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部と前記蒸発部に前記原料水を搬送させる水搬送源をもつ給水通路とを有する水蒸気生成系と、前記蒸発部で生成された前記水蒸気を用いて燃料を水蒸気改質させてアノード流体を形成する改質部と、制御部とを具備しており、
前記制御部は、
前記スタックの発電運転が停止されており、且つ、前記蒸発部が前記水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されているときにおいて、
前記原料水を前記蒸発部に一時的に供給させた状態で前記スタックの開回路電圧の上昇を判定する判定操作を実行し、前記判定操作において前記開回路電圧の上昇有りのとき、前記水蒸気生成系は正常であると判定する燃料電池システム。 - 請求項1において、前記判定操作は、前記スタックの前記カソードに前記カソード流体を供給しつつ実行する燃料電池システム。
- 請求項1または2において、前記制御部は前記判定操作で前記水蒸気生成系が正常であると判定されるとき、前記燃料電池システムを再起動させる燃料電池システム。
- 請求項1または2において、前記制御部は、前記燃料電池システムの発電運転を停止させる指令を出力した後、前記蒸発部が前記水蒸気を生成させ得る温度以上に維持されているときに、前記判定操作を実行する燃料電池システム。
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