JP2020042901A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
特許文献１では、燃料電池システムの起動時に燃料電池スタックを昇温させるために、カソードガス流路に起動用昇温器を設け、当該起動用昇温器で生成した高温の燃焼ガスを燃料電池スタックの空気極に導入する燃料電池システムが開示されている。
In
しかしながら、燃焼ガスを直接空気極に導入すると、燃焼ガスに含まれるＣＯ2／Ｈ2Ｏによって空気極を構成する材料（空気極材料）が変質し、燃料電池スタックの発電性能が低下するという課題がある。 However, when the combustion gas is directly introduced into the air electrode, the material constituting the air electrode (air electrode material) is altered by CO 2 / H 2 O contained in the combustion gas, and the power generation performance of the fuel cell stack is reduced. There is.
本発明は、燃料ガスによって燃料電池スタックを昇温させながらも、燃焼ガスによる空気極材料の変質を抑え、燃料電池スタックの発電性能が低下することを抑制する技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique for suppressing deterioration of the power generation performance of a fuel cell stack by suppressing deterioration of an air electrode material due to a combustion gas while heating the fuel cell stack with a fuel gas. .
本発明による燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、酸化剤ガスおよび液体燃料の供給を受けて燃焼ガスを生成する起動燃焼器と、を備え、燃焼ガスを燃料電池に導入して当該燃料電池を所望の作動温度に昇温させる燃料電池システムである。この燃料電池システムは、起動燃焼器で生成された燃焼ガスがカソード極に到達する前に当該燃焼ガスの濃度を調整する濃度調整器を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system according to the present invention includes: a fuel cell that generates power by receiving a supply of a fuel gas and an oxidizing gas; and a startup combustor that generates a combustion gas by receiving a supply of an oxidizing gas and a liquid fuel. A fuel cell system in which gas is introduced into a fuel cell to raise the temperature of the fuel cell to a desired operating temperature. The fuel cell system includes a concentration adjuster that adjusts the concentration of the combustion gas before the combustion gas generated by the starting combustor reaches the cathode.
本発明によれば、燃焼ガスの濃度を調整することができるので、燃焼ガスによる空気極材料の変質を抑えて、燃料電池スタックの発電性能が低下することを抑制することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since the density | concentration of a combustion gas can be adjusted, deterioration of the air electrode material by a combustion gas can be suppressed and the fall of the electric power generation performance of a fuel cell stack can be suppressed.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の構成の概要を示す図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of the
燃料電池システム１００は、例えば車両に搭載されるシステムである。図示のように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の発電に用いられる液体燃料を蓄える燃料タンク８と、を備えている。
The
燃料電池スタック１は燃料ガスと、酸化剤ガスである空気の供給を受けて発電する。燃料電池スタック１は、複数の燃料電池又は燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
The
燃料電池スタック１は、燃料電池のアノード極にアノードガス（燃料ガス）を供給する燃料通路１１と、アノード極から排出される発電反応後の燃料オフガスを流す燃料オフガス通路１２と、を備える。さらに、燃料電池スタック１は、燃料電池のカソード極に酸化剤ガス（本実施形態では空気）を供給する空気通路１３と、カソード極から排出される空気を含む排ガスを流すカソード排ガス通路１４と、を備える。
The
燃料電池スタック（燃料電池）１は、燃料電池スタック１に燃料ガスを導入する燃料通路１１と、燃料電池スタック１から排出される発電反応後の燃料オフガスを流す燃料オフガス通路１２と、を備える。さらに、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１に酸化剤ガス（空気）を導入する空気通路１３と、燃料電池スタック１から排出される空気を含む排ガスを流すカソード排ガス通路１４と、を備える。
The fuel cell stack (fuel cell) 1 includes a
そして、燃料電池スタック１は、その内部に燃料通路１１を介して導入される燃料ガスの流路となる燃料流路を有し、燃料流路と接して配置されるアノード極（燃料極）に当該燃料ガスが供給されるように構成される。さらに、燃料電池スタック１は、その内部に、空気通路１３を介して導入される空気の流路となる空気流路を有し、空気流路と接して配置されるカソード極（空気極）に当該空気が供給されるように構成される。
The
燃料タンク８は、原燃料である液体燃料を貯蔵する。液体燃料は、例えば、水とエタノールからなる燃料である。なお、液体燃料は、含水エタノールに限られず、ガソリン又はメタノール等を含む液体燃料であってもよい。
The
燃料タンク８と燃料電池スタック１とは、燃料通路１１を通じて接続されている。燃料通路１１には、流れの方向に関して上流側から順に、蒸発器２１、燃料熱交換器２２、及び改質器２３が設けられている。また、燃料通路１１には、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを生成するべく、燃料タンク８から蒸発器２１への液体燃料の供給量を調節する第１燃料噴射装置７１が設けられている。具体的には、第１燃料噴射装置７１は、コントローラ５１からの指令信号に応じて開閉し、蒸発器２１に対する液体燃料の供給量を制御する。
The
蒸発器２１は、第１燃料噴射装置７１から供給された液体燃料（含水エタノール）を加熱し、燃料ガスを生成する。蒸発器２１は、排気燃焼器４０から燃焼ガス通路１７を通じて供給されるガスとの熱交換により、液体燃料を加熱する。
The
燃料熱交換器２２は、排気燃焼器４０での燃焼により生じた燃焼ガスの熱を受け、蒸発器２１からの燃料ガスをさらに加熱する。
The
改質器２３は、改質用触媒を内蔵しており、燃料熱交換器２２で加熱された燃料ガスを改質する。改質器２３で改質された燃料ガスは、燃料電池スタック１に供給される。
The
また、燃料通路１１には、蒸発器２１の上流側において当該燃料通路１１から分岐した燃焼器燃料供給路１５が接続されている。そして、燃焼器燃料供給路１５は、燃料通路１１と排気燃焼器４０とを接続する。
The
さらに、燃焼器燃料供給路１５には第２燃料噴射装置７２が設けられている。第２燃料噴射装置７２は、コントローラ５１からの指令信号に応じて開閉し、排気燃焼器４０に対する液体燃料の供給量を制御する。
Further, a second
一方、空気通路１３には、流れの方向に関して上流から順に、空気熱交換器３１、起動燃焼器３２、及び濃度調整器３３が設けられている。また、空気通路１３における燃料電池スタック１に対して反対側の開放端付近にエアブロア６１が設置されている。
On the other hand, the
空気熱交換器３１は、排気燃焼器４０から燃焼ガス通路１７を通じて供給される燃焼ガスとの熱交換により、空気通路１３を流れる空気を加熱する。
The
起動燃焼器３２は、燃料電池システム１００の起動制御等の燃料電池システム１００の暖機時において、空気熱交換器３１により加熱された空気と、第３燃料噴射装置７３から供給された液体燃料とが供給され両者を混合する。そして、起動燃焼器３２に付属する着火装置により空気と液体燃料の混合物に着火させて高温の燃焼ガスを生成する。ここで生成された高温の燃焼ガスは、燃料電池システム１００のシステム起動時において燃料電池スタック１を所望の作動温度に昇温するために用いられる。
When the
なお、第３燃料噴射装置７３は、蒸発器２１の上流側において燃料通路１１から分岐した燃焼器燃料供給路１６に設けられており、コントローラ５１からの指令信号に応じて開閉し、起動燃焼器３２に対する液体燃料の供給量を制御する。
The third
ここで、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスには、二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）とが含まれている。そして、ＣＯ2とＨ2Ｏとが含まれた燃焼ガスを燃料電池スタック１の空気極に直接供給すると、ＣＯ2とＨ2Ｏとにより空気極材料が変質することによって燃料電池スタック１の発電性能が低下（劣化）してしまうという問題がある。より具体的には、例えば、一般的な固体電解質型燃料電池の空気極材料として採用されるＬＳＣＦ（La0.6Sr0.4Co0.8FeO3-δ）等は、当該空気極材料中のＳｒがＨ2ＯやＣＯ2と反応することにより水酸化物や炭酸化物に変質し、結果として発電性能が低下してしまうことが知られている。
Here, the combustion gas generated by the starting
そこで、本実施形態の燃料電池システム１００は、空気通路１３における起動燃焼器３２の下流側において、空気の濃度（ガス組成）を調整する。より詳細には、燃料電池システム１００は、起動燃焼器３２の下流側において、発電性能の劣化要因となる二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）の濃度を調整可能な濃度調整器３３を備える。
Therefore, the
濃度調整器３３は、空気通路１３において起動燃焼器３２の下流側かつ燃料電池スタック１の上流側に設けられ、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ2）と水（Ｈ2Ｏ）の少なくとも一方の濃度を調整するように構成される。
The
具体的には、例えば、濃度調整器３３は、濃度調整器３３内の燃焼ガスの流路に化学吸着材料又は物理吸着材料を設け、これにＣＯ2およびＨ2Ｏの少なくとも一方を吸着させることで燃焼ガス中のＣＯ2およびＨ2Ｏの少なくとも一方の濃度を低減するように構成される。あるいは、濃度調整器３３は、濃度調整器３３内の燃焼ガスの流路に分離膜を設け、燃焼ガスに対して分離膜を介して分圧差を与えることにより、燃焼ガス中のＣＯ2およびＨ2Ｏの濃度を低減するように構成されてもよい。このように、濃度調整器３３によって燃焼ガス中のＣＯ2およびＨ2Ｏの濃度を低減する方法は適宜選択可能であるが、以下に説明する本実施形態の濃度調整器３３は、燃焼ガス中のＣＯ2およびＨ2Ｏの濃度を化学吸着材料を用いて低減するように構成される。
Specifically, for example, the
本実施形態の濃度調整器３３が備える化学吸着材料は、ＣＯ2およびＨ2Ｏの少なくとも一方を吸着可能な材料であって、いわゆるケミカルヒートポンプ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｈｅａｔ Ｐｏｍｐ）に使用可能な材料（ＣＨＰ材料）から適宜選択される。ＣＨＰ材料の具体例としては、例えば、ＣａＯ（酸化カルシウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、ＢａＯ（酸化バリウム）等、あるいは、これらを２以上複合した複合化合物が例示される。ただし、本実施形態の濃度調整器３３は、化学吸着材料として使用するＣＨＰ材料としてＣａＯを採用する。具体的には、本実施形態の濃度調整器３３は、濃度調整器３３内に設けられた燃焼ガスの流路の少なくとも一部に塗布された粉末状のＣａＯが固定化されて構成される。濃度調整器３３における化学吸着による燃焼ガス中のＣＯ2およびＨ2Ｏの低減作用および効果については図２等を用いて後述する。
The chemical adsorption material provided in the
エアブロア６１は、コントローラ５１からの指令に応じて定められる目標出力に応じて、外気（空気）を空気通路１３に吸入する。吸入空気は、空気通路１３を通り、空気熱交換器３１、起動燃焼器３２、及び濃度調整器３３を介して燃料電池スタック１に供給される。また、空気通路１３には、空気熱交換器３１の上流側において当該空気通路１３から分岐した空気分岐通路１８が接続されている。空気分岐通路１８は、空気を燃料熱交換器２２に供給する。そして、空気分岐通路１８には、スロットル７４が取り付けられ、コントローラ５１の制御により空気の流量が調整できるように構成されている。
The
さらに、燃料電池スタック１のアノード極出口及びカソード極出口に一端が接続されている燃料オフガス通路１２及びカソード排ガス通路１４は、それぞれの他端が排気燃焼器４０に接続されている。
Further, the fuel off-
排気燃焼器４０は、主として、燃焼器燃料供給路１５を介して供給される液体燃料と、カソード排ガス通路１４を介して供給される空気とを触媒燃焼させることにより燃焼ガスを生成する。なお、必要に応じて、燃料オフガス通路１２を介して供給される燃料オフガス中の燃料成分も上記触媒燃焼に用いることができる。排気燃焼器４０は、触媒燃焼により二酸化炭素や水を主成分とする排気ガスを生成するとともに、触媒燃焼による熱を燃料熱交換器２２等に伝達する。
The
また、燃料電池システム１００は、起動制御装置としてのコントローラ５１を有する。コントローラ５１は、（ＣＰＵ）等の各種演算・制御装置、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の各種記憶装置、並びに入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットとして構成されている。
Further, the
そして、コントローラ５１は、上述したように、エアブロア６１、第１〜第３燃料噴射装置７１、７２、７３、および、スロットル７４等を制御して、燃料電池システム１００における空気および液体燃料の流量（供給量）を制御する。
Then, as described above, the
特に、コントローラ５１は、燃料電池システム１００の起動時に、不図示の温度計により検出、あるいは公知の手法により推定された燃料電池スタック１の温度に応じて、燃料電池スタック１に空気（加熱空気）を供給するか、燃焼ガスを供給するかを制御する。コントローラ５１による当該制御の詳細については、図４を用いて後述する。
In particular, the
以下では、本実施形態の濃度調整器３３による燃焼ガス中に含まれる水（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）の少なくとも一方を低減する作用および効果について説明する。
Hereinafter, an operation and an effect of reducing at least one of water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) contained in the combustion gas by the
上述したとおり、本実施形態の濃度調整器３３は、化学吸着材料としてＣａＯ（酸化カルシウム）を備えている。ＣａＯは、水（Ｈ2Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）（以下、これらをまとめて「Ｈ2０／ＣＯ2」とも称する）に対してそれぞれ以下式（１）〜（４）の化学反応（結合又は脱離反応）を生じさせる。
As described above, the
ＣａＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）2：水酸化反応 …（１）
ＣａＯ＋Ｈ2Ｏ←Ｃａ（ＯＨ）2：脱水反応 …（２）
ＣａＯ＋ＣＯ2→Ｃａ（ＣＯ3）：炭酸化反応 …（３）
ＣａＯ＋ＣＯ2←Ｃａ（ＣＯ3）：脱炭酸化反応 …（４）
CaO + H 2 O → Ca (OH) 2 : hydroxylation reaction (1)
CaO + H 2 O ← Ca (OH) 2 : Dehydration reaction (2)
CaO + CO 2 → Ca (CO 3 ): Carbonation reaction ... (3)
CaO + CO 2 ← Ca (CO 3 ): decarboxylation reaction (4)
図２は、本実施形態の濃度調整器３３が燃焼ガス中のＨ2Ｏ／ＣＯ2を低減する作用効果を説明する図である。横軸は燃料電池スタック１の温度を示し、縦軸はガスの分圧［ａｔｍ］を示している。
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation and effect of the
図中の実線Ｈは、所定の温度に対する、ＣａＯとＨ2Ｏとの水酸化反応及び脱水反応（上記式（１）、（２）参照）が平衡状態となる分圧を示している。換言すると、実線Ｈは、燃焼ガス中のＨ2ＯとＣａＯとの所定温度における平衡状態時の分圧（平衡分圧）を示している。一方、図中の実線Ｃは、ＣａＯとＣＯ2との炭酸化反応及び脱炭酸化反応（上記式（３）、（４）参照）が平衡状態となる分圧（平衡分圧）を示している。換言すると、実線Ｃは、燃焼ガス中のＣＯ2とＣａＯとの所定温度における平衡状態時の分圧を示している。なお、実線Ｈ及び実線Ｃは、採用するケミカルヒートポンプの材料（ＣＨＰ材料）の種類（本実施形態ではＣａＯ）と、これら材料と反応するガス及び生成するガスによって熱力学的に決定される。 A solid line H in the figure indicates a partial pressure at which a hydroxylation reaction and a dehydration reaction (see the above formulas (1) and (2)) between CaO and H 2 O at a predetermined temperature are in an equilibrium state. In other words, the solid line H indicates the partial pressure (equilibrium partial pressure) of H 2 O and CaO in the combustion gas in an equilibrium state at a predetermined temperature. On the other hand, the solid line C in the figure indicates the partial pressure (equilibrium partial pressure) at which the carbonation reaction and decarboxylation reaction between CaO and CO 2 (see the above formulas (3) and (4)) are in an equilibrium state. I have. In other words, the solid line C indicates the partial pressure of CO 2 and CaO in the combustion gas at the predetermined temperature in the equilibrium state. The solid line H and the solid line C are thermodynamically determined by the type of the chemical heat pump material (CHP material) (CaO in the present embodiment), the gas reacting with these materials, and the generated gas.
また、図中の破線Ｈは、濃度調整器３３に供給される前、すなわち起動燃焼器３２によって液体燃料と空気とを燃焼させた際の燃焼ガスの温度に対するＨ2Ｏ分圧を示している。破線Ｈ上のポイントＨａ（点線白抜き円）は、本実施形態における一例であって、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガス、すなわち濃度調整器３３で濃度調整が行われる前の燃焼ガスが５００［Ｋ］だった場合のＨ2Ｏ分圧を示している。図より、本例における濃度調整前の燃焼ガスのＨ2Ｏ分圧は、約０．０４［ａｔｍ］であることが分かる。
The broken line H in the figure indicates the H 2 O partial pressure with respect to the temperature of the combustion gas before being supplied to the
同様に、図中の破線Ｃは、濃度調整器３３に供給される前、すなわち起動燃焼器３２によって液体燃料と空気とを燃焼させた際の燃焼ガスの温度に対するＣＯ2分圧を示している。破線Ｃ上のポイントＣａ（点線白抜き円）は、本実施形態における一例であって、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガス、すなわち濃度調整器３３で濃度調整が行われる前の燃焼ガスが５００Ｋだった場合のＣＯ2分圧を示している。図より、本例における濃度調整前の燃焼ガスのＣＯ2分圧は、約０．０１［ａｔｍ］であることが分かる。
Similarly, the dashed line C in the figure indicates the CO 2 partial pressure with respect to the temperature of the combustion gas before being supplied to the
そして、実線Ｈ上のポイントＨｂは、濃度調整器３３を通過後の燃焼ガス、すなわち、濃度調整器３３による濃度調整を経て燃料電池スタック１に供給される燃焼ガスのＨ2Ｏ分圧を示している。図より、本例における濃度調整後の燃焼ガスのＨ2Ｏ分圧は、約０．０３［ａｔｍ］であることが分かる。すなわち、本実施形態の濃度調整器３３において燃焼ガスに含まれるＨ2ＯとＣＨＰ材料（ＣａＯ）とが反応することによって、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスのＨ2Ｏ濃度を低減させることができることが分かる。なお、破線Ｈ及び破線Ｃは、燃料となる組成（ここでは含水エタノールの組成）及び酸化剤の組成（ここでは空気）とこれらの燃焼反応熱によって決定される。
A point Hb on the solid line H indicates the H 2 O partial pressure of the combustion gas after passing through the
同様に、実線Ｃ上のポイントＣｂは、濃度調整器３３による濃度調整を経て燃料電池スタック１に供給される燃焼ガスのＣＯ2分圧を示している。本例における濃度調整後の燃焼ガスのＣＯ2分圧は、約１×Ｅ-7［ａｔｍ］である。すなわち、本実施形態の濃度調整器３３において燃焼ガスに含まれるＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）とが反応することによって、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスのＣＯ２濃度を低減させることができることが分かる。
Similarly, a point Cb on the solid line C indicates the CO 2 partial pressure of the combustion gas supplied to the
このように、本実施形態の濃度調整器３３によれば、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガス中のＨ2Ｏ／ＣＯ2の濃度を低減することができる。本実施形態の濃度調整器３３がこのような効果を奏するのは、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスのＨ2Ｏ／ＣＯ2分圧がＨ2Ｏ／ＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）との平衡分圧よりも高い圧力になっているからである。つまり、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスのＨ2Ｏ／ＣＯ2分圧が起動燃焼器３２において低減されるのは、濃度調整器３３において、当該燃焼ガスのＨ2Ｏ／ＣＯ2分圧がＨ2Ｏ／ＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）との平衡分圧に収束した結果である。
As described above, according to the
したがって、本実施形態の濃度調整器３３において濃度調整が行われる際には、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスのＨ2Ｏ／ＣＯ2分圧（破線Ｈ、Ｃ参照）が、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）との平衡分圧（実線Ｈ、Ｃ参照）よりも大きいことが好ましい。なお、上述したとおり、実線Ｈ、Ｃでそれぞれ示す平衡分圧はＣＨＰ材料の選択或いは組み合わせを変更することにより適宜調整することができる。
Therefore, when the concentration is adjusted in the
また、本実施形態で採用されるＣＨＰ材料（ＣａＯ）は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合する際の反応熱により発熱する。したがって、図示するとおり、濃度調整器３３において濃度調整が行われる際には、ＣＨＰ材料（ＣａＯ）が水酸化、炭酸化することにより発生する反応熱により燃焼ガスの温度が上昇する。すなわち、化学吸着材料により濃度調整を行う本実施形態の濃度調整器３３によれば、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2の濃度を低減するだけでなく、燃焼ガスの温度を上昇させる効果も加えて奏することができる。結果として、起動燃焼器３２による燃焼ガスの昇温温度を低減させることができるので、起動燃焼器３２がガスを昇温するのに要するエネルギーを低減することができる。
In addition, the CHP material (CaO) employed in the present embodiment generates heat due to the heat of reaction when binding to at least one of H 2 O and CO 2 . Therefore, as shown in the figure, when the concentration is adjusted by the
ここで、燃料電池スタック１の空気極材料とＨ2０／ＣＯ2との間には、これらが吸着（結合）し、且つ、反応（イオン交換）しやすい温度域が存在する。例えば、空気極材料のＬＳＣＦでは、図中の点線で示すように、上記結合乃至反応（劣化反応）が２００〜５００°（４７３Ｋから７７３Ｋ）程度の温度域（劣化反応温度域）において促進される傾向があることが知られている（例えば、「US Department of Energy, National Energy Technology Laboratory, Contract No. DEFE0009084」を参照）。
Here, between the air electrode material of the
したがって、濃度調整器３３では、空気極材料とＨ2０／ＣＯ2とが反応しやすい温度域においては燃焼ガスからＨ2Ｏ／ＣＯ2を可能な限り低減させることが好ましい。すなわち、起動燃焼器３２で生成された燃焼ガスが濃度調整器３３によって濃度調整される際の燃料電池スタック１の温度は、劣化反応温度域の少なくとも一部の温度域を含んでいることが好ましい。換言すれば、濃度調整器３３による燃焼ガスのＨ2Ｏ／ＣＯ2の濃度調整は、燃料電池スタック１の温度が劣化反応温度域の少なくとも一部の温度域を含んでいる際に行われるのが好ましい。なお、濃度調整器３３を構成する材料の組成を調整することにより、濃度調整器３３による濃度調整が所望の温度範囲において行われるように構成することができる。より具体的には、濃度調整器３３を構成するＣＨＰ材料を適切に選択、あるいは、複合化合物により構成されるＣＨＰ材料の組成を適切に調整することにより、濃度調整器３３を構成するＣＨＰ材料とＨ2Ｏ／ＣＯ2との反応が劣化反応温度域で好適に行われるように設定することができる。
Therefore, in the
これにより、空気極材料がＨ2０／ＣＯ2によって最も変質されやすい温度域において燃料電池スタック１に供給される燃焼ガスのＨ2０／ＣＯ2の濃度が低減されるので、空気極材料にＨ2０／ＣＯ2が吸着される頻度を的確に低減することができる。その結果、空気極材料とＨ2０／ＣＯ2との反応を的確に抑制し、燃料電池スタック１の発電性能が低下することをより確実に回避することができる。
Thus, the air electrode material is the concentration of H 2 0 / CO 2 of the combustion gas supplied to the
以上、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、酸化剤ガスおよび液体燃料の供給を受けて燃焼ガスを生成する起動燃焼器と、を備え、燃焼ガスを燃料電池に導入して当該燃料電池を所望の作動温度に昇温させる燃料電池システムである。この燃料電池システムは、起動燃焼器で生成された燃焼ガスがカソード極に到達する前に、当該燃焼ガスの濃度を調整する濃度調整器を備える。これにより、燃料電池スタック１に導入される燃焼ガスの濃度（組成）を調整することができるので、燃焼ガスによって空気極が劣化して燃料電池スタック１の発電性能が劣化することを抑制することができる。
As described above, according to the
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、濃度調整器３３は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合する材料（ＣＨＰ材料）を含んで構成され、燃焼ガス中のＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方の濃度を低減させる。これにより、空気極劣化に大きく影響するＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と空気極との接触機会を低減することができるので、燃焼ガスによって空気極が劣化して燃料電池スタック１の発電性能が劣化することをより確実に抑制することができる。
Further, according to the
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、濃度調整器３３を構成するＣＨＰ材料は、燃料電池スタック１の温度が所定温度範囲内である場合に燃焼ガス中のＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合するように構成される。また、所定温度範囲は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と前記カソード極を構成する空気極材料（ＬＳＣＦ）とが結合し当該空気極材料を劣化させる劣化反応が生じやすい反応温度範囲（劣化反応温度域）を含む。またさらに、上記の所定温度範囲は、２００〜５００℃である。これにより、空気極材料の劣化を生じさせる温度範囲において燃焼ガス中のＨ2ＯおよびＣＯ２の少なくとも一方の濃度を的確に低減することができるので、燃焼ガスによって空気極が劣化して燃料電池スタック１の発電性能が劣化することをより的確に抑制することができる。
Further, according to the
また、第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、濃度調整器３３は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合し、かつ、当該結合により発熱する材料（ＣＨＰ材料）を含んで構成される。これにより、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2の濃度を低減するだけでなく、燃焼ガスの温度を上昇させる効果も加えて奏することができる。結果として、起動燃焼器３２による燃焼ガスの昇温温度を低減させることができるので、起動燃焼器３２がガスを昇温するのに要するエネルギーを低減することができる。
Further, according to the
［第２実施形態］
以下では、第２実施形態の燃料電池システム１００について説明する。
[Second embodiment]
Hereinafter, the
ここで、第１実施形態で説明した濃度調整器３３において行われるＣＨＰ材料（ＣａＯ）とＨ2Ｏ／ＣＯ2との反応（水酸化反応、炭酸化反応）が進むといずれ飽和する。したがって、本実施形態では、濃度調整（Ｈ2Ｏ／ＣＯ2反応）が行われた後のＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））から、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2を脱離させることにより上記飽和を回避、或いは解消させる回復操作が実行される。
Here, when the reaction (hydroxylation reaction, carbonation reaction) between the CHP material (CaO) and H 2 O / CO 2 performed in the
具体的には、本実施形態の濃度調整器３３は、上述の濃度調整（Ｈ2Ｏ／ＣＯ2反応）が行われた後に燃料電池システム１００が定常運転に移行した後のＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））から、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2を脱離させるように構成される。以下図面等を参照して詳細を説明する。
Specifically, the
図３は、本実施形態の濃度調整器３３において行われる、上述のＨ2Ｏ／ＣＯ2反応後のＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））からＨ2Ｏ／ＣＯ2を脱離させる脱離反応を説明する図である。横軸は燃料電池スタック１の温度を示し、縦軸はガスの分圧［ａｔｍ］を示している。また、図２と同様、実線ＨはＣａＯとＨ2Ｏとが平衡状態となる分圧を示し、実線ＣはＣａＯとＣＯ2とが平衡状態となる分圧を示している。そして、破線Ｈは空気中のＨ2Ｏ分圧（０．０１［ａｔｍ］）を示し、破線Ｃは空気中のＣＯ2分圧（４×Ｅ-4）を示している。
Figure 3 is performed at a
そして、破線Ｈ上のポイントＨｃ（点線白抜き円）は、本実施形態における一例であって、空気熱交換器３１で行われる熱交換により加熱された加熱空気が９２３Ｋ（６５０℃）だった場合における当該加熱空気中のＨ2Ｏ分圧（０．０１［ａｔｍ］）を示している。
A point Hc (dotted white circle) on the broken line H is an example in the present embodiment, and the heating air heated by the heat exchange performed in the
同様に、破線Ｃ上のポイントＣｃ（点線白抜き円）は、本実施形態における一例であって、空気熱交換器３１で行われる熱交換により加熱された加熱空気が９２３Ｋ（６５０℃）だった場合における当該加熱空気中のＣＯ2分圧（４×Ｅ-4［ａｔｍ］）を示している。
Similarly, a point Cc (dotted white circle) on the broken line C is an example in the present embodiment, and the heated air heated by the heat exchange performed in the
なお、燃料電池システム１００の起動が完了し、定常運転に移行した後、換言すると、燃料電池システム１００の暖機が正常に行われた後は、起動燃焼器３２における燃焼ガスの生成は行われない。具体的には、例えば本実施形態では、燃料電池システム１００が定常運転に移行した後は第３燃料噴射装置７３から起動燃焼器３２への液体燃料の供給が停止される。したがって、燃料電池システム１００が定常運転に移行した後は、空気熱交換器３１において加熱された加熱空気は、起動燃焼器３２においてさらに燃焼されることなく、そのまま濃度調整器３３に導入される。
After the startup of the
そして、ポイントＨｄは、濃度調整器３３を通過後の空気（加熱空気）、すなわち、濃度調整器３３における脱離反応（脱水反応、数式（２）参照）を経て燃料電池スタック１に供給される加熱空気のＨ2Ｏ分圧を示している。本例における脱離反応後の加熱空気のＨ2Ｏ分圧は、約０．０３［ａｔｍ］である。すなわち、本実施形態の濃度調整器３３に加熱空気が導入されることによって、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2）からＨ2Ｏを脱離させることができている。
The point Hd is supplied to the
同様に、ポイントＣｄは、濃度調整器３３を通過後の空気（加熱空気）、すなわち、濃度調整器３３における脱離反応（脱炭酸化反応、数式（４）参照）を経て燃料電池スタック１に供給される加熱空気のＣＯ2分圧を示している。図より、本例における脱離反応後の加熱空気のＣＯ2分圧は、約１×Ｅ-3［ａｔｍ］である。すなわち、本実施形態の濃度調整器３３に加熱空気が導入されることによって、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＣＯ3））からＣＯ2を脱離させることができる。
Similarly, the point Cd is applied to the
このように、本実施形態の濃度調整器３３によれば、空気熱交換器３１において加熱された高温の加熱空気が導入されることにより、濃度調整器３３を構成するＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））からＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方を脱離させることができる。換言すると、本実施形態の濃度調整器３３によれば、空気熱交換器３１において加熱された高温の加熱空気（酸化剤ガス）が供給されることにより当該加熱空気中のＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方の濃度を増大させることができる。
As described above, according to the
本実施形態の濃度調整器３３がこのような効果を奏するのは、加熱空気のＨ2Ｏ／ＣＯ2分圧がＨ2Ｏ／ＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）との平衡分圧よりも低い圧力になっているからである。つまり、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））からＨ2Ｏ／ＣＯ2が脱離するのは、導入される加熱空気のＨ2Ｏ／ＣＯ2分圧が、濃度調整器３３においてＨ2Ｏ／ＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）との平衡分圧に収束しようとする結果である。
The reason that the
したがって、本実施形態の濃度調整器３３において脱離反応（回復操作）が行われる際には、加熱空気の温度を、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2分圧（破線Ｈ、Ｃ参照）がＨ2Ｏ／ＣＯ2とＣＨＰ材料（ＣａＯ）との平衡分圧（実線Ｈ、Ｃ参照）よりも小さくなるように設定する。ただし、加熱空気の温度は、空気極材料であるＬＳＣＦとＨ2０／ＣＯ2とが吸着乃至反応しやすい温度域である劣化反応温度域（図中の点線参照）よりも高温に設定されるのが好ましい。劣化反応温度域で脱離反応が起こると、脱離したＨ2０／ＣＯ2がＬＳＣＦに再び吸着してしまうからである。
Therefore, when the elimination reaction (recovery operation) is carried out at a
なお、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））からＨ2Ｏ／ＣＯ2をどの程度脱離させるかは、加熱空気の温度、濃度調整器３３に固定化されるＣＨＰ材料（ＣａＯ）の粒径、ＣＨＰ材料と加熱空気の接触面積等を調整することにより適宜設定することができる。なお、上述したとおり、実線Ｈ、Ｃでそれぞれ示す平衡分圧はＣＨＰ材料の選択或いは組み合わせを変更することにより適宜調整することができる。 The amount of H 2 O / CO 2 desorbed from the CHP material (Ca (OH) 2 , Ca (CO 3 )) depends on the temperature of the heated air and the CHP material ( It can be appropriately set by adjusting the particle size of CaO), the contact area between the CHP material and the heated air, and the like. As described above, the equilibrium partial pressures indicated by the solid lines H and C can be appropriately adjusted by changing the selection or combination of CHP materials.
また、本実施形態で採用されるＣＨＰ材料（ＣａＯ）は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方が脱離する際に吸熱する。したがって、図示するとおり、濃度調整器３３において濃度調整が行われる際には、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））からＨ2Ｏ／ＣＯ2が脱離する際の吸熱反応により加熱空気の温度が低下する。すなわち、本実施形態の濃度調整器３３によれば、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ3））からＨ2Ｏ／ＣＯ2を脱離させるだけでなく、加熱空気の温度を低下させる効果も加えて奏することができる。結果として、燃料電池スタック１へ導入する空気の温度を化学反応により低下させることができるので、燃料電池スタック１の温度を低下させるために要する燃料電池スタック１への空気流量を抑制することが可能となり、エアブロア６１の消費電流を低下させることができる。
Further, the CHP material (CaO) employed in the present embodiment absorbs heat when at least one of H 2 O and CO 2 is desorbed. Therefore, as shown in the figure, when the concentration is adjusted in the
ここで、燃料電池スタック１の起動運転の開始後に行われる濃度調整（第１実施形態参照）から定常運転への移行後に行われる脱離反応に係る制御の流れについて図４を参照して説明する。
Here, the flow of control relating to the desorption reaction performed after the transition from the concentration adjustment (see the first embodiment) performed after the start-up operation of the
図４は、燃料電池システム１００において濃度調整および脱離反応が行われる際の制御の流れを説明するフローチャートである。図４で示すステップＳ１からステップＳ１１の処理は、燃料電池システム１００の起動時に実行されるようにコントローラ５１にプログラムされている。
FIG. 4 is a flowchart illustrating a flow of control when the concentration adjustment and the desorption reaction are performed in the
ステップＳ１では、コントローラ５１は、例えばイグニッションスイッチが押下されること等からドライバの起動意思を確認して、燃料電池スタック１の起動運転を開始する。
In step S1, the
ステップＳ２では、コントローラ５１は、エアブロア６１を制御して、燃料電池スタック１への空気供給を開始する。
In step S2, the
ステップＳ３では、燃料電池スタック１の温度が所定値以下か否かを判定する。該所定値は、所望の作動温度であって、燃料電池スタック１の暖機が終了したか否かを判断可能な温度が適宜設定される。燃料電池スタック１の温度が所定値以下であると判定されると、続くステップＳ６の処理が実行される。燃料電池スタック１の温度が所定値より大きいと判定されると、燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断して、ステップＳ４の処理が実行される。
In step S3, it is determined whether the temperature of the
ステップＳ４では、前ステップにおいて燃料電池スタック１の暖機が既に完了していると判定されたので、コントローラ５１は起動運転を終了し、続くステップＳ５において燃料電池スタック１の発電を開始する。ステップＳ５において燃料電池スタック１の発電が開始されると、本フローは終了する。
In step S4, since it is determined in the previous step that the warming-up of the
一方、ステップＳ６では、コントローラ５１は、起動燃焼器３２への液体燃料の供給を開始する。これにより、起動燃焼器３２において燃焼ガスが生成され、該燃焼ガスが濃度調整器３３に導入される。これにより、濃度調整器３３において、第１実施形態で説明した濃度調整（Ｈ2Ｏ／ＣＯ2反応）が行われる。
On the other hand, in step S6, the
ステップＳ７では、コントローラ５１は、燃料電池スタック１の温度が所定値以上になったか否かを判定する。該所定値は、ステップＳ３と同様、燃料電池スタック１の暖機が終了したか否かを判断可能な温度である。燃料電池スタック１の温度が所定値以上であると判定されると、燃料電池スタック１の暖機が完了したと判断して、ステップＳ７の処理が実行される。燃料電池スタック１の温度が所定値より低いと判定されると、燃料電池スタック１の温度が所定値以上となるまで（暖機が完了するまで）ステップＳ６の処理が繰り返し継続される。
In step S7, the
ステップＳ８では、コントローラ５１は、起動運転を終了する。起動運転が終了すると、続くステップＳ９の処理に移行する。
In step S8, the
ステップＳ９では、コントローラ５１は発電を開始する。すなわち、コントローラ５１は、燃料電池スタック１への空気の供給を継続したまま、起動燃焼器３２への液体燃料の供給を停止するとともに、空気熱交換器３１における熱交換により加熱空気を生成する。これにより、空気熱交換器３１で生成される加熱空気が濃度調整器３３に導入され、脱離反応（脱水反応、脱炭酸化反応）が開始される。
In step S9, the
ステップＳ１０では、コントローラ５１は、ステップＳ９の発電開始、すなわち脱離反応が開始してから所定時間経過したか否かを判定する。ここでの所定時間は、濃度調整器３３において、ＣＨＰ材料からのＨ2Ｏ／ＣＯ2の脱離が十分に行われたと判断できる時間が適宜設定される。コントローラ５１は、所定時間経過したと判定すると、ステップＳ１１の処理を実行する。所定時間経過していないと判定されると、所定時間が経過するまでステップＳ９の処理が繰り返し継続される。
In step S10, the
なお、ステップＳ９では、上述の脱離反応に伴う吸熱反応により燃料電池スタック１へ導入される空気の温度が低減されるので、燃料電池スタック１の温度を所望の温度に調整するのに必要な空気流量を抑制することができる。これにより、ステップＳ９およびＳ１０においてエアブロア６１を稼動させて燃料電池スタック１へ空気を供給するのに要する電力量を低減することができる。
In step S9, since the temperature of the air introduced into the
そして、ステップＳ１１では、コントローラ５１は、脱離反応が終了するのに伴い吸熱反応による空気温度の低減効果がなくなるので、燃料電池スタック１の温度を所望の温度に維持するために、燃料電池スタック１への空気流量を増加させる。これにより、脱離反応による空気温度の低減効果を伴わない通常の定常運転が実行され、本フローは終了する。
Then, in step S11, the
以上、第２実施形態の燃料電池システム１００は、起動燃焼器３２へ液体燃料を供給する燃料供給部（第３燃料噴射装置７３）と、濃度調整器３３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部（エアブロア６１）と、燃料供給部と酸化剤ガス供給部とを制御するコントローラ５１とを備え、濃度調整器３３を構成するＣＨＰ材料は、結合したＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方が脱離するように構成される。そして、コントローラ５１は、燃料電池スタック１が所望の作動温度に到達した場合には、起動燃焼器３２への液体燃料の供給を停止するとともに濃度調整器３３に酸化剤ガスを供給することによりＣＨＰ材料からＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方を脱離させる。また、第２実施形態の燃料電池システム１００は、濃度調整器３３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部（エアブロア６１）と、燃料供給部と酸化剤ガス供給部とを制御するコントローラ５１とを備え、ＣＨＰ材料は、結合したＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方が脱離するように構成される。そして、コントローラ５１は、燃料電池スタック１が所望の作動温度に到達し、かつ、当該燃料電池スタック１の発電が開始された場合には、濃度調整器３３に酸化剤ガスを供給することによりＣＨＰ材料からＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方を脱離させる
As described above, the
これにより、ＣＨＰ材料とＨ2Ｏ／ＣＯ2との結合反応が飽和することを回避あるいは解消することができるので、濃度調整器３３を回復（再生）させて、次回起動時においても好適な濃度調整が実施できるように備えることができる。
As a result, the saturation of the binding reaction between the CHP material and H 2 O / CO 2 can be avoided or eliminated, so that the
また、第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、濃度調整器３３は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方を脱離し、かつ、当該脱離により吸熱する材料を含んで構成される。これにより、ＣＨＰ材料（Ｃａ（ＯＨ）2、Ｃａ（ＣＯ３））からＨ2Ｏ／ＣＯ2を脱離させるだけでなく、加熱空気の温度を低下させる効果も加えて奏することができる。結果として、燃料電池スタック１へ導入する空気の温度を低下させることができるので、特に発電中において燃料電池スタック１の温度を低下させるために要する燃料電池スタック１への空気流量を抑制して、エアブロア６１の消費電流を低減させることができる。
According to the
［第３実施形態］
以下では、第３実施形態の燃料電池システム２００について説明する。
[Third embodiment]
Hereinafter, the
本実施形態の燃料電池システム２００は、上述の濃度調整器３３が燃料電池スタック１の内部に備わるように構成される。以下図面を参照して詳細を説明する。
The
図５は、燃料電池システム２００の構成の概要を示す図である。図示するとおり、燃料電池システム２００は、上述の実施形態とは異なり、起動燃焼器３２と燃料電池スタック１との間に濃度調整器３３が配置されていない。濃度調整器３３を含む燃料電池スタック１については図６を参照して説明する。
FIG. 5 is a diagram showing an outline of the configuration of the
図６は、本実施形態の燃料電池スタック１の内部の構成を説明する図である。図６では、燃料電池スタック１の空気流路１０４の長手方向に平行な断面図が示されている。
FIG. 6 is a diagram illustrating the internal configuration of the
図６が示すように、本実施形態の燃料電池スタック１は、電解質膜１０１と、カソード電極（空気極）１０２と、アノード電極（燃料極）１０３と、空気流路１０４と、燃料流路１０５と、カソードセパレータ１０６と、アノードセパレータ１０７と、を含んで構成される公知の一般的な電解質型燃料電池に加えて、さらに、濃度調整器（ＣＨＰ材料塗布層）３３を備えて構成される。
As shown in FIG. 6, the
電解質膜１０１は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。
The
空気極（カソード極）１０２は、不図示の触媒層とガス拡散層とから構成され、空気流路１０４と電解質膜１０１とに接して配置される。
The air electrode (cathode electrode) 102 includes a catalyst layer (not shown) and a gas diffusion layer, and is arranged in contact with the
燃料極（アノード極）１０３は、不図示の触媒層とガス拡散層とから構成され、燃料流路１０５と電解質膜１０１の空気極と接する面の逆側の面とに接して配置される。
The fuel electrode (anode electrode) 103 includes a catalyst layer and a gas diffusion layer (not shown), and is disposed in contact with the
アノードセパレータ１０７は、燃料極１０３との間に、燃料極１０３に燃料を供給するための燃料流路１０５を形成する。
The
カソードセパレータ１０６は、空気極１０２との間に、空気極１０２に空気を供給するための空気流路１０４を形成する。ただし、本実施形態のカソードセパレータ１０６は空気極１０２側の面の少なくとも一部に粉末状のＣＨＰ材料（例えばＣａＯ）が塗布され、固定化されている。この固定化されたＣＨＰ材料は、濃度調整器３３として機能する。
The
すなわち、本実施形態の燃料電池スタック１は、カソードセパレータ１０６に固定化されたＣａＯ塗布層により形成された濃度調整器３３を備える。換言すると、本実施形態の濃度調整器３３は、カソードセパレータ１０６に固定化されたＣＨＰ材料である。このように、本実施形態の燃料電池システム２００では、濃度調整器３３と燃料電池スタック１とが一体化して構成される。
That is, the
このような構成によっても、上述した第１、第２実施形態と同様に、濃度調整器３３を構成するＣＨＰ材料（ＣａＯ）によって空気流路１０４を通る燃焼ガスのＨ2Ｏ／ＣＯ2の濃度調整を行うことができ、さらに、空気流路１０４を通る加熱空気によって、ＣＨＰ材料の脱離（回復操作）を行うことができる。また、濃度調整器３３による濃度調整機能が空気極の近傍に備わることにより、空気極近傍の空気中のＨ2Ｏ／ＣＯ2の濃度調整を空気極（燃料電池スタック１）の温度に応じて調整することが可能となるので、空気極材料の劣化を生じさせる温度範囲において燃焼ガス中のＨ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方の濃度をより的確に低減することができる。
Even with such a configuration, the concentration of H 2 O / CO 2 of the combustion gas passing through the
なお、濃度調整器３３と燃料電池スタック１とが一体化した構成は、上述したようにカソードセパレータ１０６の一部にＣａＯが固定化されたものに限られない。本実施形態の濃度調整器３３は、空気流路１０４を流れる空気とＣａＯとが接触することを前提として、カソードセパレータ１０６の全体に塗布されて固定化されたＣＨＰ材料、或いは、空気流路１０４の全体に空気が流通可能な状態で詰め込まれた粉末状のＣＨＰ材料等によって構成することもできる。
The configuration in which the
以上、第３実施形態の燃料電池システム２００によれば、濃度調整器３３は、燃料電池スタック１と一体に構成される。より具体的には、燃料電池システム２００が備える濃度調整器３３は、燃料電池が備える酸化剤ガスの流路（空気流路１０４）内に設けられる。これにより、空気極近傍の空気中のＨ2Ｏ／ＣＯ2の濃度調整を空気極（燃料電池スタック１）の温度に応じて調整することが可能となるので、燃焼ガスによって空気極が劣化して燃料電池スタック１の発電性能が劣化することをより的確に抑制することができる。
As described above, according to the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the above embodiment is only a part of the application example of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば、図４を参照して説明した制御フローは、説明したステップが時系列に実行されることを必ずしも限定するものではない。例えば、ステップＳ４とＳ５、並びにステップＳ８とＳ９とが同時に実行されてもよい。また、例えばステップＳ９にまとめて記載されているように、発電開始と、起動燃焼器３２への燃料供給停止が同時に行われる必要はなく、発電開始と起動燃焼器３２への燃料供給停止とが時間をおいて別個に実行されてもよい。
For example, the control flow described with reference to FIG. 4 does not necessarily limit execution of the described steps in a time-series manner. For example, steps S4 and S5 and steps S8 and S9 may be performed simultaneously. Further, for example, as described collectively in step S9, the start of power generation and the stop of fuel supply to the starting
また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池は、上述した固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に限定されず、電解質型燃料電池であることを前提に適宜選択されてよい。
Further, the fuel cell constituting the
１…燃料電池（燃料電池スタック）
３２…起動燃焼器
３３…濃度調整器
５１…コントローラ
６１…酸化剤ガス供給部（エアブロア６１）
７３…燃料供給部（第３燃料噴射装置７３）
１０６…空気極
1. Fuel cell (fuel cell stack)
32 Start-up
73: fuel supply unit (third fuel injection device 73)
106 ... Air electrode
Claims (11)
前記酸化剤ガスおよび液体燃料の供給を受けて燃焼ガスを生成する起動燃焼器と、を備え、前記燃焼ガスを前記燃料電池に導入して当該燃料電池を所望の作動温度に昇温させる燃料電池システムにおいて、
前記起動燃焼器で生成された前記燃焼ガスが前記燃料電池のカソード極に到達する前に当該燃焼ガスの濃度を調整する濃度調整器を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that receives power of a fuel gas and an oxidant gas to generate power,
A starting combustor that generates a combustion gas by receiving the supply of the oxidizing gas and the liquid fuel, and wherein the combustion gas is introduced into the fuel cell to raise the temperature of the fuel cell to a desired operating temperature. In the system,
A fuel cell system, comprising: a concentration adjuster that adjusts the concentration of the combustion gas before the combustion gas generated by the starting combustor reaches the cathode of the fuel cell.
前記濃度調整器は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合する材料を含んで構成され、前記燃焼ガス中の前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方の濃度を低減させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The density adjustment unit is configured to include a material that binds to at least one of H 2 O and CO 2, characterized in that to reduce at least one of the concentration of the H 2 O and CO 2 of the combustion gas Fuel cell system.
前記材料は、前記燃料電池の温度が所定温度範囲内である場合に前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合するように構成されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2,
The material, the fuel cell system, characterized in that the temperature of the fuel cell is configured to couple at least one of the H 2 O and CO 2 and when it is within a predetermined temperature range.
前記所定温度範囲は、Ｈ2ＯおよびＣO２の少なくとも一方と前記カソード極を構成する空気極材料とが結合し当該空気極材料を劣化させる劣化反応が生じやすい反応温度範囲を含むことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3,
The predetermined temperature range includes a reaction temperature range in which at least one of H 2 O and C O 2 is combined with an air electrode material forming the cathode electrode, and a deterioration reaction that deteriorates the air electrode material is likely to occur. And fuel cell system.
前記所定温度範囲は、２００〜５００℃であることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3 or 4,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the predetermined temperature range is 200 to 500C.
前記濃度調整器は、前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方と結合し、かつ、当該結合により発熱する材料を含んで構成されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5,
The concentration regulator, the fuel cell system attached to at least one of said H 2 O and CO 2, and which is characterized in being configured to include a material which generates heat by the coupling.
前記起動燃焼器へ液体燃料を供給する燃料供給部と、
前記濃度調整器に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料供給部と前記酸化剤ガス供給部とを制御するコントローラとを備え、
前記材料は、結合した前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方が脱離するように構成され、
前記コントローラは、前記燃料電池が所望の作動温度に到達した場合には、前記起動燃焼器への液体燃料の供給を停止するとともに前記濃度調整器に前記酸化剤ガスを供給することにより前記材料から前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方を脱離させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 6,
A fuel supply unit for supplying liquid fuel to the starting combustor;
An oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas to the concentration adjuster,
A controller that controls the fuel supply unit and the oxidizing gas supply unit,
The material is configured such that at least one of the bound H 2 O and CO 2 is desorbed;
When the fuel cell reaches a desired operating temperature, the controller stops the supply of the liquid fuel to the starting combustor and supplies the oxidizing gas to the concentration adjuster to remove the material from the material. A fuel cell system wherein at least one of H 2 O and CO 2 is desorbed.
前記濃度調整器に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料供給部と前記空気供給部とを制御するコントローラとを備え、
前記材料は、結合した前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方が脱離するように構成され、
前記コントローラは、前記燃料電池が所望の作動温度に到達し、かつ、当該燃料電池の発電が開始された場合には、前記濃度調整器に前記酸化剤ガスを供給することにより前記材料から前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方を脱離させることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 2 to 7,
An oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas to the concentration adjuster,
A controller that controls the fuel supply unit and the air supply unit,
The material is configured such that at least one of the bound H 2 O and CO 2 is desorbed;
When the fuel cell reaches a desired operating temperature and power generation of the fuel cell is started, the controller supplies the oxidizing gas to the concentration controller to remove the H from the material. A fuel cell system wherein at least one of 2 O and CO 2 is desorbed.
前記濃度調整器は、結合した前記Ｈ2ＯおよびＣＯ2の少なくとも一方が脱離し、かつ、当該脱離により吸熱する材料を含んで構成されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 8,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the concentration adjuster is configured to include a material from which at least one of the bound H 2 O and CO 2 is desorbed and absorbs heat by the desorption.
前記濃度調整器は、前記燃料電池と一体に構成されることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 9,
The fuel cell system, wherein the concentration adjuster is integrally formed with the fuel cell.
前記濃度調整器は、前記燃料電池が備える前記酸化剤ガスの流路内に設けられることを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 10,
The fuel cell system, wherein the concentration adjuster is provided in a flow path of the oxidizing gas included in the fuel cell.
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