JP2013084456A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】システムは、燃料電池1と、原料ガスを改質器2Aに供給させる原料ガス通路6と、ガス搬送源60と、脱硫器100と、脱硫器100に供給される原料ガスの露点または湿度に関する物理量を検知するセンサ510とを有する。制御部100Xは、基準時期からの燃料電池システムの累積運転時間に関する物理量Aと、規定露点または規定湿度以上の原料ガスが原料ガス通路6を介して基準時期から脱硫器100に供給された累積運転時間に関する物理量B(物理量Bは物理量Aと同一単位の物理量)とに基づいて、脱硫器100のメンテナンスに関するメンテナンス情報を報知する。
【選択図】図1
Description
制御部は、基準時期からの燃料電池システムの累積運転時間に関する物理量Aと、規定露点以上または規定湿度以上の原料ガスが原料ガス通路を介して基準時期から脱硫器に供給された累積運転時間に関する物理量B(物理量Bは物理量Aと同一単位の物理量)とに基づいて、脱硫器のメンテナンスに関するメンテナンス情報を報知する。規定露点または規定湿度はシステムに応じて任意に設定できる。
図1〜図5は実施形態1を示す。図1に示すように、燃料電池システムは、アノード10およびカソード11を有する燃料電池1と、燃料電池1のカソード11にカソードガス(空気等の酸素含有ガス)を供給するカソードガス通路70と、原料ガスを改質させてアノードガス(水素含有ガスまたは水素ガス)を生成させる改質器2Aと、原料ガスを脱硫させた状態で改質器2Aに供給させるガス搬送源として機能するポンプ60を有する原料ガス通路6と、改質器2Aで生成されたアノードガスを燃料電池1のアノード10に供給させるアノードガス通路73と、アノードガス通路73、改質器2Aおよび燃料電池1を収容する断熱壁19とを有する。発電モジュール18は、改質器2A、燃料電池1、断熱壁19で形成されている。改質用の水または水蒸気が供給させる給水通路8が改質器2Aに接続されている。改質器2Aは、水蒸気を生成させる蒸発部と、水蒸気を用いて燃料を改質させる改質部とを含む。
(i)原料ガスの露点がt1℃以下の場合…原料ガスの露点が低いため、原料ガスの水蒸気量が極く少ないため、脱硫剤の残寿命は長い。この場合、図2の領域M1として示すように、第1回の定期メンテナンスm1の時点ではΔTeの残寿命がある。第2回の定期メンテナンスm2の時点ではΔTfの残寿命がある。従って、第1回の定期メンテナンスm1、第2回の定期メンテナンスm2の時点では、脱硫剤を交換しない。第3回の定期メンテナンスm3で脱硫剤を交換する。このようにT3年にわたりノーメンテナンスで、脱硫剤を交換しない。
(ii)原料ガスの露点がt1℃〜t2℃の場合…原料ガスの水蒸気量がやや多い。この場合、図2の領域M2として示すように、第2回の定期メンテナンスm2では、脱硫剤はΔTaの残寿命しかもたない。ΔTaは残寿命T1年以下であるため、第1回の定期メンテナンスm1では脱硫器100を交換しないものの、第2回の定期メンテナンスm2のとき、脱硫剤を交換する。
(iii)原料ガスの露点がt2℃〜t3℃の場合…この場合、原料ガスの水蒸気量が多い。図2の領域M3として示すように、第1回の定期メンテナンスm1に脱硫剤を交換する。その理由としては、第1回の定期メンテナンスm1の時点では脱硫剤の残寿命がΔTdしかない。ΔTdは基本的には残寿命T1年以下であり、第2回の定期メンテナンスm2まで持たない。このため、第1回の定期メンテナンスm1に脱硫剤を交換する。
(iv)露点がt3℃以上の場合…原料ガスの露点が高いため、原料ガスに含まれる水蒸気量がかなり多い。この場合、図2の領域M4として示すように、第1回の定期メンテナンスm1が到達する前に脱硫器100を個別で交換する。
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および作用効果を有し、図1〜図5を準用できる。物理量A1と物理量B1との比(B1/A1)に基づいて、制御部100Xは、メモリ100mまたは演算式から、(B1/A1)に基づく総残寿命時間αsumを求め、総残寿命時間αsumから、基準時期から今までの合計累積運転時間αtotalを引いた値を残寿命(αsum−αtotal)とする。ここで、B1/A1と総残寿命時間αsumとの関係は、制御部100Xのメモリ100mのエリアに格納されている。または演算式に基づいて求めても良い。
本実施形態は実施形態1,1Bと基本的には同様の構成および作用効果を有し、図1〜図5を準用できる。物理量A1と物理量B1との比(B1/A1)に基づいて、制御部100Xは、メモリ100mまたは演算式に基づいて、総残寿命時間αsumを求め、総残寿命時間αsumから、今までの合計累積運転時間αtotalを引いた値を残寿命(αsum−αtotal)とする。ここで、B1/A1と総残寿命時間αsumとの関係は、制御部100Xのメモリ100mのエリアに格納されている。
本実施形態は実施形態1,1B,1Cと基本的には同様の構成および作用効果を有する。制御部100Xは、物理量A2(物理量Aに相当)として、基準時期からの燃料電池システムの合計累積運転時間において流れた原料ガスの累積流量を用いる。これは、流量計300と、時間計測機能をもつ制御部100Xとで測定できる。物理量A2は、脱硫器100の残寿命途中における原料ガスの露点の上昇を特に考慮していない。更に、制御部100Xは、物理量B2として、規定露点以上の原料ガスが原料ガス通路6を介して累積運転時間において脱硫器100に供給された原料ガスの累積流量を用いる。流量は体積流量でも良いし、質量流量でも良い。露点は露点計510で検知される。流量は流量計300で検知される。
図6は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態1,1B,1Cと基本的には同様の構成および作用効果を有する。図6に示すように、第1脱硫器100は、相対的に高温の環境(例えば50℃以上、220℃以下の温度環境)に設置されており、具体的には、発電モジュール18の断熱壁19から受熱(熱伝導、輻射熱の受熱)できるように、断熱壁19の外壁面に接触または接近状態で隣設されて配置されている。第1脱硫器100は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第1脱硫剤を収容する。第1脱硫剤としては、ゼオライトが挙げられるが、銀や銅等の金属を担持したゼオライト、活性炭等の多孔質材料でも良い。第2脱硫器200は、第1環境よりも相対的に低温(例えば0〜50℃未満)の第2環境に設置されており、高温の発電モジュール18から離間して配置されている。第2脱硫器200の第2脱硫剤は、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつ。第2脱硫器200では、相対的に高露点の原料ガス(水蒸気が相対的に多い)に対して、相対的に低露点の原料ガス(水蒸気が相対的に少ない)よりも脱硫性能を低下させる。このような第2脱硫剤としてはゼオライトが挙げられる。
図7および図8は実施形態4を示す。本実施形態は上記実施形態と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図1または図6を準用できる。図7および図8は制御部100Xが実行する制御則の一例を示す。図7に示すように、まず、制御部100Xは、燃料電池システムが運転している合計累積運転時間αtotal(一般的には、システムの起動スイッチオンから停止スイッチまでにおいて原料ガスが脱硫器を介して供給されている時間を累積させた合計累積時間に相当し,原料ガスが供給されない待機時間を含まず)用のタイマカウンタをインクリメントし(ステップS80)、露点計510の検知結果を読み込む(ステップS82)。更に、検知された原料ガスの露点について高露点(Th℃以上)、中露点(Th℃未満でTm以上)、低露点(Tm未満)を分類する(ステップS84)。高露点であれば、高露点の累積運転時間αhigh用のタイマカウンタをインクリメントする(ステップS86)。中露点であれば、中露点の累積運転時間αmiddle用のタイマカウンタをインクリメントする(ステップS88)。低露点であれば、低露点の累積運転時間αlow用のタイマカウンタをインクリメントする(ステップS90)。αtotalは、基本的には、αhigh+αmiddle+αlowとなる。判定のハンチングを防止するように所定時間のタイムアップまで待機する(ステップS92)。
図9は実施形態5を示す。本実施形態は上記実施形態4と基本的には同様の構成、制御則および作用効果を有するため、図1または図6を準用できる。図9に示すフローチャートは、図8に示すフローチャートと基本的に共通するため、異なる部分を中心として説明する。ステップS102において、制御部100Xは、高露点用の累積運転時間αhighと合計累積運転時間αtotalとの比、即ち、αhigh/αtotalの値β1を求める。更に、中露点用の累積運転時間αmiddleと合計累積運転時間αtotalとの比、即ち、αmiddle/αtotalの値β2を求める。β1は、システムの合計累積運転時間αtotalにおいて、高露点以上の原料ガスが流れた頻度に相当する。β2は、システムの合計累積運転時間αtotalにおいて、中露点以上の原料ガスが流れた頻度に相当する。
ステップS116において、制御部100Xは、合計累積運転時間αtotalの前半期(αtotalの中間点よりも前半期)において、高露点用の累積運転時間αhighが集中的に現れているかを判定する。この場合、合計累積運転時間αtotalの前半期の原料ガスが高露点であったとしても、合計累積運転時間αtotalの後半期(αtotalの中間点より後半期)において低露点に復帰(例えば、老朽化した配管を復旧させた等により)した場合には脱硫器の脱硫寿命の回復が期待できるため、脱硫器の残寿命は補正されてやや長くされる。具体的には、制御部100Xは、高露点用の総寿命時間αsum-high(例えばT5万時間)から、高露点用の累積運転時間αtotalを引いた値を仮残寿命τaとし、τaにΔτ1を補正により加算して残寿命τとする(ステップS118)。τaに補正係数を乗算としても良い。
図10は実施形態6を示す。本実施形態は上記実施形態と基本的には同様の構成、制御則および作用効果を有するため、図1または図6を準用できる。本実施形態によれば、基準時期からの燃料電池システムの累積運転時間に関する物理量Aと、規定露点以上または規定湿度以上の原料ガスが原料ガス通路6を介して基準時期から脱硫器100に供給された累積運転時間に関する物理量B(物理量Bは物理量Aと同一単位の物理量)とが用いられる。物理量A,Bとしては、累積運転時間それ自体、あるいは、その累積運転時間に流れた原料ガスの流量(質量体積または流量体積)とする。図10に示すように、物理量A,Bと、脱硫剤の残寿命との関係は、制御部100Xのメモリ100mのエリアにマップとして格納されている。このように物理量A,Bが求まれば、脱硫剤の残寿命τ(τ11,τ12,τ13……,τ21,τ22,τ23……)が求まる。
図11は上記した実施形態を適用する適用形態の一例を示す。図11に示すように、燃料電池システムは、燃料電池1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に供給される液相状の水を溜めるタンク4と、これらを収容する筐体5とを有する。燃料電池1は、イオン伝導体を挟むアノード10とカソード11とをもち、例えば、SOFCとも呼ばれる固体酸化物タイプ(運転温度:例えば400℃以上)とされている。改質部3は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部2に隣設されている。改質部3および蒸発部2は改質器2Aを構成しており、燃料電池1と共に断熱壁19で包囲され、発電モジュール18を形成している。発電モジュール18内には、改質部3,蒸発部2を加熱する燃焼部105が設けられている。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。起動時には、燃焼部105は、アノード10から供給された燃料を、カソード11から供給されたカソードガスで燃焼させ、蒸発部2および改質部3を加熱させる。発電運転時には、燃焼部105はアノード10から排出されたアノード排ガスを、カソード11から排出されたカソード排ガスで燃焼させ、蒸発部2および改質部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、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。改質部3の温度を検知する温度センサ33が設けられている。着火させるヒータである着火部35が燃焼部105に設けられている。着火部35は燃料に着火できるものであれば何でも良い。外気の温度を検知する外気温度センサ57が設けられている。温度センサ33,57の信号は制御部100Xに入力される。制御部100Xは警報器102に警報を出力する。
(1)…CH4+2H2O→4H2+CO2
CH4+H2O→3H2+CO
生成されたアノードガスはアノードガス通路73を介して燃料電池1のアノード10に供給される。更にカソードガス(酸素含有ガス、筐体5内の空気)がカソードガス通路70を介して燃料電池1のカソード11に供給される。これにより燃料電池1が発電する。燃料電池1で排出された高温の排ガスは、排ガス通路75を介して筐体5の外方に排出される。
本発明は上記し且つ図面に示した各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。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良い。要するに、原料ガスを脱硫させる脱硫器を有する燃料電池システムであれば良い。原料ガスも特に制限されず、硫黄化合物を含むガスが挙げられ、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、LPGガス、CNGガス等を例示できる。露点センサ510が用いられているが、原料ガスの絶対湿度または相対湿度を検知する湿度センサを用いても良い。場合によっては、図1においてバッファ400、チャッキ弁500を廃止することもできる。
Claims (6)
- アノードガスが供給されるアノードおよびカソードガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、原料ガスを改質させて前記アノードガスを生成させる改質器と、前記原料ガスを前記改質器に供給させる原料ガス通路と、前記原料ガス通路に設けられ前記原料ガスを前記原料ガス通路を介して前記改質器に供給させるガス搬送源と、前記原料ガス通路に設けられ前記原料ガスを脱硫させる脱硫器と、前記脱硫器に供給される前記原料ガスの露点または湿度に関する物理量を検知するセンサと、制御部とを具備する燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
基準時期からの前記燃料電池システムの累積運転時間に関する物理量Aと、規定露点以上または規定湿度以上の原料ガスが前記原料ガス通路を介して前記基準時期から前記脱硫器に供給された累積運転時間に関する物理量B(物理量Bは物理量Aと同一単位の物理量)とに基づいて、前記脱硫器のメンテナンスに関するメンテナンス情報を報知する燃料電池システム。 - 請求項1において、前記制御部は、物理量Aと物理量Bとの比率に関する情報値に基づいて、前記脱硫器のメンテナンスに関するメンテナンス情報を報知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、物理量Aと物理量Bとの比率に関する情報値に基づいて、前記脱硫器の残寿命を求め、前記脱硫器の残寿命の終期が燃料電池システムの次回の定期メンテナンスの時期を超えないときには、前記脱硫器をメンテナンスする前記メンテナンス情報を出力し、
前記脱硫器の残寿命の終期が燃料電池システムの次回の定期メンテナンスの時期を超えるときには、運転許可信号を出力することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1〜3のうちのいずれか一項において、前記基準時期、物理量A,Bをリセットするリセット要素が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1〜4のうちのいずれか一項において、前記脱硫器は、相対的に高温の環境に設置された第1脱硫器と、前記第1脱硫器よりも相対的に低温の環境に設置された第2脱硫器とで形成されており、前記原料ガス通路において、前記第1脱硫器、前記第2脱硫器、流量計の順に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1〜5のうちのいずれか一項において、前記制御部は、システムの累積運転時間αtotalにおいて、規定露点以上の原料ガスが流れた時期に応じて脱硫剤の残寿命を補正することを特徴とする燃料電池システム。
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