JP2014116099A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、従来に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器１と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池１０と、燃料電池１０を通過した水素含有ガスを燃焼し、改質器１を加熱する燃焼器２と、改質器１に原料を供給するための原料供給器３と、燃料電池１０の発電停止後、燃料電池１０への水素含有ガスの供給を継続する際に、発電停止前よりも原料の供給量を低下させる制御器２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池は、例えば、都市ガス等の原料の改質反応で生成される水素含有ガスと、空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により発電が行われる。

ところで、燃料電池の発電停止時に、燃料電池のアノードの水素が不足となることを抑制するために、燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を停止した後に、燃料電池のアノードへの水素含有ガスの供給を停止させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、燃料電池の劣化が抑制される。

特開２００５−２５９６６４号公報

しかし、従来の燃料電池システムの如く、燃料電池の発電停止において、燃料電池への水素含有ガスの供給を継続すると、燃料電池の発電に水素が消費されないため、改質器の温度上昇を招く可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、従来に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムの一態様は、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池を通過した水素含有ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器に原料を供給するための原料供給器と、前記燃料電池の発電停止後、前記燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、前記発電停止前よりも前記原料の供給量を低下させる制御器とを備える。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、従来に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る。

図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 図２は、実施の形態１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施の形態２の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 図４は、実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図５は、実施の形態３の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 図６は、実施の形態３の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７は、実施の形態４の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。

（実施の形態１）
実施の形態１の燃料電池システムは、原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池を通過した水素含有ガスを燃焼し、改質器を加熱する燃焼器と、改質器に原料を供給するための原料供給器と、燃料電池の発電停止後、燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、発電停止前よりも原料の供給量を低下させる制御器とを備える。

かかる構成により、燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、従来に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る。

例えば、制御器は、燃料電池の発電停止後の原料の供給量が、燃料電池の出力下限時に改質器に供給する原料の供給量よりも小さくなるよう、原料供給器を制御してもよい。

これにより、従来に比べ、改質器の温度上昇をより抑制し得る。

［装置構成］
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。

図１に示す例では、本実施の形態の燃料電池システム１００は、改質器１と、燃焼器２と、原料供給器３と、燃料電池１０と、制御器２０とを備える。

改質器１は、原料を用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器１内の改質触媒部（図示せず）において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器１を加熱する燃焼器２の他、水蒸気を生成する蒸発器（図示せず）、及び蒸発器に水を供給する水供給器（図示せず）が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、燃料電池システム１００には、さらに、改質器１に空気を供給する空気供給器（図示せず）が設けられる。また、改質器１で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するためのＣＯ低減器を設けても構わない（図示せず）。ＣＯ低減器は、シフト反応により一酸化炭素を低減させる変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減させるＣＯ除去器との少なくともいずれか一方を備える。

なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含む。

燃焼器２は、燃料電池１０を通過した水素含有ガスを燃焼し、改質器１を加熱する。燃焼器２は、例えば、燃料電池１０の発電に使われなかった水素含有ガス等を燃焼し、改質器１を加熱するバーナ（図示せず）を備えてもよい。また、燃焼器２は、燃焼検知器としてフレームロッド（図示せず）を備えてもよい。

原料供給器３は、改質器１に原料を供給する。原料供給器３は、改質器１に原料を供給できれば、どのようなものであってもよい。例えば、原料供給器３は、改質器１に供給する原料の流量を調整する機器であってもよく、昇圧器と流量調整弁とによって構成されもいいし、これらのいずれか一方によって構成されてもいい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。

燃料電池１０は、水素含有ガスを用いて発電する。燃料電池１０としては、いずれの種類であってもよく、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、及びりん酸形燃料電池等が例示される。

制御器２０は、燃料電池１０の発電停止後、燃料電池１０への水素含有ガスの供給を継続する際に、発電停止前よりも原料の供給量を低下させる。制御器２０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器２０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されてもいいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されてもいい。

［動作］
図２は、実施の形態１の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器２０の制御により実行される。

燃料電池１００の運転中の動作においては、改質器１で生成した水素含有ガスを燃料電池１０に供給し、これにより、燃料電池１０は、水素含有ガスを用いて発電する。

燃料電池システム１００の停止動作においては、燃料電池１０の発電停止が行われる（ステップＳ１）。燃料電池１０の発電停止は、例えば、燃料電池１０の出力を負荷と切り離すことにより行われる。また、燃料電池１０への酸化剤ガス（例えば、空気）の供給停止する（ステップＳ２）。

そして、燃料電池１０の発電停止後、燃料電池１０への水素含有ガスの供給を継続する際に、燃料電池１０の発電停止前よりも原料の供給量を低下させる（ステップＳ３）。本ステップでの原料の供給量は、燃料電池の発電停止前よりも低下していれば、任意である。一例として、制御器２０は、燃料電池１０の発電停止後の原料の供給量が、燃料電池１０の出力下限時に改質器１に供給する原料の供給量よりも小さくなるよう、原料供給器３を制御してもよい。

その後、所定時間が経過したら、原料の供給が停止する（ステップＳ４）。

本実施の形態では、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給停止後、燃料電池１０への水素含有ガスの供給により、燃料電池１０のカソード側（空気極）の酸素が消費される。よって、燃料電池１０の発電停止後にカソード側が瞬時に高電位になり燃料電池１０のカソード極が酸化劣化することを抑制できる。

一方、燃料電池１０の発電で消費されていた水素が、燃料電池１０の発電停止後には燃焼器２に供給される。このため、燃焼器２での水素燃焼によって改質器１の温度が上昇する。しかし、本実施の形態では、上記のとおり、改質器１への原料の供給量を燃料電池１０の発電停止前よりも低下させている。よって、本実施の形態の燃料電池システム１００は、従来に比べ、改質器１の温度上昇を抑制し得る。

（実施の形態２）
実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムにおいて、改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器を備え、制御器は、燃料電池の発電停止前よりもＳ／Ｃが増加するよう、水蒸気供給器を制御する。

かかる構成により、燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、燃料電池の発電停止前よりもＳ／Ｃ（スチーム・カーボン比）が増加する。よって、燃料電池の発電停止前よりもＳ／Ｃ（スチーム・カーボン比）が増加させない場合に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る。

本実施の形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施の形態１の燃料電池システムと同様であってもよい。

［装置構成］
図３は、実施の形態２の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。

図３に示す例では、本実施の形態の燃料電池システム１００は、改質器１と、燃焼器２と、原料供給器３と、水蒸気供給器４と、燃料電池１０と、制御器２０とを備える。

改質器１、燃焼器２、原料供給器３及び燃料電池１０については、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

水蒸気供給器４は、改質器１に水蒸気を供給する。水蒸気供給器４は、改質器１に水蒸気を供給できればどのようなものであってもよい。例えば、水蒸気供給器４は、水蒸気を生成する蒸発器（図示せず）及び蒸発器に水を供給する水供給器（図示せず）を備えてもよい。

制御器２０は、燃料電池１０の発電停止前よりもＳ／Ｃが増加するよう、上記の水蒸気供給器４を制御する。

［動作］
図４は、実施の形態２の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器２０の制御により実行される。

本実施の形態では、制御器２０が、燃料電池１０の発電停止前よりも原料の供給量を低下させるとともに（ステップＳ３）、燃料電池１０の発電停止前よりもＳ／Ｃが増加するよう、水蒸気供給器４を制御する（ステップＳ５）。

燃料電池１０の発電停止前よりもＳ／Ｃを増加させるよう改質器１に水蒸気を供給量を調整すると、Ｓ／Ｃを変化させない場合に比べて、改質器１内を通過するガス量が増加する。従って、改質器１より持ち出される熱量が増加し、改質器１の温度上昇を抑制できる。よって、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池の発電停止前よりもＳ／Ｃ（スチーム・カーボン比）が増加させない場合に比べ、改質器１の温度上昇を抑制し得る。

なお、本実施の形態において、上記の点以外は、実施の形態１の燃料電池システム１００の動作と同じ動作が行われてもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態１及び実施の形態２のいずれかの燃料電池システムにおいて、燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器を備え、制御器は、燃料電池の発電停止前よりも空気比が大きくなるよう、空気供給器を制御する。

かかる構成により、燃料電池の発電停止前よりも空気比が大きくなることで、改質器を加熱する燃焼排ガスの温度が低下する。よって、燃料電池の発電停止前よりも空気比を大きくしない場合に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る。

本実施の形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施の形態１及び実施の形態２のいずれかの燃料電池システムと同様であってもよい。

［装置構成］
図５は、実施の形態３の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。

図５に示す例では、本実施の形態の燃料電池システム１００は、改質器１と、燃焼器２と、原料供給器３と、空気供給器５と、燃料電池１０と、制御器２０とを備える。

改質器１、燃焼器２、原料供給器３及び燃料電池１０については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

空気供給器５は、燃焼器２に燃焼空気を供給する。空気供給器５は、燃焼器２に燃焼空気を供給できればどのようなものであってもよい。例えば、空気供給器５は、燃焼ファンであってもよい。

制御器２０は、燃料電池１０の発電停止前よりも空気比が大きくなるよう、空気供給器５を制御する。

なお、図５では、実施の形態１の燃料電池システム１００に、空気供給器５を配置する例を図示しているが、これに限らない。実施の形態２の燃料電池システム１００に、空気供給器５を配置してもよい。

［動作］
図６は、実施の形態３の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器２０の制御により実行される。

本実施の形態では、制御器２０が、燃料電池１０の発電停止前よりも原料の供給量を低下させるとともに（ステップＳ３）、燃料電池１０の発電停止前よりも空気比が大きくなるよう、空気供給器５を制御する（ステップＳ６）。

燃焼器２に燃焼空気を供給するとき、空気比を大きくすると、空気の冷却効果により燃焼排ガスの温度が低下し、改質器１の温度上昇が抑制される。よって、本実施の形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０の発電停止前よりも空気比を大きくしない場合に比べ、改質器１の温度上昇を抑制し得る。

なお、本実施の形態において、上記の点以外は、実施の形態１及び実施の形態２のいずれかの燃料電池システム１００の動作と同じ動作が行われてもよい。

（実施の形態４）
実施の形態４の燃料電池システムは、実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３のいずれかの燃料電池システムにおいて、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、改質器で生成された水素含有ガスの一部を水添脱硫器に供給される原料に供給するためのリサイクル流路とを備える。

かかる構成により、燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、リサイクル流路を流れる水素含有ガスが改質器に供給される。よって、従来に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る。

本実施の形態の燃料電池システムは、上記の点以外は、実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３のいずれかの燃料電池システムと同様であってもよい。

［装置構成］
図７は、実施の形態４の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。

図７に示す例では、本実施の形態の燃料電池システム１００は、改質器１と、燃焼器２と、原料供給器３と、水添脱硫器６と、リサイクル流路７と、燃料電池１０と、制御器２０とを備える。

改質器１、燃焼器２、原料供給器３、燃料電池１０及び制御器２０については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

水添脱硫器６は、原料中の硫黄化合物を除去する。具体的には、水添脱硫器６は、容器に水添脱硫剤が充填され、この水添脱硫剤を用いて、改質器１に供給される原料中の硫黄化合物が除去される。水添脱硫剤は、例えば、原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成される。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、例えば、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒のみで構成されても構わない。

リサイクル流路７は、改質器１で生成された水素含有ガスの一部を水添脱硫器６に供給される原料に供給するための流路である。リサイクル流路７の上流端は、改質器１より送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていても構わない。例えば、改質器１の下流に水素含有ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ低減器を設けた場合、リサイクル流路７の上流端は、改質器１とＣＯ低減器との間の流路に接続されていてもいいし、ＣＯ低減器に接続されていてもいいし、ＣＯ低減器の下流に接続されていてもいい。なお、ＣＯ低減器が、シフト反応により一酸化炭素を低減する変成器と、酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により一酸化炭素を低減するＣＯ除去器とを備える場合、リサイクル流路７の上流端を変成器とＣＯ除去器との間の流路に接続するよう構成しても構わない。

本実施の形態では、燃料電池１０の発電停止後、改質器１から出た水素含有ガスの一部が、リサイクル流路７を経て改質器１に供給される。

これにより、リサイクル流路７から水添脱硫器６に流入し、水添脱硫器６で消費されず改質器１を通過する水素含有ガスにより改質器１の熱が一部持ち出される。また、改質器１から出た水素含有ガスの一部が、燃料電池１０に供給されず、リサイクル流路７に流入するので、燃料電池１０を通過し、燃焼器２へ供給される水素含有ガスの供給量が少なくなる。よって、本実施の形態の燃料電池システム１００は、水素含有ガスの一部を水添脱流用に利用しない場合に比べ、改質器１の温度上昇を抑制し得る。

なお、図７では、実施の形態１の燃料電池システム１００に、水添脱硫器６及びリサイクル流路７を配置する例を図示しているが、これに限らない。実施の形態２の燃料電池システム１００または実施の形態３の燃料電池システム１００に、水添脱硫器６及びリサイクル流路７を配置してもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の一態様は、燃料電池の発電停止後において燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、従来に比べ、改質器の温度上昇を抑制し得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。

１ 改質器
２ 燃焼器
３ 原料供給器
１０ 燃料電池
２０ 制御器
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 原料を用いて水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、燃料電池を通過した水素含有ガスを燃焼し、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記改質器に原料を供給するための原料供給器と、前記燃料電池の発電停止後、前記燃料電池への水素含有ガスの供給を継続する際に、前記発電停止前よりも前記原料の供給量を低下させる制御器とを備える燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記燃料電池の発電停止後の前記原料の供給量が、前記燃料電池の出力下限時に前記改質器に供給する原料の供給量よりも小さくなるよう、前記原料供給器を制御する、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記改質器に水蒸気を供給する水蒸気供給器を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電停止前よりもＳ／Ｃが増加するよう、前記水蒸気供給器を制御する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃焼器に燃焼空気を供給する空気供給器を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電停止前よりも空気比が大きくなるよう、前記空気供給器を制御する、請求項１−３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記改質器で生成された水素含有ガスの一部を前記水添脱硫器に供給される原料に供給するためのリサイクル流路とを備える、請求項１−４のいずれかに記載の燃料電池システム。

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