JP2019220366A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池での炭素析出を抑制した状態で燃料電池を迅速に起動することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム10Aは、部分酸化改質器54と、シフト反応器56と、燃料電池スタック12と、燃料電池スタック12に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路44と、酸化剤ガス供給路44に設けられて燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器48と、起動用燃焼器48から導出されて燃料電池スタック12を流通した燃焼ガスをシフト反応器56に導くための燃焼ガス導入路74と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、部分酸化改質器とシフト反応器とを備える燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
この種の燃料電池システムにおいて、部分酸化改質器は、原燃料を部分酸化して燃料ガスを生成する。シフト反応器は、部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させて二酸化炭素と水素とを生成する。このようなシフト反応により、燃料ガス中の一酸化炭素の濃度が低減され、燃料電池内での炭素析出が抑制される。
このような燃料電池システムとして、燃料電池の排ガスに含まれる水蒸気をシフト反応に利用するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2017−183249号公報
上述した従来技術では、燃料電池の起動時に、シフト反応器に十分な量の水蒸気が供給されないため、シフト反応器によって燃料ガス中のCO濃度(一酸化炭素濃度)を効率的に低下させることができないことがある。この場合、燃料電池への燃料ガスの供給量を制限すると、燃料電池の起動時間が長くなるおそれがある。
本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池での炭素析出を抑制した状態で燃料電池を迅速に起動することができる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記酸化剤ガス供給路に設けられて燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガスを前記シフト反応器に導くための燃焼ガス導入路と、を備える、燃料電池システムである。
本発明の他の態様は、原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガス供給路から導かれた酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記酸化剤ガス供給路に設けられた起動用燃焼器で燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる燃焼工程と、原燃料を前記部分酸化改質器で部分酸化改質して燃料ガスを生成する改質工程と、前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガス中の水蒸気と前記改質工程で発生した燃料ガス中の一酸化炭素とを前記シフト反応器でシフト反応させるシフト反応工程と、を行う、燃料電池システムの制御方法である。
本発明によれば、燃料電池の起動時に、起動用燃焼器で発生した燃焼ガスによって燃料電池を昇温させることができる。また、燃焼ガス中の水蒸気を用いてシフト反応させることができるため、シフト反応器によって燃料ガス中のCO濃度を効率的に低下させることができる。したがって、燃料電池での炭素析出を抑制した状態で燃料電池を迅速に起動することができる。
本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 図1の制御部のブロック図である。 図3Aは起動用改質マップの説明図であり、図3Bは発電用改質マップの説明図である。 図1の燃料電池システムの制御方法を説明する第1のフローチャートである。 図1の燃料電池システムの制御方法を説明する第2のフローチャートである。 本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
以下、本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム10Aは、定置用の他、車載用などの種々の用途に用いられる。また、燃料電池システム10Aは、いわゆるポータブル発電機として用いることもできる。
燃料電池システム10Aは、燃料電池としての燃料電池スタック12、酸化剤ガス供給装置14、燃料ガス供給装置16、および排出装置18を備える。
燃料電池スタック12は、互いに積層された複数の単位セル20と、複数の単位セル20の積層方向両端に配設された図示しない一組のエンドプレートとを含む。燃料電池スタック12は、平板積層式で構成された例に限らず、円筒式(チューブ式)で構成されていてもよい。単位セル20は、燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)として構成されている。
単位セル20は、電解質・電極構造体22と、電解質・電極構造体22を挟持するカソードセパレータ24およびアノードセパレータ26とを有する。カソードセパレータ24とアノードセパレータ26とは、表裏一体のバイポーラセパレータとして構成してもよい。電解質・電極構造体22は、板状の電解質28と、電解質28の一方の面に配設されたカソード電極30と、電解質28の他方の面に配設されたアノード電極32とを含む。電解質28は、例えば、安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電体で構成されている。
カソードセパレータ24のうちカソード電極30に対向する面には、酸化剤ガス流路34が形成されている。アノードセパレータ26のうちアノード電極32に対向する面には、燃料ガス流路36が形成されている。
燃料電池スタック12には、酸化剤ガス入口38a、酸化剤ガス出口38b、燃料ガス入口40a、および燃料ガス出口40bが設けられる。酸化剤ガス入口38aは、各単位セル20を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路34の供給側に連通する。酸化剤ガス出口38bは、各単位セル20を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路34の排出側に連通する。酸化剤ガス流路34、酸化剤ガス入口38a、および酸化剤ガス出口38bは、カソード流路を構成する。
燃料ガス入口40aは、各単位セル20を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路36の供給側に連通する。燃料ガス出口40bは、各単位セル20を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路36の排出側に連通する。燃料ガス流路36、燃料ガス入口40aおよび燃料ガス出口40bは、アノード流路を構成する。
酸化剤ガス供給装置14は、エアポンプ42と、酸化剤ガス供給路44とを有する。酸化剤ガス供給路44は、エアポンプ42から導出された酸化剤ガス(空気)を燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口38aに供給する。酸化剤ガス供給路44には、熱交換器46と、起動用燃焼器48とが設けられている。熱交換器46は、後述する排ガス燃焼器72から導かれた燃焼ガスと酸化剤ガスとで熱交換を行うことにより、酸化剤ガスを加熱する。
起動用燃焼器48は、酸化剤ガス供給路44における燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口38aの近傍に設けられている。なお、起動用燃焼器48は、酸化剤ガス入口38aに直接設けられていてもよい。起動用燃焼器48は、燃料電池スタック12の起動時に、燃料供給部50から供給された燃料と酸化剤ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。起動用燃焼器48は、イグナイタなどの点火装置48aを含む。燃料供給部50は、例えば、燃料ポンプとして構成される。ただし、起動用燃焼器48に用いられる燃料は、燃料ガス供給装置16を構成する原燃料ポンプ60から供給されてもよい。
燃料ガス供給装置16は、原燃料供給装置51、排ガス混合部52、部分酸化改質器54、シフト反応器56、および燃料ガス供給路58を有する。
原燃料供給装置51は、原燃料ポンプ60、空気供給部62、混合比調整部64、および混合ガス供給路66を含む。原燃料ポンプ60は、炭化水素を主体とする原燃料(例えば、都市ガス)を混合比調整部64に供給する。空気供給部62は、空気を混合比調整部64に供給する。なお、混合比調整部64に供給される空気は、酸化剤ガス供給装置14を構成するエアポンプ42から供給されてもよい。
混合比調整部64は、原燃料と空気との混合比を調整する。混合ガス供給路66は、原燃料と空気とが混合された混合ガスを部分酸化改質器54に導く。排ガス混合部52は、混合ガス供給路66に設けられている。排ガス混合部52は、後述する燃焼ガス導入路74から導かれた燃焼ガスを混合ガス供給路66に導入するエジェクタである。ただし、排ガス混合部52は、エジェクタに限定されず、ミキサーなどであってもよい。
部分酸化改質器54は、炭化水素を含む原燃料を部分酸化改質して一酸化炭素および水素ガスなどを含む燃料ガス(改質ガス)を生成する。部分酸化改質器54に使用される部分酸化反応触媒としては、例えば、Pt(白金)、Rh(ロジウム)、およびPd(パラジウム)などが挙げられる。部分酸化改質器54の温度としては、約500℃〜1000℃程度が望ましい。部分酸化改質器54は、イグナイタなどの点火装置54aを含む。
シフト反応器56は、部分酸化改質器54で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させることにより二酸化炭素と水素ガスとを生成する。シフト反応器56は、部分酸化改質器54に一体的に設けられている。なお、シフト反応器56は、部分酸化改質器54に対して連続していれば部分酸化改質器54に対して一体に設けられていなくてもよい。燃料ガス供給路58は、シフト反応器56から燃料電池スタック12の燃料ガス入口40aに燃料ガスを供給する。
排出装置18は、酸化剤ガス排出路68、燃料ガス排出路70、排ガス燃焼器72、および燃焼ガス導出路73を有する。
酸化剤ガス排出路68は、燃料電池スタック12の酸化剤ガス出口38bと排ガス燃焼器72とを互いに連結する。酸化剤ガス排出路68は、カソード電極30で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤排ガスを燃料電池スタック12から排ガス燃焼器72に導く。
燃料ガス排出路70は、燃料電池スタック12の燃料ガス出口40bと排ガス燃焼器72とを互いに連結する。燃料ガス排出路70は、アノード電極32で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料排ガスを燃料電池スタック12から排ガス燃焼器72に導く。
排ガス燃焼器72は、酸化剤ガス排出路68から導かれた酸化剤排ガスと燃料ガス排出路70から導かれた燃料排ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる。排ガス燃焼器72は、イグナイタなどの点火装置72aを含む。なお、排ガス燃焼器72は、酸化剤排ガスと燃料排ガスとを自己着火させてもよい。この場合、点火装置72aを省略することができる。
燃焼ガス導出路73は、排ガス燃焼器72から導かれた燃焼ガスを、熱交換器46を介して大気に排出する。燃焼ガス導出路73における熱交換器46よりも上流側には、燃焼ガス導入路74の一端が連結されている。燃焼ガス導入路74の他端は、排ガス混合部52に連結されている。燃焼ガス導入路74は、起動用燃焼器48で発生して燃料電池スタック12を流通した水蒸気を含む燃焼ガスをシフト反応器56に導く。
燃料電池システム10Aは、燃料電池温度検出部T1、改質器温度検出部T2、排ガス燃焼器温度検出部T3、COセンサS、および制御部76をさらに備える。
燃料電池温度検出部T1は、燃料電池スタック12の温度を検出する。改質器温度検出部T2は、部分酸化改質器54の温度を検出する。排ガス燃焼器温度検出部T3は、排ガス燃焼器72の温度を検出する。COセンサSは、燃料ガス供給路58に設けられている。COセンサSは、燃料ガス供給路58を流通する燃料ガス(部分酸化改質器54で生成された燃料ガス)中のCO濃度(一酸化炭素濃度)を検出する。
制御部76は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM、RAM、などを有しており、CPUがROMに記憶されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部(機能実現手段)として機能する。なお、各種機能実現部は、ハードウエアとしての機能実現器により構成することもできる。制御部76は、エアポンプ42、原燃料ポンプ60、空気供給部62との駆動を制御する。
図2に示すように、制御部76は、燃焼制御部80、混合制御部82、改質制御部84、判定部86、記憶部88、限界CO濃度算出部90、目標CO濃度設定部92、および目標混合比算出部94を有する。
燃焼制御部80は、燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料の供給を制御する。燃焼制御部80は、起動用燃焼器48の点火装置48aの点火と排ガス燃焼器72の点火装置72aの点火についても制御する。混合制御部82は、混合比調整部64の駆動を制御する。改質制御部84は、部分酸化改質器54の点火装置54aの点火を制御する。判定部86は、起動用燃焼器48で発生した燃焼ガスがシフト反応器56に到達したか否かを判定する。
記憶部88には、炭素析出マップ96、起動用改質マップ98a、および発電用改質マップ98bが予め記憶されている。炭素析出マップ96は、燃料電池スタック12の温度と燃料電池スタック12における炭素析出との関係が規定されたマップである。具体的には、炭素析出マップ96としては、例えば、燃料電池スタック12の温度に対する炭素析出リスクの変化を示すグラフが用いられる。このグラフは、燃料ガス(改質ガス)の組成の違いに応じて複数用意される。
起動用改質マップ98aは、部分酸化改質器54の温度と、部分酸化改質器54で生成される燃料ガス中のCO濃度と、部分酸化改質器54に供給される原燃料と空気との混合比との関係が規定されたマップである。
具体的には、図3Aに示すように、起動用改質マップ98aとしては、混合比(炭素に対する酸素の割合であるO2/C)が互いに異なる複数(例えば、n個)のグラフが用いられる。各グラフは、部分酸化改質器54の温度に対するCO濃度の変化を示している。換言すれば、各グラフにおいて、横軸は部分酸化改質器54の温度を示し、縦軸はCO濃度を示している。
図3Aに示すように、起動用改質マップ98aでは、例えば、部分酸化改質器54の温度がTaである場合、O2/C=α1の時にCO濃度はC1になり、O2/C=αnの時にCO濃度はCnになる。図3Aの例では、αnはα1よりも大きく、CnはC1よりも小さい。すなわち、起動用改質マップ98aは、部分酸化改質器54の温度が一定であれば、混合比(O2/C)が大きくなるほど、CO濃度は低下する。
発電用改質マップ98bは、部分酸化改質器54の温度と、部分酸化改質器54で生成される燃料ガス中のCO濃度と、部分酸化改質器54に供給される原燃料と空気との混合比との関係が規定されたマップである。
具体的には、図3Bに示すように、発電用改質マップ98bとしては、混合比(炭素に対する酸素の割合であるO2/C)が互いに異なる複数(例えば、n個)のグラフが用いられる。各グラフは、部分酸化改質器54の温度に対するCO濃度の変化を示している。換言すれば、各グラフにおいて、横軸は部分酸化改質器54の温度を示し、縦軸はCO濃度を示している。
図3Bに示すように、発電用改質マップ98bでは、例えば、部分酸化改質器54の温度がTaである場合、O2/C=β1の時にCO濃度はC1になり、O2/C=βnの時にCO濃度はCnになる。図3Bの例では、βnはβ1よりも大きく、CnはC1よりも小さい。すなわち、発電用改質マップ98bは、部分酸化改質器54の温度が一定であれば、混合比(O2/C)が大きくなるほど、CO濃度は低下する。なお、β1は、起動用改質マップ98aのα1よりも小さい。
本実施形態では、燃料電池スタック12の起動時には、燃料電池スタック12の発電により発生する水分がシフト反応器56に導入されず、起動用燃焼器48で発生した燃焼ガス中の水分がシフト反応器56に導入される。一方、燃料電池スタック12の発電時には、発電により発生する水分がシフト反応器56に導入される。すなわち、燃料電池スタック12の起動時と発電時とでシフト反応器56に導入される水分量が異なる。そして、部分酸化改質器54とシフト反応器56とによって生成される燃料ガス中のCO濃度は、シフト反応器56に導入される水分量に応じて変化する。そのため、本実施形態では、起動用改質マップ98aと発電用改質マップ98bの2種類のマップが用意される。
なお、起動用改質マップ98aおよび発電用改質マップ98bのそれぞれは、図3Aおよび図3Bに示すような複数のグラフでなくてもよい。例えば、起動用改質マップ98aおよび発電用改質マップ98bとしては、部分酸化改質器54の温度が互いに異なる複数のグラフを用いてもよい。この場合、各グラフにおいて、横軸は混合比(O2/C)になり縦軸はCO濃度になる。
図2において、限界CO濃度算出部90は、炭素析出マップ96を用いて燃料電池スタック12への炭素析出が開始する燃料ガス中の限界CO濃度を算出する。目標CO濃度設定部92は、燃料ガス中の目標CO濃度を限界CO濃度よりも小さい濃度に設定する。目標混合比算出部94は、起動用改質マップ98aまたは発電用改質マップ98bを用いて、改質器温度検出部T2で検出された温度と目標CO濃度とから部分酸化改質器54に供給される原燃料と空気との目標混合比(目標O2/C)を算出する。
次に、燃料電池システム10Aの制御方法について、以下に説明する。
燃料電池システム10Aを起動する際、図4のステップS1において、制御部76は、エアポンプ42を駆動して酸化剤ガス供給路44に酸化剤ガスを供給する。エアポンプ42から酸化剤ガス供給路44に供給された酸化剤ガスは、熱交換器46を介して起動用燃焼器48に導かれる。
また、ステップS2において、制御部76は、原燃料ポンプ60を駆動して混合比調整部64に原燃料を供給するとともに空気供給部62を駆動して混合比調整部64に空気を供給する。混合比調整部64では、原燃料と空気とが混合される。
続いて、ステップS3(燃焼工程)において、燃焼制御部80は、起動用燃焼器48の燃焼を開始する。具体的には、燃焼制御部80は、燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料供給を開始するとともに起動用燃焼器48の点火装置48aを点火させる。
そうすると、起動用燃焼器48では、酸化剤ガスと燃料とが混合されるとともに点火装置48aによって着火されるため、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、水蒸気を含んでいる。起動用燃焼器48で発生した燃焼ガスは、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口38aおよび酸化剤ガス流路34を介して酸化剤ガス出口38bに導かれる。これにより、燃料電池スタック12が昇温される。
燃料電池スタック12の酸化剤ガス出口38bから導出された燃焼ガスは、酸化剤ガス排出路68および排ガス燃焼器72を介して燃焼ガス導出路73に導かれる。燃焼ガス導出路73に導かれた燃焼ガスは、熱交換器46よりも上流側で燃焼ガス導入路74に分岐する。熱交換器46では、燃焼ガスの熱が酸化剤ガス供給路44を流通する酸化剤ガスに伝達される。熱交換器46を流通した燃焼ガスは、燃焼ガス導出路73における熱交換器46よりも下流側に導出される。燃焼ガス導入路74に導かれた燃焼ガスは、排ガス混合部52に導かれる。排ガス混合部52で混合ガスに導入された燃焼ガスは、混合ガスとともに、混合ガス供給路66を介して部分酸化改質器54とシフト反応器56とに導かれる。これにより、燃焼ガスに含まれる水蒸気がシフト反応器56に供給されることとなる。
この際、ステップS4(判定工程)において、判定部86は、起動用燃焼器48で発生した燃焼ガスがシフト反応器56に到達したか否かを判定する。具体的には、判定部86は、排ガス燃焼器72の昇温が開始されていない場合には燃焼ガスがシフト反応器56に到達していないと判定し、排ガス燃焼器72の昇温が開始された場合に燃焼ガスがシフト反応器56に到達したと判定する。排ガス燃焼器72の昇温が開始されたか否かは、排ガス燃焼器温度検出部T3で検出された温度に基づいて判定部86が判定する。
燃焼ガスがシフト反応器56に到達していないと判定部86によって判定された場合(ステップS4:NO)、ステップS4の処理を繰り返し行う。燃焼ガスがシフト反応器56に到達したと判定部86によって判定された場合(ステップS4:YES)、ステップS5(改質工程)において、改質制御部84は、部分酸化改質器54の点火装置54aを点火させる。
これにより、部分酸化改質器54では、原燃料が部分酸化改質されることにより燃料ガス(一酸化炭素と水素を含むガス)が生成される。部分酸化改質器54で生成された燃料ガスは、シフト反応器56に導かれる。
そして、ステップS6(シフト反応工程)において、シフト反応器56で燃料ガス中の一酸化炭素と燃焼ガス中の水蒸気とがシフト反応されることにより二酸化炭素と水素ガスが生成される。シフト反応器56から導出された燃料ガス(水素ガスなど)は、燃料ガス入口40aから燃料ガス流路36に導かれる。
部分酸化改質器54で生成された燃料ガスは、燃料電池スタック12および燃料ガス排出路70を介して排ガス燃焼器72に導かれる。そして、ステップS7(排ガス燃焼工程)において、燃焼制御部80は、排ガス燃焼器72の点火装置72aを点火する。これにより、排ガス燃焼器72に導かれた燃料ガスが着火されて燃焼ガスが発生する。排ガス燃焼器72で発生した燃焼ガスは、燃焼ガス導出路73を介して燃焼ガス導入路74と熱交換器46とに導かれる。
部分酸化改質器54の点火装置54aの起動後は、ステップS8において、起動時炭素析出抑制制御が行われる。具体的には、図5のステップS20(燃料電池温度検出工程)において、燃料電池温度検出部T1は、燃料電池スタック12の温度を検出する。次いで、ステップS21(限界CO濃度算出工程)において、限界CO濃度算出部90は、燃料電池温度検出部T1で検出された温度と炭素析出マップ96とを用いて限界CO濃度を算出する。つまり、限界CO濃度算出部90は、燃料電池温度検出部T1で検出された燃料電池スタック12の温度において、燃料電池スタック12に炭素が析出するCO濃度の下限値を限界CO濃度として炭素析出マップ96を用いて算出する
その後、ステップS22(改質器温度検出工程)において、改質器温度検出部T2は、部分酸化改質器54の温度を検出する。そして、ステップS23(CO濃度検出工程)において、COセンサSは、燃料ガス供給路58を流通する燃料ガス中の現在のCO濃度を検出する。
続いて、ステップS24(目標CO濃度設定工程)において、目標CO濃度設定部92は、目標CO濃度を限界CO濃度よりも低い領域内で最も高いCO濃度に設定する。ただし、目標CO濃度設定部92は、目標CO濃度を限界CO濃度よりも低い範囲内であればどのように設定してもよい。
次いで、ステップS25(目標混合比算出工程)において、目標混合比算出部94は、改質器温度検出部T2で検出された温度と目標CO濃度と起動用改質マップ98aとを用いて目標混合比を算出する。つまり、図3Aの例では、部分酸化改質器54が温度Taで目標CO濃度がCnであったとすると、起動用算出マップを用いて算出される目標混合比(O2/C)はαnとなる。
その後、図5のステップS26(混合制御工程)において、混合制御部82は、COセンサSで検出されたCO濃度が目標CO濃度になるように混合比調整部64の動作を制御する。すなわち、混合制御部82は、原燃料と空気の混合比が目標混合比になるように混合比調整部64の動作を制御する。
続いて、図4のステップS9において、制御部76は、燃料電池スタック12の起動が完了したか否かを判定する。
燃料電池スタック12の起動が完了していないと制御部76によって判定された場合(ステップS9:NO)、ステップS8の起動時炭素析出抑制制御が再度行われる。
燃料電池スタック12の起動が完了したと制御部76によって判定された場合(ステップS9:YES)、ステップS10(燃焼停止工程)において、燃焼制御部80は、燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料の供給を停止する。
その後、ステップS11において、燃料電池スタック12の発電が開始される。すなわち、酸化剤ガス供給路44を流通する酸化剤ガスは、燃料電池スタック12の酸化剤ガス入口38aに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口38aから酸化剤ガス流路34に導入され、酸化剤ガス流路34に沿って移動することにより電解質・電極構造体22のカソード電極30に供給される。
一方、燃料ガス供給路58を流通する燃料ガスは、燃料電池スタック12の燃料ガス入口40aに供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口40aから燃料ガス流路36に導入され、燃料ガス流路36に沿って移動することにより電解質・電極構造体22のアノード電極32に供給される。
したがって、各電解質・電極構造体22では、カソード電極30に供給される酸化剤ガス中の酸素とアノード電極32に供給される燃料ガス中の水素ガスとが電気化学反応により消費されて発電が開始される。この発電の際に水分が発生する。
カソード電極30に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、水分とともに酸化剤排ガスとして酸化剤ガス排出路68を介して排ガス燃焼器72に導かれる。アノード電極32に供給されて一部が消費された燃料ガスは、水分とともに燃料排ガスとして燃料ガス排出路70を介して排ガス燃焼器72に導かれる。
そして、排ガス燃焼器72では、酸化剤排ガスと燃料排ガスとが着火されて燃焼ガスが発生する。排ガス燃焼器72で発生した燃焼ガスは、燃焼ガス導出路73を介して燃焼ガス導入路74と熱交換器46とに導かれる。熱交換器46では、燃焼ガスの熱が酸化剤ガス供給路44の酸化剤ガスに伝達される。
燃焼ガス導出路73における熱交換器46よりも上流側から燃焼ガス導入路74に導かれた燃焼ガスの一部は、排ガス混合部52、部分酸化改質器54、シフト反応器56、および燃料ガス供給路58を介して燃料電池スタック12に導かれる。すなわち、燃焼ガス導入路74に導かれた燃焼ガス中の水分は、シフト反応器56でシフト反応に使用される。燃焼ガス導入路74に導かれなかった残余の燃焼ガスは、燃焼ガス導出路73を介して大気に排出される。
燃料電池スタック12の発電中は、ステップS12において、発電時炭素析出抑制制御が行われる。図5に示すように、発電時炭素析出抑制制御では、燃料電池温度検出工程(ステップS30)、限界CO濃度算出工程(ステップS31)、改質器温度検出工程(ステップS32)、CO濃度検出工程(ステップS33)、目標CO濃度設定工程(ステップS34)、目標混合比算出工程(ステップS35)、および混合制御工程(ステップS36)を行う。
発電時炭素析出抑制制御のステップS30〜ステップS34およびステップS36は、起動時炭素析出抑制制御のステップS20〜ステップS24およびステップS26と同じ処理を行う。発電時炭素析出抑制制御の目標混合比算出工程(ステップS35)では、目標混合比算出部94が、改質器温度検出部T2で検出された温度と目標CO濃度と発電用改質マップ98bとを用いて目標混合比を算出する。すなわち、ステップS35の目標混合比算出工程では、起動用改質マップ98aではなく発電用改質マップ98bを用いる点以外は、上述したステップS25の目標混合比算出工程と同様の処理が行われる。
発電時炭素析出抑制制御の後(ステップS36の後)、図4のステップS13において、制御部76は、燃料電池スタック12の発電停止信号を受信したか否かを判定する。燃料電池スタック12の発電停止信号を受信していないと制御部76によって判定された場合(ステップS13:NO)には、ステップS12の発電時炭素析出抑制制御が再度行われる。燃料電池スタック12の発電停止信号を受領したと制御部76によって判定された場合(ステップS13:YES)には、ステップS14において、制御部76は、発電を停止する。そして、今回のフローチャートは終了する。
この燃料電池システム10Aおよび燃料電池システム10Aの制御方法は、以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動時に、起動用燃焼器48で発生した燃焼ガスによって燃料電池(燃料電池スタック12)を昇温させることができる。また、燃焼ガス中の水蒸気を用いてシフト反応させることができるため、シフト反応器56によって燃料ガス中のCO濃度を効率的に低下させることができる。したがって、燃料電池(燃料電池スタック12)での炭素析出を抑制した状態で燃料電池(燃料電池スタック12)を迅速に起動することができる。
部分酸化改質器54は、点火装置54aを有し、燃料電池システム10Aは、点火装置54aの点火を制御する改質制御部84を備える。改質制御部84は、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動時に、燃焼ガスがシフト反応器56に到達するまで点火装置54aを点火させず、燃焼ガスがシフト反応器56に到達した時に点火装置54aを点火させる。
また、燃料電池システム10Aの制御方法において、改質工程では、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動時に、燃焼ガスがシフト反応器56に到達するまで部分酸化改質器54の点火装置54aを点火させず、燃焼ガスがシフト反応器56に到達した時に点火装置54aを点火させる。
このような構成および方法によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動時に燃焼ガスがシフト反応器56に到達する前に、部分酸化改質器54で一酸化炭素が生成されることを抑制できる。これにより、燃料電池(燃料電池スタック12)での炭素析出を一層抑制できる。また、燃焼ガスがシフト反応器56に到達した時に点火装置54aを点火させるため、部分酸化改質器54によって燃料ガスを効率的に生成することができる。
燃料電池システム10Aは、起動用燃焼器48に燃料を供給するための燃料供給部50と、燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料供給を制御する燃焼制御部80と、を備える。燃焼制御部80は、燃料電池スタック12の起動が完了するまで燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料供給を継続し、燃料電池スタック12の起動が完了した時に燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料供給を停止する。
燃料電池システム10Aの制御方法において、燃焼工程では、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動が完了するまで燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料供給を継続し、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動が完了した時に燃料供給部50から起動用燃焼器48への燃料供給を停止する燃焼停止工程を行う。
このような構成および方法によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動完了後直ぐに燃料電池(燃料電池スタック12)の発電を開始することができる。
燃料電池システム10Aは、燃料電池(燃料電池スタック12)を流通した燃焼ガスが導かれる燃焼ガス導出路73と、燃焼ガス導出路73を流通する燃焼ガスと酸化剤ガス供給路44を流通する酸化剤ガスとの間で熱交換する熱交換器46と、を備える。燃焼ガス導入路74は、燃焼ガス導出路73における熱交換器46よりも上流側に連結されている。
このような構成によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)の起動時に、起動用燃焼器48で発生した燃焼ガスによって酸化剤ガスを効率的に加熱することができる。
燃料電池システム10Aは、原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを部分酸化改質器54に供給する混合ガス供給路66と、混合ガス供給路66に設けられた排ガス混合部52と、を備える。燃焼ガス導入路74は、排ガス混合部52に連結されている。
このような構成によれば、簡易な構成により燃焼ガスをシフト反応器56に導くことができる。
本実施形態によれば、COセンサSで検出されたCO濃度が目標CO濃度になるように部分酸化改質器54に供給される原燃料と空気との混合比を調整するため、燃料電池(燃料電池スタック12)に供給される燃料ガス中のCO濃度を適切に抑えることができる。これにより、燃料電池(燃料電池スタック12)での炭素析出を抑制することができる。
燃料電池システム10Aは、燃料電池(燃料電池スタック12)の温度を検出する燃料電池温度検出部T1と、燃料電池(燃料電池スタック12)の温度と燃料電池(燃料電池スタック12)における炭素析出との関係が規定された炭素析出マップ96を用いて、燃料電池温度検出部T1で検出された温度から燃料電池(燃料電池スタック12)への炭素析出が開始する燃料ガス中の限界CO濃度を算出する限界CO濃度算出部90と、を備える。目標CO濃度設定部92は、目標CO濃度を限界CO濃度よりも低い濃度に設定する。
燃料電池システム10Aの制御方法では、燃料電池(燃料電池スタック12)の温度を検出する燃料電池温度検出工程と、燃料電池(燃料電池スタック12)の温度と燃料電池(燃料電池スタック12)における炭素析出との関係が規定された炭素析出マップ96を用いて、燃料電池温度検出工程で検出された温度から燃料電池(燃料電池スタック12)への炭素析出が開始する燃料ガス中の限界CO濃度を算出する限界CO濃度算出工程と、を行う。目標CO濃度設定工程では、目標CO濃度を限界CO濃度よりも低い濃度に設定する。
このような構成および方法によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)での炭素析出を確実に抑制することができる。
燃料電池システム10Aは、部分酸化改質器54の温度を検出する改質器温度検出部T2と、部分酸化改質器54の温度と部分酸化改質器54で生成されて燃料電池(燃料電池スタック12)に導入される燃料ガス中のCO濃度と混合比との関係が規定された改質マップ(発電用改質マップ98b)を用いて、改質器温度検出部T2で検出された温度と目標CO濃度とから部分酸化改質器54に供給される原燃料および空気の目標混合比を算出する目標混合比算出部94と、を備える。混合制御部82は、混合比が目標混合比になるように混合比調整部64の動作を制御する。
燃料電池システム10Aの制御方法では、部分酸化改質器54の温度を検出する改質器温度検出工程と、部分酸化改質器54の温度と部分酸化改質器54で生成されて燃料電池(燃料電池スタック12)に導入される燃料ガス中のCO濃度と混合比との関係が規定された改質マップ(発電用改質マップ98b)を用いて、改質器温度検出工程で検出された温度と目標CO濃度とから部分酸化改質器54に供給される原燃料および空気の目標混合比を算出する目標混合比算出工程と、を行う。混合制御工程では、混合比が目標混合比になるように混合比調整部64の動作を制御する。
このような構成および方法によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)に供給される燃料ガス中のCO濃度を精度よく目標CO濃度にすることができる。
燃料電池システム10Aにおいて、目標CO濃度設定部92は、目標CO濃度を、限界CO濃度よりも低い領域内で最も高いCO濃度に設定する。また、目標CO濃度設定工程は、目標CO濃度を、限界CO濃度よりも低い領域内で最も高いCO濃度に設定する。このような構成および方法によれば、燃料電池(燃料電池スタック12)の発電効率を高く保つことができる。
混合制御部82は、原燃料に対する空気供給量を変化させることにより混合比が調整されるように混合比調整部64の動作を制御する。混合制御工程では、原燃料に対する空気供給量を変化させることにより混合比が調整されるように混合比調整部64の動作を制御する。このような構成および方法によれば、原燃料供給量を少なくすることなく混合比を調整することができるため、燃料電池(燃料電池スタック12)に供給される燃料ガス中の燃料成分(水素ガス)の量が減少することを抑えることができる。そのため、燃料電池(燃料電池スタック12)を効率的に運転させることができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システム10Bについて説明する。なお、第2実施形態に係る燃料電池システム10Bにおいて、上述した第1実施形態に係る燃料電池システム10Aの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。第2実施形態に係る燃料電池システム10Bでは、第1実施形態に係る燃料電池システム10Aと同様の構成については、同様の作用効果を奏する。後述する第3実施形態および第4実施形態についても同様である。
図6に示すように、第2実施形態に係る燃料電池システム10Bは、燃料ガス排出路70と排ガス混合部52とを結ぶ燃料排ガス循環路100を備える点で上述した燃料電池システム10Aと異なる。この場合、燃料電池スタック12から燃料ガス排出路70に排出された燃料排ガスの一部が燃料排ガス循環路100を介して排ガス混合部52に導かれ、燃料電池スタック12で再利用される。
このような構成によれば、燃料排ガスを燃料電池(燃料電池スタック12)の燃料ガスとして用いることができるため、燃料電池(燃料電池スタック12)の発電効率を向上させることができる。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態に係る燃料電池システム10Cについて説明する。なお、第3実施形態に係る燃料電池システム10Cにおいて、上述した第1実施形態に係る燃料電池システム10Aの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図7に示すように、第3実施形態に係る燃料電池システム10Cは、燃料ガス排出路70と燃焼ガス導入路74とを互いに結ぶ燃料排ガス循環路102を備える点で上述した燃料電池システム10Aと異なる。この場合、燃料電池スタック12から燃料ガス排出路70に排出された燃料排ガスの一部が燃料排ガス循環路102と燃焼ガス導入路74を介して排ガス混合部52に導かれ、燃料電池スタック12で再利用される。このような構成によれば、上述した第2実施形態と同様の効果を奏する。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システム10Dについて説明する。なお、第4実施形態に係る燃料電池システム10Dにおいて、上述した第3実施形態に係る燃料電池システム10Cの構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図8に示すように、第4実施形態に係る燃料電池システム10Dの燃料ガス供給装置16aは、部分酸化改質器54で生成された燃料ガスをシフト反応器56に導くための中間流路104と、中間流路104に設けられた排ガス混合部52とを備える。すなわち、部分酸化改質器54は、シフト反応器56に対して別体に設けられている。燃焼ガス導入路74は、排ガス混合部52に連結されている。
本発明において、第4実施形態に係る構成(部分酸化改質器54とシフト反応器56とを結ぶ中間流路104に排ガス混合部52を設ける構成)は、第1実施形態および第2実施形態に係る燃料電池システム10A、10Bに対して適用してもよいことは勿論である。
本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
10A〜10D…燃料電池システム 12…燃料電池(燃料電池スタック)
44…酸化剤ガス供給路 46…熱交換器
48…起動用燃焼器 48a、54a、72a…点火装置
50…燃料供給部 52…排ガス混合部
54…部分酸化改質器 56…シフト反応器
66…混合ガス供給路 70…燃料ガス排出路
73…燃焼ガス導出路 74…燃焼ガス導入路
80…燃焼制御部 84…改質制御部
86…判定部 100、102…燃料排ガス循環路
104…中間流路 T1…燃料電池温度検出部

Claims (10)

  1. 原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、
    前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、
    前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
    前記酸化剤ガス供給路に設けられて燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器と、
    前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガスを前記シフト反応器に導くための燃焼ガス導入路と、を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムであって、
    前記部分酸化改質器は、点火装置を有し、
    前記燃料電池システムは、前記点火装置の点火を制御する改質制御部を備え、
    前記改質制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達するまで前記点火装置を点火させず、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達した時に前記点火装置を点火させる、燃料電池システム。
  3. 請求項1または2に記載の燃料電池システムであって、
    前記起動用燃焼器に燃料を供給するための燃料供給部と、
    前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を制御する燃焼制御部と、を備え、
    前記燃焼制御部は、前記燃料電池の起動が完了するまで前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を継続し、前記燃料電池の起動が完了した時に前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を停止する、燃料電池システム。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池を流通した前記燃焼ガスが導かれる燃焼ガス導出路と、
    前記燃焼ガス導出路を流通する前記燃焼ガスと前記酸化剤ガス供給路を流通する酸化剤ガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備え、
    前記燃焼ガス導入路は、前記燃焼ガス導出路における前記熱交換器よりも上流側に連結されている、燃料電池システム。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
    原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスを前記部分酸化改質器に供給する混合ガス供給路と、
    前記混合ガス供給路に設けられた排ガス混合部と、を備え、
    前記燃焼ガス導入路は、前記排ガス混合部に連結されている、燃料電池システム。
  6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
    前記部分酸化改質器で生成された燃料ガスを前記シフト反応器に導くための中間流路と、
    前記中間流路に設けられた排ガス混合部と、を備え、
    前記燃焼ガス導入路は、前記排ガス混合部に連結されている、燃料電池システム。
  7. 請求項5記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池から排出される燃料排ガスが流通する燃料ガス排出路と、
    前記燃料ガス排出路と前記燃焼ガス導入路とを連結する燃料排ガス循環路と、を備える、燃料電池システム。
  8. 原燃料を部分酸化改質して燃料ガスを生成する部分酸化改質器と、
    前記部分酸化改質器で生成された燃料ガス中の一酸化炭素と水蒸気とをシフト反応させるシフト反応器と、
    前記シフト反応器から導かれた燃料ガスと酸化剤ガス供給路から導かれた酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記酸化剤ガス供給路に設けられた起動用燃焼器で燃料を燃焼させて水蒸気を含む燃焼ガスを発生させる燃焼工程と、
    原燃料を前記部分酸化改質器で部分酸化改質して燃料ガスを生成する改質工程と、
    前記起動用燃焼器から導出されて前記燃料電池を流通した前記燃焼ガス中の水蒸気と前記改質工程で発生した燃料ガス中の一酸化炭素とを前記シフト反応器でシフト反応させるシフト反応工程と、を行う、燃料電池システムの制御方法。
  9. 請求項8記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記改質工程では、前記燃料電池の起動時に、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達するまで前記部分酸化改質器の点火装置を点火させず、前記燃焼ガスが前記シフト反応器に到達した時に前記点火装置を点火させる、燃料電池システムの制御方法。
  10. 請求項9記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃焼工程では、前記燃料電池の起動が完了するまで燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を継続し、前記燃料電池の起動が完了した時に前記燃料供給部から前記起動用燃焼器への燃料供給を停止する燃焼停止工程を行う、燃料電池システムの制御方法。
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