JP2016035938A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼触媒部に供給される処理ガスの温度と燃焼触媒部から排出される処理ガスの温度に基づいて燃焼触媒部での触媒の劣化を安価に検知する。【解決手段】コントローラ５３に、温度差算出手段５４および触媒劣化判定手段５５を備え、コントローラ５３に、開閉弁７と、空気の供給および停止を行う流量調整可能な給気弁１９と、改質器１への改質水の供給および停止を行う流量調整可能な給水弁２０と、触媒劣化を報知するブザー２１を接続する。温度差算出手段５４で、入口温度センサ５１で計測された入口温度と出口温度センサ５２で計測された出口温度との差を求め、その求めた温度差と設定値とを触媒劣化判定手段５５で比較し、出力温度差が設定値以下のときに触媒が劣化したと判断し、開閉弁７、給気弁１９および給水弁２０を閉じ、発電を停止するとともにブザー２１を起動して触媒劣化を報知する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させる改質器と、その改質器からの改質ガスと空気とを反応させて発電するセルスタックと、セルスタックから排出されるオフガスを燃焼するオフガス燃焼部と、そのオフガス燃焼部で燃焼しなかった残留物を含有する処理ガスを燃焼処理する燃焼触媒部とを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。

この種の固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックから排出されるオフガスをオフガス燃焼部で燃焼させ、その燃焼に伴って発生する排熱を改質器での改質に利用するようにしている。
また、オフガス燃焼部から排出される処理ガス中には、微量の一酸化炭素や炭化水素などの燃焼しなかった残留物が含有され、それらの残留物を含有する処理ガスを燃焼触媒部で燃焼処理するようにしている。

従来、燃料電池からのオフガスを燃焼器に供給し、その燃焼器から排出される燃焼排ガスの経路に、一酸化炭素濃度も検知可能な接触燃焼式の可燃ガスセンサなどの可燃ガス検知器を設け、原料ガスの組成の相違によって発熱量が異なって燃焼排ガスの温度が相違することに着目して原料ガスの組成を判定できるようにしたものがあった。
また、判定した原料ガスの組成に基づき、最適なＳ／Ｃ値（原料ガス中に含まれる炭素原子数と水蒸気中の水分子との比）と、燃焼器に供給される可燃ガス量に対する燃焼空気量の比率を設定し、原料ガス供給器、水供給器、燃焼空気供給器の操作量を制御するようにしている（特許文献１参照）。

特開２００９−２１２０４０号公報

前述燃焼触媒部において、異常高温が生じた場合とか、改質器からセルスタックに多量の水素や一酸化炭素が供給されて残留物中の可燃物量が多くなって高温燃焼する場合などに起因して触媒が熱劣化することがあった。また、燃焼空気中に混じった硫黄や珪素などの不純物が触媒の表面に付着して早期に活性が低下することがあった。燃焼触媒部で触媒が劣化すると、有害ガスが大気中に放出されてしまう不都合があった。

特許文献１のものでは、燃料電池から排出されるオフガスを燃焼器で燃焼処理すること、その燃焼器から排出される燃焼排ガスの経路に可燃ガス検知器を設けて原料ガスの組成を判定することが開示されているが、触媒の劣化を検知するものでは無い。
従来、燃焼触媒部に供給されるオフガスに含有される水素や一酸化炭素の量が微量のため、燃焼触媒部での触媒の早期劣化については何ら考慮されていなかったのが実情であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃焼触媒部に供給される処理ガスと排出される処理ガスの温度差に基づいて燃焼触媒部での触媒の劣化を安価に検知できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させる改質器と、前記改質器からの改質ガスと空気とを反応させて発電するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼するオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部で燃焼しなかった残留物を含有する処理ガスを燃焼処理する燃焼触媒部と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記燃焼触媒部に供給される処理ガスの温度を計測する入口温度センサと、
前記燃焼触媒部から排出される処理ガスの温度を計測する出口温度センサと、
前記入口温度センサで計測された入口温度と前記出口温度センサで計測された出口温度との差を求める温度差算出手段と、
前記温度差算出手段で求めた温度差が設定値以下のときに触媒が劣化したと判断する触媒劣化判定手段と、
を備えたことを特徴としている。

請求項１に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムの構成によれば、次のような作用・効果を有している。
すなわち、燃焼触媒部の触媒が劣化した場合、燃焼触媒部での燃焼が不充分になるため、燃焼触媒部から排出される処理ガスの温度が高くならないことに着目し、燃焼触媒部に供給される処理ガスと排出される処理ガスの温度差に基づき、その温度差が設定値以下のときに劣化したと判断する。
したがって、ふたつの温度センサによって燃焼触媒部の入口と出口で処理ガスの温度を計測することで触媒の劣化を判断することができ、例えば、燃焼触媒部から排出される排ガス中の一酸化炭素の濃度を測定して触媒が劣化していることを判定しようとする場合に比べ、極めて安価な温度センサを用いて触媒の劣化を判定でき、燃焼触媒部での触媒の劣化を安価に検知できる。
また、一酸化炭素の濃度を測定するセンサの場合、そのセンサ自体が燃焼触媒部での高温により熱劣化していても一酸化炭素の濃度が測定されないことで正常であると誤判断し、燃焼触媒部の触媒が劣化したままの状態が不測に継続する虞があるが、温度センサであれば、温度が計測されなければセンサの異常であると即座にわかり、燃焼触媒部の触媒が劣化したままの状態が不測に継続することを回避でき、極めて有用である。
しかも、燃焼触媒部に供給される処理ガスと排出される処理ガスの温度差に基づいて劣化を判断するから、システムの運転状態において、不測に多量の不純物が混入して触媒が急激に劣化したような場合でも劣化を検知でき、有用である。

請求項２に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムは、
前記触媒劣化判定手段で触媒が劣化したとの判定に基づいて触媒劣化を報知する触媒劣化報知手段を備えていることを特徴としている。

（作用・効果）
請求項２に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムの構成によれば、触媒が劣化したことを知ることができ、それに基づいてシステムの運転停止や発電の停止などを促し、更には、触媒の交換を促すなど適切に対処して、燃焼触媒部の触媒が劣化したままの状態が不測に継続することを迅速に回避することができる。

請求項３に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムは、
前記触媒劣化判定手段で触媒が劣化したとの判定に基づいて前記セルスタックによる発電を停止する発電停止手段を備えていることを特徴としている。
ここでの発電停止手段は、触媒が劣化したとの判定に基づいてセルスタックによる発電を即座に停止する場合に限らず、触媒が劣化したとの判定後、セルスタックやモジュールの温度が所定温度以下になってからセルスタックによる発電を停止するように構成する場合も含む。

（作用・効果）
請求項３に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムの構成によれば、触媒が劣化したときに発電を自動的に停止し、燃焼触媒部の触媒が劣化したままの状態が不測に継続することを確実に回避することができる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの実施例の燃料電池の概略構成を示す全体構成図である。 実施例のシステム構成を示すブロック図である。 実施例の要部の構成を示すブロック図である。 実施例の制御構成を示すブロック図である。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの実施例の燃料電池の概略構成を示す全体構成図であり、改質器１とセルスタック２とを内包するモジュール３に、燃焼触媒部４と熱交換器５が付設され、固体酸化物形燃料電池が構成されている。
燃焼触媒部４は、ハニカムやボールなどにプラチナなどの触媒を担持させて構成されている。

改質器１には、図２の固体酸化物形燃料電池システムのシステム構成のブロック図に示すように、脱硫器６が接続され、その脱硫器６に、開閉弁７および流量可変型の燃料ポンプ８を介して燃料ガスが供給されるように構成され、セルスタック２にはインバータなどのパワーコンディショナー９が接続されている。
これにより、燃料ガス中の付臭成分である硫黄分を除去した後に改質器１に供給し、燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させ、セルスタック２において改質ガスと空気とを反応させて発電し、発電電力をパワーコンディショナー９で安定した交流電流にして出力するようになっている。

セルスタック２と燃焼触媒部５との間にオフガス燃焼部１０が介装され、セルスタック２から排出されるオフガスを燃焼し、更に、オフガス燃焼部１０で燃焼しなかった微量の一酸化炭素や未燃の炭化水素といった残留物を含有する処理ガスを燃焼触媒部４で燃焼処理し、一酸化炭素や未燃の炭化水素などの有害成分を除去するようになっている。
熱交換器５では、オフガス燃焼部１０から燃焼触媒部４を通じて排出される高温排気ガスの熱を回収し、その回収排熱を改質器１などに供給するようになっている。

図３は、実施例の要部の構成を示すブロック図、図４は実施例の制御構成を示すブロック図であり、燃焼触媒部４の入口側に、そこに供給される処理ガスの温度を計測する入口温度センサ５１が設けられ、一方、燃焼触媒部４の出口側に、そこから排出される処理ガスの温度を計測する出口温度センサ５２が設けられている。
入口温度センサ５１および出口温度センサ５２がコントローラ５３に接続されている。

コントローラ５３には、温度差算出手段５４および触媒劣化判定手段５５が備えられ、コントローラ５３に、開閉弁７と、空気の供給および停止を行う流量調整可能な給気弁１９と、改質器１への改質水の供給および停止を行う流量調整可能な給水弁２０と、触媒劣化を報知する触媒劣化報知手段としてのブザー２１が接続されている。

温度差算出手段５４では、入口温度センサ５１で計測された入口温度と出口温度センサ５２で計測された出口温度との差を求めるようになっている。
触媒劣化判定手段５５では、温度差算出手段５４で求めた温度差と設定値とを比較し、出力温度差が設定値以下のときに触媒が劣化したと判断し、この判定に基づいて開閉弁７、給気弁１９および給水弁２０を閉じ、発電を停止するようになっている。
また、触媒劣化判定手段５５で触媒が劣化したとの判定に基づいてブザー２１を起動し、触媒劣化を報知するようになっている。

上記触媒劣化判定手段５５で触媒が劣化したと判断し、発電を停止する場合、即時に発電を停止させても良いが、セルスタック２の温度が高いままで冷却が停止してしまうとその支持体が損傷する虞があり、それを回避するために、触媒が劣化したと判断した後、セルスタック２の温度が所定温度まで低下するであろう所定時間経過後に発電を停止するように構成しても良く、このような構成、ならびに、前述の触媒が劣化したとの判定に基づいて開閉弁７、給気弁１９および給水弁２０を閉じ、発電を停止する構成をして発電停止手段と称する。

上述触媒劣化判定手段５５で温度差と比較する設定値としては、特定の温度差でも良いが、例えば、温度差算出手段５４に入力される入口温度センサ５１からの入口温度の５％や１０％などの値を用いるようにしても良い。

この実施例の構成によれば、燃焼触媒部４の触媒が劣化した場合、燃焼触媒部４での燃焼が不充分になるため、燃焼触媒部４から排出される処理ガスの温度が高くならず、燃焼触媒部４に供給される処理ガスと排出される処理ガスの温度差が小さくなることに着目し、温度差が設定値以下のときに触媒が劣化したと判断するように構成している。
燃焼触媒部４の触媒の劣化を判断するために、ふたつの温度センサ５１、５２を必要としているが、温度センサ自体極めて安価であり、一酸化炭素濃度を測定する濃度センサを用いる場合に比べて安価に構成できる。
しかも、システムの運転状態であって、不測に多量の不純物が混入して触媒が急激に劣化したような場合でも劣化を検知できる。

上記実施例では、発電停止手段と触媒劣化報知手段の両方を設けるようにしているが、いずれか一方だけを設けるものでも良い。

１…改質器
２…セルスタック
４…燃焼触媒部
１０…オフガス燃焼部
２１…ブザー（触媒劣化報知手段）
５１…入口温度センサ
５２…出口温度センサ
５４…温度差算出手段
５５…触媒劣化判定手段

Claims (3)

1. 燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させる改質器と、前記改質器からの改質ガスと空気とを反応させて発電するセルスタックと、前記セルスタックから排出されるオフガスを燃焼するオフガス燃焼部と、前記オフガス燃焼部で燃焼しなかった残留物を含有する処理ガスを燃焼処理する燃焼触媒部と、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記燃焼触媒部に供給される処理ガスの温度を計測する入口温度センサと、
   前記燃焼触媒部から排出される処理ガスの温度を計測する出口温度センサと、
   前記入口温度センサで計測された入口温度と前記出口温度センサで計測された出口温度との差を求める温度差算出手段と、
   前記温度差算出手段で求めた温度差が設定値以下のときに触媒が劣化したと判断する触媒劣化判定手段と、
   を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記触媒劣化判定手段で触媒が劣化したとの判定に基づいて触媒劣化を報知する触媒劣化報知手段を備えている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記触媒劣化判定手段で触媒が劣化したとの判定に基づいて前記セルスタックによる発電を停止する発電停止手段を備えている請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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