JP2012185924A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池１１の改質能力が低下した場合にこれを検知することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料改質器１５ａより出力される改質ガスの温度を測定することにより、燃料電池１１におけるアノード極１１ｂの改質能力が低下を検出することができる。そして、改質能力の低下が検出された場合には、Ａ／Ｆを増加させることにより、燃料改質器１５ａの温度を所望の温度に保持する。その結果、改質効率の低下、及びカーボン析出を招くこと無く、要求される発電電力を出力することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の改質活性が低下した場合にこれを検知し、改質器の温度を一定に保持する技術に関する。

燃料電池は、燃料と空気を電池内部に供給して化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することにより発電する電池であり、なかでもＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell；固体酸化物型燃料電池)は、発電効率が高い燃料電池として知られている。

このようなＳＯＦＣは、燃料電池の出力が変動した場合に発電効率が低下するという問題が有るので、この問題を解決するために、例えば特開２０１０−２０５６４７号公報（特許文献１）では、燃料電池スタックの出力温度を測定し、この温度に基づいて空気極に供給する空気量を制御することにより、高い発電効率で運転することが提案されている。

特開２０１０−２０５６４７号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料極の改質能力の経時的な低下について言及されていない。つまり、長期間の使用によりスタックの燃料極（アノード極）の改質能力が低下すると、アノード排気ガスに含まれる可燃ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等）の濃度が低下するので、改質器の燃焼器で得られる熱量が低減し、改質効率の低下、及びカーボン析出が発生し、ひいてはシステム全体の運転効率が低下するという問題が発生する。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の改質能力が低下した場合にこれを検知することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、改質流路層と、燃料電池のアノード極より排出されるアノード排気ガスの一部が導入されて該改質流路層に導入されるガスを加熱する燃焼バーナ層を備えた改質手段と、アノード極に前記改質手段より出力される改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、且つ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、前記改質流路層の温度、または前記改質バーナ温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段にて検出される温度に基づいて、前記燃料電池の改質活性の低下を検出する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の燃料極改質能力が低下すると、燃料極の出力ガス中に含まれる可燃ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等）の濃度が低下するので、改質手段の温度が低下する。そして、改質手段の温度を測定することにより、燃料極改質能力の低下を検出することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける、燃料電池の発電電力と燃料改質器の出口の改質ガス温度との関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける、Ｆ／Ｃ_ＡとＲ／Ｃ_Ａとの関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおける、Ａ／Ｆと燃料改質器の出口の改質ガス温度との関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、該燃料電池システム１００は、カソード極（空気極）１１ａ及びアノード極（燃料極）１１ｂを備えた燃料電池１１と、燃料改質器１５ａ（改質流路層）及び燃焼バーナにより燃料改質器１５ａを加熱する改質器加熱器１５ｂ（燃焼バーナ層）を備えた改質装置１５（改質手段）と、を備えている。

更に、燃料電池システム１００は、燃料電池１１のカソード極１１ａに空気を供給する第３空気ブロワ１２と、該第３空気ブロワ１２より送出される空気を加熱する空気加熱熱交換器１３と、アノード極１１ｂの出口側に設置されてアノード排気ガスを循環させる燃料循環ブロワ１６（循環手段）と、燃料改質器１５ａに空気を供給する第１空気ブロワ１７（第１空気供給手段）と、燃料改質器１５ａに燃料を供給する燃料ポンプ１８（燃料供給手段）と、燃料循環ブロワ１６により送出されるアノード排気ガスの一部を分岐させて燃料改質器１５ａに供給する循環量調整バルブ１９（循環手段）と、該循環量調整バルブ１９により燃料改質器１５ａ側に分岐するアノード排気ガスの流量を検出する循環ガス流量計２０と、を備えている。

そして、第１空気ブロワ１７より送出される空気、燃料ポンプ１８より送出される燃料ガス、及び循環量調整バルブ１９により分岐して循環するアノード排気ガスは、混合ガスとして燃料改質器１５ａに供給される。

また、燃料電池１１のカソード極１１ａより排出される排気ガス、及び燃料循環ブロワ１６により送出されて燃料改質器１５ａ側に循環されないアノード排気ガスは、排気ガス流路Ｌ１に供給され、更に、該排気ガス流路Ｌ１には、第２空気ブロワ２２より送出される空気が供給される。従って、カソード極１１ａの排気ガス、アノード排気ガス、及び第２空気ブロワ２２より送出される空気が混合し、排気ガス流路Ｌ１を経由して改質器加熱器１５ｂに供給される。

燃料電池１１は、例えば、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell）であり、アノード極１１ｂに供給される改質された燃料と、カソード極１１ａに供給される空気により電力を発生させて、モータ等の電力需要設備に供給する。

改質装置１５は、例えば熱交換器型改質器であり、改質器加熱器１５ｂ（燃焼バーナ層）より供給される熱により燃料改質器１５ａ（改質流路層）を加熱し、燃料ポンプ１８等から混合ガスとして供給される燃料を触媒反応を用いて改質し、改質後の燃料（水素ガスを含む改質ガス）を燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する。

また、第１空気ブロワ１７、第２空気ブロワ２２、第３空気ブロワ１２、燃料ポンプ１８、燃料循環ブロワ１６、循環量調整バルブ１９、循環ガス流量計２０は、それぞれ制御部３１（制御手段）に接続されている。更に、燃料改質器１５ａの出口付近には、燃料改質器１５ａの温度を測定するための温度センサ２１（改質器温度検出手段）が設置され、該温度センサ２１もやはり制御部３１に接続されている。なお、制御部３１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、及び各種の操作子等からなるマイコンにより構成することが可能であり、後述するように、温度センサ２１で検出される温度に基づいて、燃料電池１１の燃料極の改質能力が低下しているか否かを検出する。更に、改質能力が低下している場合には、この状態に応じて、第１空気ブロワ１７、第２空気ブロワ２２、燃料ポンプ１８、燃料循環ブロワ１６、循環量調整バルブ１９、を制御し、燃料改質器１５ａの出力温度が所望の温度となるように制御する。

次に、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給する燃料の流れ、及びカソード極１１ａに供給する空気の流れについて、詳細に説明する。

まず、燃料電池１１のアノード極１１ｂに燃料を供給する流路について説明する。燃料ポンプ１８より送出される燃料は、第１空気ブロワ１７より送出される改質空気、及びアノード極１１ｂより排出される循環ガスと混合され、燃料改質器１５ａに供給される。このとき、循環ガスは、燃料電池１１での発電により生成された水蒸気及び二酸化炭素を含む。

燃料改質器１５ａ内では、供給された燃料と改質空気中の酸素とによる部分酸化反応（発熱反応）、及び燃料と循環ガス中の水蒸気とによる水蒸気改質反応（吸熱反応）、及びこれらの反応により生成した一酸化炭素と水蒸気とによるシフト反応（発熱反応）が進行する。

そして、燃料改質器１５ａより出力される改質ガスは、燃料電池１１のアノード極１１ｂに供給される。アノード極１１ｂに供給された改質ガスに含まれる水素（Ｈ2）、及び一酸化炭素（ＣＯ）は、カソード極１１ａから電解質膜を介して供給される酸素イオンと電気化学反応を起こし、それぞれ水（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）を生成する。このとき、電子が電極（外部回路側）に出力され、発電電力が発生する。

アノード極１１ｂより排出される排気ガスは、燃料循環ブロワ１６にて昇圧され、その一部が循環量調整バルブ１９を経由して、燃料改質器１５ａを循環する。このとき、循環ガス流量計２０で測定される循環ガスの流量信号は、制御部３１に出力されるので、制御部３１では、循環ガス流量、及び改質ガス循環率（アノード排気ガスを燃料改質器１５ａへ循環させる流量の割合）を認識することができる。

また、余剰のアノード排気ガス（循環されない排気ガス）は、循環量調整バルブ１９から排気ガス流路Ｌ１に導入され、更に、該排気ガス流路Ｌ１には、カソード極１１ａの排気ガス、及び第２空気ブロワ２２より送出される空気が供給されるので、これらが混合し、混合したガスが、改質器加熱器１５ｂに導入される。改質装置１５は、改質器加熱器１５ｂの流路と燃料改質器１５ａの流路が交互に積層され、全体で熱交換器型改質器を形成している。

改質器加熱器１５ｂでは、アノード排気ガス中に含まれる一酸化炭素及び水素を、カソード排気ガス中の残留酸素、及び第２空気ブロワ２２より供給する空気と混合して燃焼させ、高温の加熱ガスを生成する。そして、この加熱ガスにより、燃料改質器１５ａ及び改質ガスを加熱する。このとき、燃料改質器１５ａの温度（改質器出口温度）は、改質反応に必要な所定の温度に維持する必要がある。この燃料改質器１５ａの温度は、改質器加熱器１５ｂより導入される熱量、燃料改質器１５ａで進行する吸熱反応熱量、発熱反応熱量、及び入口ガスが持つエンタルピーと熱容量により決定する。

次に、燃料電池１１のカソード極１１ａに空気を供給する流路について説明する。第３空気ブロワ１２より導入される空気は、空気加熱熱交換器１３により昇温され、燃料電池１１のカソード極１１ａに導入される。カソード極１１ａに導入された空気中に含まれる酸素は、カソード極１１ａで電子と反応し、酸素イオンを生成する。電子は、アノード極１１ｂから外部負荷回路を介して供給される。カソード極１１ａで生成した酸素イオンは、電解質膜を介してアノード極１１ｂへ伝導する。

このとき、スタック（アノード極１１ｂ、及びカソード極１１ａ）の温度は、燃料電池反応（アノード反応／カソード反応）に必要な所定の温度に維持する必要がある。アノード極１１ｂ、及びカソード極１１ａの温度は、それぞれの電極上で進行する反応熱量（電力として取り出されなかった排熱量）、導入される燃料、空気ガスが持つエンタルピー、及びその熱容量に決定される。また、燃料ガスは、燃料電池１１の温度とほぼ同じ温度に制御されているため、実質的に、反応熱を空気ガスに伝達させることで燃料電池１１の温度を制御することができる。

即ち、第３空気ブロワ１２より導入された空気は、空気加熱熱交換器１３を通過する際に、改質器加熱器１５ｂの排気ガスから熱を受け取って加熱される。このとき、空気加熱熱交換器１３の熱交換面積は、加熱後の空気温度が燃料電池１１の温度よりも低くなるように設計されている。

燃料電池１１の出口温度が低いときには、第３空気ブロワ１２による空気送出量を減少させることにより、反応熱の空気への伝達量を減少させる。一方、燃料電池１１の出口温度が高いときには、第３空気ブロワ１２による空気送出量を増加させることにより、反応熱の空気への伝達量を増加させる。

以上のような制御を行うことにより、燃料電池１１の温度制御が可能となる。目標燃料電池温度は、任意の場所で任意の温度に設定可能であり、予め行った実験等を基に一定に設定できる。本実施形態では、目標燃料電池温度をカソード極１１ａのガス出口温度を６５０℃としている。

次に、温度センサ２１で検出される温度と、燃料電池１１のアノード極（燃料極）１１ｂの改質能力の関係について説明する。図２は、改質能力の異なる燃料極でシステムを運転したときの、発電出力と燃料改質器１５ａの出口での改質ガス温度（温度センサ２１の検出温度）との関係を示す特性図であり、曲線ｑ１は初期状態（燃料極の改質能力が低下していない状態）における特性を示し、曲線ｑ２はある程度の時間が経過したときの状態である状態Ａの特性を示し、曲線ｑ３は更に時間が経過したときの状態である状態Ｂにおける特性を示している。

そして、曲線ｑ１〜ｑ３に示すように、燃料改質器１５ａの出口での改質ガス温度は、発電出力の増加に伴って徐々に低下する特性を有している。また、燃料極の改質能力が経時変化により、初期状態→状態Ａ→状態Ｂの順に低下すると、同一の発電出力とした場合には、改質ガスの温度が低下していることが判る。

即ち、燃料極の改質能力の低下が生じると、燃料極の出口ガス中（アノード排気ガス中）に含まれる可燃ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等）の濃度が低下し、改質器加熱器１５ｂでの燃焼による発熱量が低減するので、この改質器加熱器１５ｂから燃料改質器１５ａの改質ガスに伝達される熱量が低下し、改質ガスの温度が低下することになる。このため、図２に示すように、燃料極の改質能力の低下に応じて、ｑ１，ｑ２，ｑ３の順に改質ガス温度が低下する。そして、本実施形態では、この改質ガス温度の低下を検出することにより、燃料極（アノード極１１ｂ）の改質能力の低下を検出することができる。

次に、燃料ポンプ１８より供給する燃料流量Ｆと、第２空気ブロワ２２より供給する空気流量Ｃ_Ａとの比率Ｆ／Ｃ_Ａと、燃料循環ブロワ１６から燃料改質器１５ａ側に循環するアノード排気ガスの流量Ｒと第２空気ブロワ２２より供給する空気流量Ｃ_Ａとの比率Ｒ／Ｃ_Ａとの関係について説明する。

燃料電池１１の温度を一定に保持した状態で、且つ、燃料改質器１５ａの出口の改質ガス温度（温度センサ２１で検出される温度）が一定となるように運転した場合に、上記のＦ／Ｃ_ＡとＲ／Ｃ_Ａとの関係は、図３に示すように一次関数的な関係となる。また、この関係は、燃料電池１１の発電出力、燃料極の活性状態に関わらず、一定の関係となっている。即ち、Ｆ／Ｃ_Ａが決定すると、温度一定条件におけるＲ／Ｃ_Ａが決定することになるので、図３に示す関係式を用いて、燃料ポンプ１８により供給する燃料流量Ｆ、第２空気ブロワ２２より供給する空気流量Ｃ_Ａ、及び循環ガス流量Ｒを設定することにより、燃料電池１１と改質装置１５との間の熱バランスを満たした状態で、所望の発電出力を得ることが可能となることが判る。

次に、燃料改質器１５ａの出口の改質ガス温度（温度センサ２１で検出される温度）と第１空気ブロワ１７より供給する空気流量Ａと燃料ポンプ１８より供給する燃料流量Ｆとの比率であるＡ／Ｆとの関係について説明すると、図４に示すように、Ａ／Ｆと改質ガス温度は一次関数的な関係を有しており、Ａ／Ｆを増加させると改質ガス温度が直線的に増加することが判る。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る燃料電池システム１００の処理手順について、図５に示すフローチャートを参照して説明する。

初めにステップＳ１１において、制御部３１は、発電要求に基づいて燃料電池１１の発電出力目標を決定する。

ステップＳ１２において、制御部３１は、ステップＳ１１の処理で決定した発電出力目標に基づき、燃料電池１１の目標温度、燃料改質器１５ａの目標温度、Ａ／Ｆの目標値、アノード極１１ｂの排気ガスを循環させる際の目標循環率を設定する。この際、各目標値は、発電出力毎に予め設定した値を用いることができる。

ステップＳ１３において、制御部３１は、ステップＳ１１，Ｓ１２の処理で設定した発電出力、温度、Ａ／Ｆ、改質ガス循環率に応じた、燃料基本流量、改質空気基本流量、循環基本流量、及び第２空気ブロワ２２により改質器加熱器１５ｂに供給する空気量（Ｃ_Ａ）を算出する。

ステップＳ１４において、制御部３１は、ステップＳ１３の処理で設定した各基本流量が実現するように、第１空気ブロワ１７、第２空気ブロワ２２、燃料ポンプ１８、燃料循環ブロワ１６の運転を制御する。更に、循環量調整バルブ１９の開度を調整する。

ステップＳ１５において、制御部３１は、温度センサ２１により、燃料改質器１５ａの出口の改質ガス温度（これを、Ｔoutとする）を測定する。本実施形態では、燃料改質器１５ａの出口におけるガス温度を改質装置１５の代表温度とするが、燃料改質器１５ａの温度、或いは改質器加熱器１５ｂの温度等を用いることも可能である。

ステップＳ１６において、制御部３１は、改質ガス温度の閾値Ｔ０を設定し、改質ガス温度Ｔoutが閾値Ｔ０を下回っているか否かを判断する。そして、下回っていない場合、即ち、Ｔout≧Ｔ０である場合（ステップＳ１６でＮＯの場合）には、本処理を終了する。他方、下回っている場合、即ち、Ｔout＜Ｔ０である場合（ステップＳ１６でＹＥＳの場合）には、ステップＳ１７に処理を進める。

ステップＳ１７において、制御部３１は、閾値Ｔ０と改質ガス温度Ｔoutとの差分「Ｔ０−Ｔout」を求め、この差分に基づいて図４に示した特性曲線を参照して、Ａ／Ｆを選定する。そして、新たに設定されたＡ／Ｆとなるように、第１空気ブロワ１７より送出する空気流量、及び燃料ポンプ１８より送出する燃料流量を制御する。

ステップＳ１８において、制御部３１は、温度センサ２１で検出される温度が、所定の温度（例えば、６５０℃）となるように、改質器加熱器１５ｂに供給する空気流量Ｃ_Ａを制御する。具体的には、第２空気ブロワ２２の回転数を制御することにより、該第２空気ブロワ２２より送出される空気の流量を制御する。

ステップＳ１９において、制御部３１は、ステップＳ１７，Ｓ１８で算出したＡ／Ｆ、及び改質器加熱器１５ｂに導入する空気量に基づき、図３に示した特性曲線に従って、循環ガス流量Ｒを設定する。そして、設定された循環ガス流量Ｒとなるように、燃料循環ブロワ１６、及び循環量調整バルブ１９の開度を制御する。この循環ガス流量Ｒを制御することにより、Ａ／Ｆを増加させることにより生じる水素（Ｈ2）量の低下を補うことができ、発電出力要求を維持することができる。

ステップＳ２０において、制御部３１は、改質ガス温度Ｔoutが閾値Ｔ０を下回っているか否かを再度判断し、Ｔout≧Ｔ０である場合には、本処理を終了し、Ｔout＜Ｔ０である場合には、ステップＳ１７からの処理を実行し、Ｔout≧Ｔ０が成立するまで、この処理を繰り返す。こうして、燃料電池１１により所望の電力が出力されるように、改質装置１５の改質ガス温度が一定となるように制御することができるのである。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１１におけるアノード極１１ｂ（燃料極）の改質能力が低下した場合には、この低下状態を認識することができる。そして、改質能力が劣化した場合には、Ａ／Ｆを増加させることにより、燃料改質器１５ａの温度を所望の温度に保持することができるので、改質効率の低下、及びカーボン析出を招くこと無く、要求される発電電力を出力することができる。

即ち、Ａ／Ｆを増加させることにより、改質装置１５内部の発熱反応量を増加させることができるので、アノード極１１ｂ（燃料極）の出口ガス中の可燃ガスの濃度（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4）が低下することによる燃料改質器１５ａへの供給熱量の低下を補うことができ、改質装置１５の温度低下を防止できる。

また、アノード極１１ｂの改質能力の低下が検知された場合には、燃料循環基本流量を増加させることにより、Ａ／Ｆ増加により生じる水素量の低下を補うことができ、発電出力要求を維持することができる。

また、図３に示したように、発電出力、及びアノード極１１ｂの活性状態に関わらず、Ｆ／Ｃ_ＡとＲ／Ｃ_Ａとの関係は、温度を一定とした場合に、一次関数的に対応するので、この条件を用いることにより、改質装置１５と燃料電池１１との間の熱バランスを維持した状態で、要求される電力を出力することができる。

以上、本発明の燃料電池システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、燃料極の改質能力が低下した場合においても、要求される電力出力を得る上で極めて有用である。

１１ 燃料電池
１１ａ カソード極
１１ｂ アノード極（燃料極）
１２ 第３空気ブロワ
１３ 空気加熱熱交換器
１５ 改質装置
１５ａ 燃料改質器
１５ｂ 改質器加熱器
１６ 燃料循環ブロワ
１７ 第１空気ブロワ
１８ 燃料ポンプ
１９ 循環量調整バルブ
２０ 循環ガス流量計
２１ 温度センサ
２２ 第２空気ブロワ
３１ 制御部
１００ 燃料電池システム
Ｌ１ 排気ガス流路

Claims (4)

1. 改質流路層と、燃料電池のアノード極より排出されるアノード排気ガスの一部が導入されて該改質流路層に導入されるガスを加熱する燃焼バーナ層を備えた改質手段と、
   アノード極に前記改質手段より出力される改質ガスが供給され、カソード極に空気が供給されて発電し、且つ、アノード極に水蒸気が発生する燃料電池と、
   前記改質流路層の温度、または前記改質バーナ温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段にて検出される温度に基づいて、前記燃料電池の改質活性の低下を検出する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記改質手段の改質流路層に燃料を送出する燃料供給手段、及び前記改質手段の改質流路層に空気を送出する第１空気供給手段を含み、
   前記制御手段は、前記燃料電池の改質活性の低下に応じて、前記第１空気供給手段より供給する空気流量と、前記燃料供給手段より供給する燃料流量との比率であるＡ／Ｆを増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池のアノード極より排出されるアノード排気ガスの一部を循環ガスとして前記改質手段へ循環させる循環手段を含み、
   前記制御手段は、前記燃料電池の改質活性の低下に応じて、前記循環手段によるアノード排気ガスの循環量を増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記改質手段の改質流路層に燃料を送出する燃料供給手段、及び前記改質手段の改質流路層に空気を送出する第１空気供給手段と、
   前記燃料電池のアノード極より排出されるアノード排気ガスの一部を循環ガスとして前記改質手段へ循環させる循環手段と、
   前記燃料電池のアノード極より排出されるアノード排気ガスの一部に空気を混合して、前記燃焼バーナ層に供給する第２空気供給手段を含み、
   前記制御手段は、
   前記燃料供給手段により供給する燃料流量（Ｆ）と、前記第２空気供給手段により供給する空気流量（Ｃ_Ａ）との比率であるＦ／Ｃ_Ａと、
   前記循環手段により循環するアノード排気ガスの流量（Ｒ）と前記第２空気供給手段により供給する空気流量（Ｃ_Ａ）との比率であるＲ／Ｃ_Ａと、
   の温度一定条件下での関係に基づいて、前記第１空気供給手段の出力流量、前記燃料供給手段の出力流量、前記循環手段による循環流量、及び前記第２空気手段の出力流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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