JP2019169256A - 高温動作型燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】起動シーケンスにおいて改質器およびセルスタックの過昇温および燃焼部における失火防止が可能な高温作動型燃料電池システムを提供する。【解決手段】高温動作型燃料電池システム100は、改質器7、セルスタック4、原料供給器10、水供給器12、発電用空気を供給する空気供給器11、オフガスを燃焼させセルスタックおよび改質器7を加熱する燃焼部5、着火器8、及び制御器20を備え、制御器20は、起動シーケンスにおいて、オフガスへの着火前に改質器7に原料を供給するように制御するとともに、発電用空気をセルスタック4に供給するように制御し、オフガスへの着火後に改質用水を供給開始して、供給量を段階的に増加させるように制御するとともに、改質用水の供給開始後に発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御を行う。【選択図】図1
Description
本発明は、高温動作型燃料電池システムに関するものであり、特に、高温動作型燃料電池システムの起動シーケンスに関する。
高温動作型燃料電池の一例として、例えば、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下、SOFCと称する)が挙げられる。SOFCは、電解質に酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を配置した構成を有する。このSOFCでは、一方の電極側に、都市ガス(13A)などの原料を改質して得た改質ガスが供給され、他方の電極側に空気などの酸化剤ガスが供給される。そして、SOFCは供給された改質ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素との電気化学反応により発電する。この発電により得られた電力はSOFCの外部に取り出され各種の電力負荷に供給される。また、発電時に熱が生成されるが、この熱は原料、発電用空気、および改質水等の加熱に利用することができる。
また、発電に際して、原料を改質する改質器を、改質反応を可能とする温度となるように加熱する必要がある。また、改質器において水蒸気改質を実施する構成の場合、水を気化させて水蒸気を改質器に供給するための蒸発器も加熱する必要がある。
そこで、燃料電池セルから排出されたオフガスを燃焼させることにより改質器および蒸発器を加熱するSOFCシステムが提案されている(例えば、特許文献1、2)。特許文献1、2に係るSOFCシステム(固体酸化物型燃料電池装置)は、オフガスの燃焼により改質器および蒸発器を加熱する。
本発明は、一例として、起動シーケンスにおいて改質器およびセルスタックの過昇温及び燃焼部における失火を防ぐことができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明に係る高温動作型燃料電池システムの一態様(aspect)は、原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスと発電用空気とを利用して発電するセルスタックと、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、前記改質器に改質用水を供給する水供給器と、前記発電用空気を前記セルスタックに供給する空気供給器と、前記セルスタックから排出されたオフガスを燃焼させ、この燃焼にともなって生じた熱により前記セルスタックおよび前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部において前記オフガスに着火する着火器と、制御器と、を備え、前記制御器は、高温動作型燃料電池システムの起動シーケンスにおいて、前記着火器による前記オフガスへの着火前に、前記原料供給器が前記改質器に前記原料を供給するように制御するとともに、前記空気供給器が前記セルスタックに前記発電用空気を供給するように制御しており、前記着火器によるオフガスへの着火後に、前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給開始して、該改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御するとともに、該水供給器による前記改質用水の供給開始後に、前記空気供給器が前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御する。
本発明は、以上に説明したように構成され、高温動作型燃料電池システムの起動シーケンスにおいて改質器およびセルスタックの過昇温及び燃焼部における失火を防ぐことができるという効果を奏する。
(本発明の一形態を得るに至った経緯)
SOFCシステムが備える改質器において、原料から改質ガスを生成するために行う改質反応は、部分酸化改質反応(POX)、水蒸気改質反応(SR)、及びこれら2つの反応が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が例示できる。POXは、原料と酸素とが反応して改質ガス(水素含有ガス)を生成する発熱反応である。一方、SRは、原料と水蒸気とが反応して改質ガスを生成する吸熱反応である。
SOFCシステムが備える改質器において、原料から改質ガスを生成するために行う改質反応は、部分酸化改質反応(POX)、水蒸気改質反応(SR)、及びこれら2つの反応が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が例示できる。POXは、原料と酸素とが反応して改質ガス(水素含有ガス)を生成する発熱反応である。一方、SRは、原料と水蒸気とが反応して改質ガスを生成する吸熱反応である。
ここで、本発明者らは、上記した特許文献1、2に係るSOFCシステムにおける起動シーケンスについて鋭意検討した。
まず、特許文献1に係るSOFCシステムは、起動シーケンスにおいて、点火装置を用いてセルの上端部から流出するオフガスに点火して、このオフガスの燃焼により改質器及び蒸発器を加熱するように制御する構成である。特許文献1では、このような構成において、オフガスへの点火前に、蒸発器への水供給を開始させる。このように、オフガスへの点火前に、蒸発器への水供給を開始させる構成であるため、オフガスの燃焼により改質器が温度上昇したとしても、この改質器において水蒸気改質が誘発される方向となり、未改質な炭素の発生を抑えることができる。また、仮に未改質炭素が発生しても水蒸気と反応させて、一酸化炭素または二酸化炭素に変化させて除去することができる。これにより、特許文献1に記載されたSOFCシステムでは、セル内と改質触媒に析出炭素が蓄積されることを防ぐことができる構成となっている。
しかしながら、本発明者らは、特許文献1に係るSOFCシステムにおいて、以下の問題が生じることを見出した。
まず、特許文献1に係るSOFCシステムでは、起動シーケンスにおいて、オフガスの燃焼熱によって改質器を昇温させる燃焼工程では、一定流量の発電用空気および改質水が供給されるように制御されている。その後、燃焼工程から第1の水蒸気改質反応工程(SR1)に移行すると、発電用空気の供給量は一定のまま、改質水の供給量が単調増加する。その後、改質器温度センサによる検出温度が約450℃に達すると、第1の水蒸気改質反応工程(SR1)から第2の水蒸気改質反応工程(SR2)へと移行する。ここで、第2の水蒸気改質反応工程(SR2)の初期段階では、発電用空気の供給量が低減される一方で、改質水の供給量が増加されるように制御されている。
ところで、第2の水蒸気改質反応工程(SR2)の開始時には、改質反応がすすんでおり大量の改質ガスが生成されているため、オフガスの燃焼熱が大きくなっているものと考えられる。このような状態で、発電用空気の供給量を低減させると、セルスタックおよび改質器等の被加熱部が過昇温になる可能性があることを見出した。
また、特許文献1に係るSOFCシステムでは、起動シーケンスにおいて、オフガスへの点火前に、蒸発部への水供給を開始するように制御されている。このようなオフガスへの点火前は、まだ蒸発器の温度が低く、水を気化させるためには蒸発器に、例えば、別途、加熱器を設ける等、さらなる部材を付加して熱を与える必要があるという問題がある。
一方、特許文献2に記載されたSOFCシステムでは、蒸発器、改質器、およびセルスタックのうち少なくとも1つに温度センサを備えている。また、制御装置は、その温度センサにより検知される温度が第1所定温度(例えば、改質器内部の温度が80〜120℃程度)に到達する、あるいは燃焼室における燃料ガスの燃焼開始から第1所定時間が経過すると、改質器に供給される燃料ガス中の炭素(C)に対する水蒸気中の水(H2O)のモル比(S/C)が1.0以下、特には0.01〜1.2となるように制御されている。
特許文献2に係るSOFCシステムでは、上記した所定温度(第1所定温度)または所定時間(第1所定時間)によって改質器の温度制御を可能としており、改質触媒の劣化を抑制することができる。
しかしながら、特許文献2に係るSOFCシステムにおいても、特許文献1に係るSOFCシステムと同様に、オフガスへの点火直後における改質器の温度上昇に伴って改質反応が進み、大量に生成された改質ガスによってオフガスの燃焼熱が大きくなると考えられる。しかし、特許文献2に係るSOFCシステムでは、このような燃焼熱の変化を考慮して発電用空気の供給量を制御する構成となっていないため、セルスタックおよび改質器等の被加熱部材が過昇温になる可能性があることを見出した。
そこで、本発明者らは、SOFCシステム等の高温動作型燃料電池システムにおける起動シーケンスを鋭意検討した結果、水蒸気改質反応工程(SR)中において発電用空気の供給量と改質水の供給量を段階的に増加させることで、被加熱部の過昇温および、燃焼器における失火を防ぐことができることを見出した。
特に、着火後のオフガスの火炎の安定性を維持するとともに、炭素析出を防ぐためには改質器に供給する改質反応に用いる改質用水(以下、改質水)の供給量を段階的に増加させることが必要であることを見出し、本発明に至った。
上記した本発明者らの知見は、これまで明らかにされていなかったものであり、顕著な作用効果を奏する新規な技術的特徴を有するものである。そこで、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第1の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスと発電用空気とを利用して発電するセルスタックと、前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、前記改質器に改質用水を供給する水供給器と、前記発電用空気を前記セルスタックに供給する空気供給器と、前記セルスタックから排出されたオフガスを燃焼させ、この燃焼にともなって生じた熱により前記セルスタックおよび前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部において前記オフガスに着火する着火器と、制御器と、を備え、前記制御器は、高温動作型燃料電池システムの起動シーケンスにおいて、前記着火器による前記オフガスへの着火前に、前記原料供給器が前記改質器に前記原料を供給するように制御するとともに、前記空気供給器が前記セルスタックに前記発電用空気を供給するように制御しており、前記着火器によるオフガスへの着火後に、前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給開始して、該改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御するとともに、該水供給器による前記改質用水の供給開始後に、前記空気供給器が前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御する。ここで改質用水とは改質器において実施する改質反応で利用される水である。
上記構成によると、制御器は、改質用水の供給開始後に、空気供給器により発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御するため、燃焼部における燃焼温度を低下させ、改質器およびセルスタックの過昇温を防ぐことができる。
また、制御器は、水供給装置が改質用水の供給開始後、改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御する。つまり、着火後の低温状態から改質用水の供給量を段階的に増加させていく構成である。このため、改質触媒の炭素析出による劣化を抑制しつつ、着火後において、大きな流量の改質用水を一度に供給することがないため燃焼部における失火を防ぐことができる。
よって、高温動作型燃料電池システムの起動シーケンスにおいて改質器およびセルスタックの過昇温および燃焼部における失火を防ぐことができるという効果を奏する。
本発明の第2の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第1の態様において、前記改質器の温度を検知する温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記オフガスへの着火後、前記温度検知器によって検知された改質器の温度が前記改質用水を気化させることができる第1所定温度以上になったとき、前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給開始するように制御する構成であってもよい。
上記構成によると改質器が第1所定温度以上となったときに改質器への改質用水の供給を開始するため、改質用水が気化された状態で改質器に供給されることとなる。このため、改質器において吸熱反応である水蒸気改質反応(SR)を開始させることができるため、改質器の温度が過昇温となるリスクを低減させることができる。
本発明の第3の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第2の態様において、前記改質器は、前記水供給器によって供給された改質用水を気化させる蒸発部を有しており、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第1所定温度以上かつ、前記燃焼部において安定した火炎で燃焼していると判定できる第2所定温度未満であるとき、前記燃焼部における燃焼に関与する空気の空気過剰率が1.2以上、2.3以下の範囲の値となるように、前記空気供給器が該セルスタックに前記発電用空気を供給するように制御するとともに、前記改質器に供給される前記原料中の炭素に対する、前記蒸発部において気化された前記改質用水中の水のモル比が、0.01以上、1.2以下の範囲の値となるように、前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給するように制御するように構成されていてもよい。
ここで、改質器の温度が第1所定温度以上かつ、第2所定温度未満であるというのは、まだ燃焼部における火炎が安定しておらず、改質器がまだ低温状態にあると考えられる。
上記構成によると、改質器が低温状態にあるとき、改質器に供給される原料中の炭素に対する、気化された改質用水中の水のモル比が、0.01以上、1.2以下の範囲の値となるように、水供給器が前記改質用水を供給するように制御されている。つまり、改質器への改質用水の供給量が小さくなるように抑えられており、低温状態にある改質器が有する蒸発部において気化されていない水が溜まることを防ぐことができる。このため、溜まった水によって改質触媒が劣化することを防ぐことができる。
さらにまた、制御器は燃焼部における燃焼に関与する空気の空気過剰率が1.2以上、4.0以下の範囲の値となるように、空気供給器がセルスタックに発電用空気を供給するように制御することで、燃焼部における失火を防ぎつつ、セルスタックの過昇温を防止することができる。
本発明の第4の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第3の態様において、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第2所定温度以上かつ、前記改質器において改質反応が十分に進んだと判定することができる第3所定温度未満であるとき、前記空気供給器が、前記セルスタックに、所定範囲内の流量の発電用空気を供給するように制御するとともに、前記水供給器が、前記改質器に供給する改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御するように構成されてもよい。
ここで第2所定温度以上かつ、第3所定温度未満であるときには、改質器における改質反応が徐々に進み、生成される改質ガスの流量が増加するにつれ燃焼部での燃焼にともない生じる熱量が上昇している状態であると考えられる。
上記構成によると、第2所定温度以上かつ、第3所定温度未満であるときに、制御器は、水供給器が、改質器に供給する改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御するため、吸熱反応である水蒸気改質反応をさらに進めて改質器の過昇温を防ぐことができる。
本発明の第5の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第4の態様において、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第2所定温度以上、かつ前記第3所定温度未満であるとき、前記改質器に供給される前記原料中の炭素に対する、前記蒸発部において気化された前記改質用水中の水のモル比が、1.2以上となるまで、前記水供給器が、前記改質器に供給する改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御するように構成されてもよい。
本発明の第6の態様に係る高温動作型燃料電池システムは、上記した第5の態様において、前記制御器は、前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第3所定温度以上であるとき、前記空気過剰率が1.2以上、6.0以下の範囲の値となるように、前記空気供給器が該セルスタックに供給する前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御するように構成されてもよい。
上記構成によると、燃焼に関与する空気の空気過剰率が1.2以上でかつ6.0以下であるため、燃焼部に当量比よりもやや多めに空気を供給させることができる。このため、燃焼部において不完全燃焼を防ぎ、燃焼を促進させることができる。
以下本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、全ての図を通じて同一または対応する構成部材には同一の参照符号を付して、その説明については省略する場合がある。
なお、本発明の実施形態では、高温動作型燃料電池システムとして発電部に固体酸化物形燃料電池(SOFC)を有するSOFCシステムを例に挙げて説明するがこれに限定されるものではない。例えば、高温動作型燃料電池システムは、発電部に溶融炭酸形燃料電池(MCFC)を有するMCFCシステムなどであってもよく、高温な排熱を有効活用できる燃料電池システムであればよい。
[実施形態]
(SOFCシステムの構成)
図1は、本発明の実施形態に係るSOFCシステム100の全体構成を示す模式図である。なお、図1では、説明の便宜上、燃料電池モジュール1内において原料、原料を改質して生成された改質ガス(燃料ガス)、改質水、および発電用空気それぞれの各流通経路については省略している。
(SOFCシステムの構成)
図1は、本発明の実施形態に係るSOFCシステム100の全体構成を示す模式図である。なお、図1では、説明の便宜上、燃料電池モジュール1内において原料、原料を改質して生成された改質ガス(燃料ガス)、改質水、および発電用空気それぞれの各流通経路については省略している。
図1に示すように、SOFCシステム100は、燃料電池モジュール1と、補機ユニット2と、制御器20とを備えてなる構成である。
燃料電池モジュール1は、セルスタック4、燃焼室(燃焼部)5、改質器6、空気予熱器7、着火器8、スタック温度検知センサ18、および改質器温度検知センサ(温度検知器)19を備えている。また、改質器6は、供給された改質水(改質用水)を気化させるための蒸発器(蒸発部)9を有している。
セルスタック4は、複数の単セル3が、例えば電気的に直列に接合されて構成されている。単セル3は、電解質層の一方側に空気極(カソード)が設けられ、他方側に燃料極(アノード)が設けられ、空気極と燃料極とによって電解質層が挟持された構成となっている。そして、空気極側には酸化剤ガスとして発電用空気が、燃料極側には燃料ガスとして改質器6から改質ガスがそれぞれ供給される。
燃料極に供給された改質ガスと空気極に供給された発電用空気とは、オフガスとして単セル3から排出され燃焼室5に導かれる。なお、単セル3は、例えば、円筒型セルであってもよいし、平板型セルであってもよい。また、単セル3は、例えば、円筒平板型セルであってもよい。
セルスタック4の上部には燃焼室5が設けられており、燃焼室5内にはセルスタック4から排出されたオフガスに着火し、燃焼させる着火器8が設けられている。着火器8は、例えば、点火装置であってもよいし、点火ヒータであってもよい。燃焼室5は、単セル3の燃料極から排出されるアノードオフガスと、空気極から排出されるカソードオフガスとを燃焼させる領域である。本明細書ではアノードオフガスおよびカソードオフガスをまとめてオフガスと称する。
なお、SOFCシステム100の起動時において、改質器6における改質反応がすすんでいない段階では、単セル3の燃料極から原料が、空気極から発電用空気が、ほぼそのまま燃焼室5に排出されることとなる。その後、改質器6における改質反応がすすみ、原料が改質され改質ガスが生成されると、オフガスは水素を多く含む組成となる。
燃焼室5の上部には、補機ユニット2によって燃料電池モジュール1に供給された原料を改質して改質ガスを生成する改質器6および、改質器6に供給する改質水を気化させる蒸発器9が設けられている。さらに改質器6の上部には補機ユニット2により供給された発電用空気を予熱するための空気予熱器7が設けられる。これら改質器6、蒸発器9および空気予熱器7は、燃焼室5における燃焼熱および、オフガスの燃焼により生成された燃焼排ガスの保有する熱によりそれぞれ加熱されるように配置されている。なお、燃焼排ガスは、改質器6、蒸発器9、および空気予熱器7をそれぞれ加熱することで保有する熱の一部を失い、燃料電池モジュール1の燃焼排ガス排出部(不図示)から系外に排気される。
改質器6は、水蒸気改質反応(SR)により補機ユニット2から供給された原料を改質して改質ガス(水素含有ガス)を生成し、生成した改質ガスを、セルスタック4を構成する単セル3の燃料極に導く。
原料は、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含む。原料としては、具体的には、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、およびLPG等、ならびにメタノール等のアルコールが例示される。原料は、原料供給源より供給されており、この原料供給源としては、例えば、ガスボンベ、ガスインフラなどが挙げられる。
なお、改質器6において水蒸気改質を実施するため、補機ユニット2によって原料に加えて改質水が改質器6の前段に設けられた蒸発器9に供給されるように構成されている。なお、改質器6は、上記した改質反応を進行させるために必要な改質触媒をそれぞれ有しており、触媒金属として、例えば、Ru、Ni等が用いることができる。
補機ユニット2は、図1に示すように、原料供給器10と、発電用空気供給器(空気供給器)11と、水供給器12とを備えてなる構成である。
原料供給器10は、制御器20からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール1が備える改質器6に原料を供給するものであり、原料の供給流量が調整可能となるように構成されている。例えば、原料供給器10は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による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。
発電用空気供給器11は、制御器20からの制御指示に応じて、燃料電池モジュール1が備えるセルスタック4を構成する単セル3の空気極に発電用空気を供給するものであり、発電用空気の供給流量が調整可能となるように構成されている。例えば、発電用空気供給器11は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による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。発電用空気供給器11によって供給される発電用空気は、燃料電池モジュール1において空気予熱器7において予熱され、その後、セルスタック4に導かれる。
水供給器12は、制御器20からの制御指示に応じて、改質水の流れ方向において、改質器6の前段に設けられた蒸発器9に改質水を供給するものであり、改質水の供給流量が調整可能となるように構成されている。なお、水供給器12は、昇圧器と流量調整弁とを備えてなる構成としてもよいし、これらのいずれか一方だけを備えた構成としてもよい。昇圧器は、例えば、モータ駆動による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。
また、SOFCシステム100では、セルスタック4の温度を検知するスタック温度検知センサ18、および改質器6の温度を検知する改質器温度検知センサ19を備えている。なお、改質器温度検知センサ19は、改質器6の温度を検知するとともに燃焼室5の温度を検知できる位置に設けられ、改質器6および燃焼室5の温度を検知できるものであってもよい。なお、制御器20が備えるメモリ(不図示)に予め、セルスタック4の温度と改質器6の温度との相関関係を示すテーブル情報を記憶しており、制御器20がこのテーブル情報を参照してセルスタック4の温度から改質器6の温度を求めることができる構成としてもよい。この構成の場合、改質器温度検知センサ19は必ずしも備える必要はない。なお、この構成の場合、スタック温度検知センサ18とテーブル情報を記憶したメモリとによって本発明の温度検知器を実現することができる。
制御器20は、SOFCシステム100が備える各部の各種制御を行うものであり、SOFCシステム100が備える各部に対する制御機能を有するものであれば特に限定されない。制御器20は、例えば、マイクロコントローラ、MPU、PLC(Programmable Logic Controller)、論理回路等で実現できる。また、制御器20は集中制御を行う単独の制御器によって構成されてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。
上記した構成を有するSOFCシステム100では、以下のようにして発電が実施される。まず、SOFCシステム100において、原料および発電用空気が補機ユニット2から燃料電池モジュール1に供給される。具体的には、制御器20からの制御指示に応じて、原料供給器10が、都市ガス(13A)等の原料を燃料電池モジュール1が備える改質器6に供給する。原料供給器10から供給された原料は、改質器6で改質され改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、単セル3の燃料極に供給され、各単セル3の上方端部の出口部(不図示)から燃焼室5へと導かれる。
一方、制御器20からの制御指示に応じて、発電用空気供給器11が発電用空気を燃料電池モジュール1が備える空気予熱器7に供給する。発電用空気供給器11から供給された発電用空気は、空気予熱器7において予熱され、その後、単セル3の空気極に供給される。単セル3に供給された発電用空気は、各単セル3の上方端部の出口部(不図示)から燃焼室5へと導かれる。
このようにして燃焼室5内へ単セル3からオフガスが排出されると、制御器20は、着火器8を作動させてオフガスに着火させる。これにより複数の単セル3それぞれの出口部の近傍に火炎を形成し、所定の空燃比(原料が完全燃焼する時に必要な理論空気量に対する実空気量の比)で燃焼させることができる。このようにして燃焼室5において生成された燃焼排ガスは燃焼室5の上方に設置された改質器6および空気予熱器7等の被加熱体を加熱した後、燃料電池モジュール1から外部へ排出される。なお、防爆のため燃焼室5にオフガス送出する前に着火器8を作動させてもよい。
以上のようにして燃焼室5における燃焼熱および燃焼排ガスが有する熱によりセルスタック4、改質器6、蒸発器9、および空気予熱器7が加熱される。なお、制御器20は、改質器温度検知センサ19の検知結果から改質器6の温度を監視することができる。
(起動シーケンスにおける動作処理)
次に、図2を参照してSOFCシステム100の起動シーケンスにおける動作処理について説明する。図2は、本発明の実施形態に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける動作処理の一例を示すフローチャートである。なお、起動シーケンスとは、SOFCシステム100において発電が停止された状態から、定格出力で発電を実行するまでの間に実施する一連の工程を意味するものとする。
次に、図2を参照してSOFCシステム100の起動シーケンスにおける動作処理について説明する。図2は、本発明の実施形態に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける動作処理の一例を示すフローチャートである。なお、起動シーケンスとは、SOFCシステム100において発電が停止された状態から、定格出力で発電を実行するまでの間に実施する一連の工程を意味するものとする。
また、ここでは、実施形態に係るSOFCシステム100は、POX及びATRを実施することなく、SRのみ行って起動する、いわゆるSR起動方式により起動シーケンスが実施されるものとして説明する。
本実施の形態に係る起動シーケンスでは、まず、燃料電池モジュール1内に残存する水分および残留ガス等を排出させるために空気パージが行われる(ステップS11)。具体的には、制御器20が発電用空気供給器11を制御して、所定流量の発電用空気を所定時間(後述の図3におけるΔt1)の間、燃料電池モジュール1に供給させる。なお、制御器20は、時間経過を計測する計時部(不図示)と接続されており、計時部による計測結果に基づき、空気パージを行うために必要な発電用空気の供給時間(所定時間Δt1)を管理することができる。
Δt1の期間が経過し空気パージが終了すると、SOFCシステム100では、制御器20が発電用空気供給器11を制御して、発電用空気の供給量を所定流量まで低減させる。その後、着火のタイミングとなると、制御器20が発電用空気供給器11を制御して、発電用空気の供給量を増加させるとともに、原料供給器10を制御して、原料の供給を開始させる(ステップS12)。
ステップS12において、発電用空気の供給量を増加させるとともに、原料の供給を開始させると、SOFCシステム100では、制御器20からの制御指示に応じて、燃焼室5における着火器8が、単セル3から排出されたオフガスに着火する(ステップS13)。なお、この段階では改質器6において改質反応が行われていないため、着火器8により着火されるオフガスは、原料および発電用空気となる。
燃焼室5において火炎が安定していくにつれ、燃焼にともなって生じた熱(例えば、燃焼熱および燃焼により生成された燃焼排ガスの有する熱)により被加熱体(例えば、セルスタック4、改質器6、蒸発器9、および空気予熱器7等)の温度も上昇していく。制御器20が改質器温度検知センサ19の検知結果に基づき、改質器6の温度が第1所定温度T1以上になったか否か判定する(ステップS14)。ステップS14の判定において、改質器6の温度が第1所定温度T1以上になったと判定すると(ステップS14において「YES」)、制御器20は、水供給器12を制御して、改質水の燃料電池モジュール1への供給を開始させる(ステップS15)。
改質水の供給が開始されると、制御器20は、水供給器12を制御して、燃料電池モジュール1に供給する改質水の流量を所定の流量範囲の中で段階的に増加させていく(ステップS16)。例えば、改質水の流量を所定の流量範囲の中で、階段状となるように増加させる、または指数関数的に増加させる等、段階的に増加させてもよい。
また、改質水の供給開始から所定時間が経過すると、改質器6において水蒸気改質反応がすすみ改質ガスが生成されると、燃焼室5における燃焼が安定するとともに、燃焼にともなって生じた熱の温度も上昇する。そこで、燃焼室5における火炎が安定し改質器温度が所定温度まで上昇すると、制御器20は、発電用空気供給器11を制御して、燃料電池モジュール1に供給する発電用空気の流量を段階的に増加させる(ステップS17)。
以上のようにして、本実施の形態に係るSOFCシステム100では、起動シーケンスが実施される。
次に、上記した図2に加え、図3を参照して、上記したSOFCシステム100の起動シーケンスにおける動作処理の詳細について説明する。特に、各流体(原料、発電用空気、改質水等)の供給タイミングと改質器6の温度変化との対応関係について説明する。
図3は、本発明の実施形態に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図3では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質器温度検知センサ19によって検知された改質器6の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図3では、原料、発電用空気、改質水それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図3において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
また、図3では、着火器8による着火動作の前後の期間と、改質器6において水蒸気改質反応(SR)が実施される期間と、定格出力で発電するように運転する(以下、定格出力運転)が開始されるまでの期間とについて示している。これらの期間のうち、空気パージ゛を実施する期間をΔt1とし、単セル3から排出されたオフガスに着火する期間をΔt2とし、オフガスの燃焼が安定するまでの期間をΔt3とし、水蒸気改質反応(SR)工程を進行させる期間をΔt4として区別することができる。
まず、起動シーケンスにおいて、SOFCシステム100では図2のステップS11に示すように、空気パージが行われる。このため、図3に示すように、発電用空気供給器11が制御器20からの制御指示に応じて、所定流量の発電用空気をΔt1の間、燃料電池モジュール1に供給する。このように、発電用空気を、燃料電池モジュール1内に供給することで単セル3内外に残存する水分や残留ガス等を外部に排気させ、除去することができる。
空気パージが終わると、着火器8による着火動作が行われる前に、発電用空気供給器11は、制御器20からの制御指示に応じて、発電用空気の供給量を所定流量まで減少させる。このように空気パージが行われる期間(Δt1)と着火が開始されるまでの期間とでは、改質器6の温度は、ほぼ変化しない。
その後、制御器20は、ステップS12に示すように、発電用空気供給器11を制御して発電用空気の供給量を増加させるとともに、原料供給器10を制御して原料の供給を開始させる。なお、このとき、図3に示すように、制御器20は、Δt2の期間において発電用空気の供給量を増加させた後に原料の供給を開始させるように発電用空気供給器11および原料供給器10を制御する。さらに、ステップS13に示すように、制御器20は着火器8を制御してセルスタック4から排出されたオフガスに着火させる。
また、図3に示すように、SOFCシステム100では、発電用空気供給器11は、着火器8の着火動作と略同時に発電用空気の供給量の増加を開始するように制御器20によって制御されている。一方、原料供給器10は、着火器8の着火動作開始よりも少し遅れて原料の供給量の増加を開始している。このように、図2に示すステップS12およびステップS13は実質的には、ほぼ同時に行ってもよい。また、ステップS13を先に実施し、次いでステップS12を行ってもよい。
燃焼室5においてセルスタック4から排出されたオフガスが、着火器8により着火されると、着火器8は着火動作を停止する。
なお、オフガスに着火した初期段階では、火炎温度が低いため、火炎が不安定な状態となる。そこで、SOFCシステム100では、オフガスの着火後から火炎が安定するまでの期間(Δt3)は、発電用空気供給器11は、通常の発電時(定格出力運転時)に供給する発電用空気の流量よりも少ない流量でかつ、略一定流量となる発電用空気を継続して供給する。
このように、SOFCシステム100では、原料および通常の発電時よりも少ない流量の発電用空気を燃料電池モジュール1に供給した状態で、着火器8によってオフガスに着火させ、燃焼させるように構成されている。また、火炎の失火を防ぎ安定した燃焼とするために、燃焼室5における燃焼に関与するアノードオフガスとカソードオフガスとの空燃比は当量比、もしくはやや空気過剰の状態となることが望ましい。
なお、このとき発電用空気供給器11によって供給される発電用空気の流量は、燃焼に関与する空気の空気過剰率に基づき以下の条件を満たすように設定されている。すなわち、燃焼室5に排出されたカソードオフガスの流量(空気量)を、燃焼室5でアノードオフガスを完全燃焼させる時に必要な理論空気量によって除した値で表される空気過剰率(λ)が1.0以上で6.0以下、より好ましくは2.0以上で5.0以下となるように、発電用空気の供給量が設定されている。
したがって、SOFCシステム100では、着火時において、大量の発電用空気がカソードオフガスとして燃焼室5に供給されることがないため、大量の発電用空気によって、着火器8によるオフガスへの着火の安定性を阻害してしまうことを防ぐことができる。また、着火後においては、燃焼室5において、燃焼維持に必要な酸素を含む発電用空気が火炎の外から拡散によって入ってくるため火炎安定性を高め、一酸化炭素の発生を抑制することができる。
燃焼室5における燃焼にともなって生じた熱により改質器6が第1所定温度T1まで加熱させられると、制御器20は、ステップS15に示すように水供給器12を制御して改質水の供給を開始させる。なお、この第1所定温度T1は、水を気化できる温度であればよく、100℃以上となる温度である。SOFCシステム100では、例えば、120℃とすることができる。
ここで、一度に大量の改質水が水供給器12から改質器6に供給されると、燃焼室5における火炎が不安定になる場合がある。このため、制御器20は、供給量を徐々に増加させながら改質水を供給するように水供給器12を制御する。具体的には、供給する改質水の流量の設定は、蒸発器9によって気化された改質水中の水(H2O)のモル比と、原料が有する炭素(C)とのモル比であるS/Cを基準にして行う。
まず、水蒸気改質反応の初期段階、換言すると改質器6の温度がT1(例えば120℃)〜T2(例えば350℃)の間にある低温状態期間では、制御器20は、S/Cの値が0.1以下となる範囲において、水供給器12が改質水の供給量を段階的に増加させるように制御する。また、燃焼室5におけるオフガスの燃焼能力が高い場合は、S/Cの値が1.2以下の範囲の値となるように、好ましくはS/Cの値が0.01以上、1.2以下の範囲の値となるように、さらに好ましくは、S/Cの値が1.0より大きく1.2以下の範囲の値となるように、水供給器12による改質水の供給量を制御する構成としてもよい。
なお、改質水の供給量を段階的に増加させる態様としては、例えば、水供給器12が、改質水の供給量を、階段状に徐々に増加させる態様、または指数関数的に徐々に増加させる態様等が挙げられる。
制御器20が水供給器12を制御して、S/Cの値が0.1以下(燃焼室5におけるオフガスの燃焼能力が高い場合は1.2以下)の範囲の値となるように、改質水を供給することにより燃焼室5において火炎が不安定となることを防ぐことができる。
なお、改質水の供給開始時点では、燃焼室5における火炎が不安定となるため、火炎が安定して燃焼するまで発電用空気の供給量に略変化なく一定となっている。本実施の形態に係るSOFCシステム100では、図3に示すように着火からSR工程の低温状態期間までの間、すなわち、着火から改質器6の温度が第2所定温度T2未満の間は、発電用空気の供給量が略一定となっている。このとき燃焼室5の燃焼に関与する空気の空気過剰率(λ)が、例えば、1.2以上、4.0以下の範囲の値となるように、発電用空気の供給量が設定されていてもよい。
その後、火炎が安定して改質器6の温度が第2所定温度T2以上になったと制御器20が判定すると、原料の供給量を一定に維持したまま、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器11を制御する。このとき燃焼室5の燃焼に関与する空気の空気過剰率(λ)が、例えば、1.2以上、5.0以下の範囲の値となるように、発電用空気の供給量が設定されている。
さらにまた、改質器6の温度が第2所定温度T2以上になったと判定した場合、改質器6の温度が第3所定温度T3に達するまでの間に、制御器20は、S/Cの値が1.2以上となるように、改質水の供給量を段階的に増加させるように水供給器12を制御する。
なお、第2所定温度T2は燃焼室5において安定した火炎で燃焼していることが判断できる温度であり、かつ、炭化水素原料のコーキング抑制可能な温度であり、例えば、350℃とすることができる。つまり、第2所定温度T2は、安定した火炎で燃焼していると想定したときの、改質水の供給開始時点から、例えば、180秒後の改質器6の温度とすることができ、この温度は予めシミュレーション等によって求めておくことができる。そして、シミュレーション等によって予め求めた第2所定温度T2に関する情報を制御器20が備えるメモリ(不図示)に予め記憶させておいてもよい。
さらに改質器6の温度が第3所定温度T3以上まで上昇したと判定すると、制御器20は、発電用空気供給器11を制御して発電用空気の供給量をさらに増加させる。このとき、燃焼室5の燃焼に関与する空気の空気過剰率(λ)が1.2以上、6.0以下の範囲の値となるように、発電用空気の供給量が設定されている。
なお、第3所定温度T3は、例えば、改質器6において水蒸気改質反応(SR)により原料の改質が十分に進む温度であり、例えば、600℃とすることができる。このように改質器6の温度が第3所定温度T3以上となる段階では、改質器6において発電に必要な改質ガスを安定して十分に生成可能となっているため、制御器20は、水供給器12を制御して改質水の供給量を略一定とさせてもよいし、改質器6の温度が第4所定温度T4以上となるまで少しずつ増加させてもよい。このとき、制御器20は、水供給器12を制御して、例えば、S/Cの値が1.8以上、5.0以下の範囲となるように、より好ましくは、1.8以上、4.0以下の範囲となるように改質水を供給させる。
そして、改質器6の温度が第4所定温度T4以上まで上昇したと判定すると、制御器20は、原料および改質水の供給量を一定としたまま、定格出力で発電するように運転する状態(以下、定格出力運転)時に必要な空気流量となるまで、発電用空気の供給量を増加させるように発電用空気供給器11を制御する。増加後の発電用空気の供給量は、燃焼室5の燃焼に関与する空気の空気過剰率(λ)が、例えば、1.5以上、10.0以下、好ましくは2.0以上、4.0以下となるように設定されている。なお、第4所定温度T4は、定常運転時における改質器6の温度よりも高い温度(例えば730℃)とすることができ、この温度もまたシミュレーション等によって予め求めておき、制御器20が備えるメモリ(不図示)に予め記憶させておいてもよい。
(変形例1)
次に、図4を参照して本実施の形態の変形例1に係るSOFCシステム100について説明する。図4は、本発明の実施形態の変形例1に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図4では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質器温度検知センサ19によって検知された改質器6の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図4では、原料、発電用空気、改質水それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図4において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
次に、図4を参照して本実施の形態の変形例1に係るSOFCシステム100について説明する。図4は、本発明の実施形態の変形例1に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図4では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質器温度検知センサ19によって検知された改質器6の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図4では、原料、発電用空気、改質水それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図4において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
本実施の形態に係るSOFCシステム100では、オフガスの着火から改質器6の温度が第2所定温度T2になるまでの間は、発電用空気の供給量を略一定とし、改質器6の温度が第2所定温度T2以上となると、発電用空気の供給量を増加せる構成であった。これに対して、変形例1に係るSOFC100では、図4に示すように改質器6の温度が第1所定温度T1以上となると、改質水の供給を開始させるとともに発電用空気の供給量を所定流量の範囲内で段階的に増加させる構成とする。
例えば、着火(Δt2)および燃焼(Δt3)の期間では、発電用空気の供給量が40リットルであり、改質器6の温度が第2所定温度T2以上になったときに発電用空気の供給量を45リットルまで増加させることができるとする。この場合において、改質器6の温度が第1所定温度T1以上で第2所定温度T2に達するまでの低温状態期間では、発電用空気の供給量を例えば、42リトッルまでの範囲内で段階的に増加させ、第2所定温度T2以上になると、さらに発電用空気の供給量を45リットルまで増加させる構成としてもよい。
このように構成される場合、変形例1に係るSOFCシステム100では、図2に示すステップS14において、改質器の温度が第1所定温度T1以上であると判定した場合、制御器20は、水供給器12を制御して、改質水の供給を開始させるとともに、発電用空気供給器11を制御して、発電用空気の供給量を所定流量の範囲内で段階的に増加させる。
(変形例2)
さらにまた、図5を参照して本実施の形態の変形例2に係るSOFCシステム100について説明する。図5は、本発明の実施形態の変形例2に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図5では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質器温度検知センサ19によって検知された改質器6の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図5では、原料、発電用空気、改質水それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図4において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
さらにまた、図5を参照して本実施の形態の変形例2に係るSOFCシステム100について説明する。図5は、本発明の実施形態の変形例2に係るSOFCシステム100の起動シーケンスにおける各流体の供給タイミングの一例を示すタイムチャートである。図5では、横軸を時間軸として、上から原料の供給量、発電用空気の供給量、改質水の供給量、改質器温度検知センサ19によって検知された改質器6の温度それぞれの時系列変化を示している。なお、図5では、原料、発電用空気、改質水それぞれの供給量の時系列変化を横軸方向に延びた直線の凹凸で示しており、この直線において立ち上がっている位置は各流体の供給開始または供給量の増大を示しており、立ち下がっている位置は各流体の供給量の減少を示す。図4において紙面左から右に向かって時間が経過するものとする。
本実施の形態に係るSOFCシステム100では、オフガスの着火から改質器6の温度が第2所定温度T2になるまでの間は、発電用空気の供給量を一定とし、改質器6の温度が第2所定温度T2以上となると、発電用空気の供給量を増加せる構成であった。これに対して、変形例2に係るSOFC100では、図5に示すように改質器6の温度が第3所定温度T3以上となり、改質水の供給量が、段階的に増加され、一定の供給量となったタイミングにおいて、発電用空気の供給量を段階的に増加させるように構成してもよい。
このように構成される場合、変形例2に係るSOFCシステム100では、改質器6の温度が第3所定温度T3以上まで上昇したと判定すると、制御器20は、発電用空気供給器11を制御して発電用空気の供給量を段階的に増加させる。改質器6の温度が第4所定温度T4以上となると、制御器20は、燃焼室5の燃焼に関与する空気の空気過剰率(λ)が1.5以上、10.0以下の範囲、特に好ましくは2.0以上、4.0以下の範囲の値となるように発電用空気の供給量を調整する。
このように変形例2に係るSOFCシステム100は、原料および改質水の供給量が一定となった状態で、発電用空気の供給量を段階的に増加させる構成とするため、燃焼室5における火炎が不安定な状態となることを防ぐことができる。
なお、本実施形態に係るSOFCシステム100、および変形例1に係るSOFCシステム100では、図3、4に示すように、発電用空気の流量を、第2、3、4所定温度T2、T3、T4に達したタイミングで3段階に分けて増加させ、定格出力運転時に必要となる発電用空気の流量とする構成であった。しかしながら、発電用空気の流量を段階的に増加させる回数は上記した3回に限定されるものではなく、第4所定温度T4に達するまでの間において2回であってもよいし4回以上であってもよい。同様に、変形例2に係るSOFCシステム100では、図5に示すように、発電用空気の流量を、第3所定温度T3からT4に至るまでの間において2回、段階的に増加させ、第4所定温度T4に達したタイミングでさらに増加させ、定格出力運転時に必要となる発電用空気の流量とする構成であった。しかしながら、発電用空気の流量を段階的に増加させる回数はこれに限定されるものではない。例えば、発電用空気の流量を第3所定温度T3から第4所定温度T4に至るまでの間に2段階以上に分けて増加させてもよいし1段階だけ増加させてもよい。
また、本実施形態に係るSOFCシステム100、および変形例1、2に係るSOFCシステム100では、図3、4、5に示すように、改質器6を介してセルスタック4に供給される原料の流量は、着火器8によるオフガスへの着火時から一定の流量となっていたがこれに限定されるものではない。例えば、着火器8によるオフガスへの着火時では、SOFCシステム100の定格出力運転時に必要となる供給量よりも多く原料を供給し、その後、徐々に格出力運転時に必要となる供給量まで減少させる構成であってもよい。
以上のように、実施形態に係るSOFCシステム100および変形例1、2に係るSOFCシステム100の起動シーケンスでは、まずオフガスへの着火前までの期間では、大量の発電用空気を供給して空気パージを行う。オフガスへの着火時は、発電用空気の供給流量を低減させた状態とするとともに、原料の供給を開始し、燃焼室5において火炎が安定した後に、改質水の供給を開始させる。そして、改質水の供給および改質器6の温度上昇に伴い水蒸気改質反応(SR)が進むにつれ、発電用空気および改質用水をそれぞれ段階的に増加させるようになっている。
このように、オフガスへの着火前までの期間で空気パージを行う構成であるため、単セル3内に残存していた水分および残留ガスを除去することができるため、燃焼室5における着火安定性を高めるとともに、一酸化炭素の発生を抑制することができる。また、水蒸気改質反応(SR)を実施する期間において改質水および発電用空気の供給量をそれぞれ段階的に増加させるため、燃焼器の失火および被加熱体の過昇温を防ぐことができる。
上記説明から、当業者にとって、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、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。
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、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明に係るSOFCシステムは、起動時に原料を着火し、生成した燃焼排ガスの有する熱により改質器等を加熱し、改質反応を実施する家庭用燃料電池システム、業務用燃料電池システム、あるいは各種電源供給システム等の用途に広く利用できる。
1 燃料電池モジュール
2 補機ユニット
3 単セル
4 セルスタック
5 燃焼室(燃焼部)
6 改質器
7 空気予熱器
8 着火器
9 蒸発器(蒸発部)
10 原料供給器
11 発電用空気供給器
12 水供給器
18 スタック温度検知センサ
19 改質器温度検知センサ(温度検知器)
20 制御器
100 SOFCシステム
2 補機ユニット
3 単セル
4 セルスタック
5 燃焼室(燃焼部)
6 改質器
7 空気予熱器
8 着火器
9 蒸発器(蒸発部)
10 原料供給器
11 発電用空気供給器
12 水供給器
18 スタック温度検知センサ
19 改質器温度検知センサ(温度検知器)
20 制御器
100 SOFCシステム
Claims (6)
- 原料を改質して改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスと発電用空気とを利用して発電するセルスタックと、
前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
前記改質器に改質用水を供給する水供給器と、
前記発電用空気を前記セルスタックに供給する空気供給器と、
前記セルスタックから排出されたオフガスを燃焼させ、この燃焼にともなって生じた熱により前記セルスタックおよび前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部において前記オフガスに着火する着火器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
高温動作型燃料電池システムの起動シーケンスにおいて、
前記着火器による前記オフガスへの着火前に、
前記原料供給器が前記改質器に前記原料を供給するように制御するとともに、前記空気供給器が前記セルスタックに前記発電用空気を供給するように制御しており、
前記着火器によるオフガスへの着火後に、
前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給開始して、該改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御するとともに、該水供給器による前記改質用水の供給開始後に、前記空気供給器が前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御する、高温動作型燃料電池システム。 - 前記改質器の温度を検知する温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、
前記オフガスへの着火後、前記温度検知器によって検知された改質器の温度が前記改質用水を気化させることができる第1所定温度以上になったとき、
前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給開始するように制御する、請求項1に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記改質器は、前記水供給器によって供給された改質用水を気化させる蒸発部を有しており、
前記制御器は、
前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第1所定温度以上かつ、前記燃焼部において安定した火炎で燃焼していると判定できる第2所定温度未満であるとき、
前記燃焼部における燃焼に関与する空気の空気過剰率が1.2以上、4.0以下の範囲の値となるように、前記空気供給器が該セルスタックに前記発電用空気を供給するように制御するとともに、
前記改質器に供給される前記原料中の炭素に対する、前記蒸発部において気化された前記改質用水中の水のモル比が、0.01以上、1.2以下の範囲の値となるように、前記水供給器が前記改質器に前記改質用水を供給するように制御する、請求項2に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記制御器は、
前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第2所定温度以上かつ、前記改質器において改質反応が十分に進んだと判定することができる第3所定温度未満であるとき、
前記空気供給器が、前記セルスタックに、所定範囲内の流量の発電用空気を供給するように制御するとともに、
前記水供給器が、前記改質器に供給する改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御する、請求項3に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記制御器は、
前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第2所定温度以上、かつ前記第3所定温度未満であるとき、
前記改質器に供給される前記原料中の炭素に対する、前記蒸発部において気化された前記改質用水中の水のモル比が、1.2以上となるまで、前記水供給器が、前記改質器に供給する改質用水の供給量を段階的に増加させるように制御する、請求項4に記載の高温動作型燃料電池システム。 - 前記制御器は、
前記温度検知器によって検知された前記改質器の温度が前記第3所定温度以上であるとき、
前記空気過剰率が1.2以上、6.0以下の範囲の値となるように、前記空気供給器が該セルスタックに供給する前記発電用空気の供給量を段階的に増加させるように制御する、請求項5に記載の高温動作型燃料電池システム。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018054136A JP2019169256A (ja) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 高温動作型燃料電池システム |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2018054136A JP2019169256A (ja) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 高温動作型燃料電池システム |
Publications (1)
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JP (1) | JP2019169256A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2018
- 2018-03-22 JP JP2018054136A patent/JP2019169256A/ja active Pending
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JP7439622B2 (ja) | 2020-04-02 | 2024-02-28 | 株式会社アイシン | 燃料電池システム |
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