JP2020155230A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼器より下流側の熱交換器における損傷を防止でき、コストアップを抑制できるようにすること。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電するＳＯＦＣ（１０）と、ＳＯＦＣから排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる燃焼器（３０）と、燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を回収する熱交換器（４５）と、燃焼器から熱交換器への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ライン（４３）に燃焼ガスの冷却用の気体を供給する供給機構（６０）と、を有する構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。

また、ＳＯＦＣを備えた燃料電池システムにあっては、ＳＯＦＣからの排出ガスが流れるラインに熱交換器を設けたものが知られている。熱交換器には、排ガスの他に空気や水が供給され、この空気や水が排ガスの熱によって加熱されることで暖房や温水として排熱利用することが可能となる。

一方、特許文献１には、燃料電池スタックの下流側にて、燃料極を通過した未消費燃料と空気極を通過した未消費酸素とを燃焼させるための燃焼器が設けられた燃料電池システムが開示されている。

特開２００８−２６２７８６号公報

ここで、特許文献１のような燃焼器をＳＯＦＣの下流側に設ける場合、燃焼器の下流側に熱交換器が配設され、燃焼器の排ガスが熱交換器に供給される。この場合、運転条件によっては燃焼器からの排ガス温度が上昇し、高温の排ガスが熱交換器に流れ込むために熱交換器入口にて高い耐熱性が要求される、という問題がある。

かかる排ガスが高温になる具体例としては、ＳＯＦＣの起動時にＳＯＦＣの排ガスに燃料ガスの未燃成分が多くなる場合があり、この場合、燃焼器での燃焼が過剰となって熱交換器入口でのガス温度が一時的に高温になる。また、ＳＯＦＣが経年劣化等した過渡条件時には、発電電圧を確保するために正常時に比べて運転温度が高くなり、ＳＯＦＣ出口でのガス温度、ひいては熱交換器入口でのガス温度が高温になる。このように熱交換器に供給される排ガス温度が高温になると、熱交換器が熱損傷したり、該熱損傷を回避するための耐熱性を発揮するために構成材料等が高価となって高コスト化を招いたりする、という問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、燃焼器より下流側の熱交換器における損傷を防止することができ、コストアップを抑制できる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を回収する熱交換器と、前記燃焼器から前記熱交換器への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ラインに該燃焼ガスの冷却用の気体を供給する供給機構と、を有することを特徴としている。

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を回収する熱交換器と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃焼器から前記熱交換器への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ラインに該燃焼ガスの冷却用の気体を供給する供給ステップ、を有することを特徴としている。

本発明によれば、燃焼器より下流側の熱交換器における損傷を防止することができ、コストアップを抑制することができる。

本実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。 本実施の形態による燃料電池システムの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。

以下、本実施の形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。図１においては、説明の便宜上、本発明に関連する構成要素のみを示している。図１においては、燃料ガスや酸化剤ガス等の流体の流路を実線で示し、燃料電池システム１の制御信号の信号線を破線で示している。なお、ＳＯＦＣ１０内の流体の流路は、便宜上、一点鎖線で示している。

図１に示すように、燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cellモジュール）１０を有している。ＳＯＦＣモジュール（以下、単に「ＳＯＦＣ」という）１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは、空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有している。セルスタックの各セルは、電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムを有する。

ＳＯＦＣ１０は、酸化剤ガス流路（カソードガス流路）１２と、燃料ガス流路（アノードガス流路）１４とを有している。酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａには、反応空気ブロア（酸化剤ガス供給器）２０が取り込んだ酸化剤ガス（空気）及びその他のガスが供給され、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからは、酸化剤オフガスが排出される。酸化剤ガス（空気）は、反応空気ブロア２０の出口部２０Ａからと酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａとを接続する酸化剤ガス供給ライン４０を通じて酸化剤ガス流路１２の入口部１２Ａに供給される。なお、酸化剤オフガスは、カソードオフガスとも呼ばれることもある。酸化剤ガス流路１２は、ＳＯＦＣ１０内にて直線（一点鎖線）で示しているが、セルスタックの形状にあわせて流路を設定してよい。

燃料ガス流路１４の入口部１４Ａには、燃料ガス供給器（図示略）からの燃料ガス（燃料）及びその他のガスが供給され、燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂからは、燃料オフガスが排出される。なお、燃料オフガスは、アノードオフガスと呼ばれることもある。酸化剤ガス流路１２に供給された酸化剤ガスと、燃料ガス流路１４に供給された燃料ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（発電する）。

燃料電池システム１は、触媒燃焼器（燃焼器）３０を有している。触媒燃焼器３０は、酸化剤ガス流路１２の出口部１２Ｂからの酸化剤オフガスを通す反応空気ガス排気ライン４１に設けられている。反応空気ガス排気ライン４１には、燃料ガス流路１４の出口部１４Ｂからの燃料オフガスを通す燃料ガス排気ライン４２が接続されている。従って、ＳＯＦＣ１０から排出された酸化剤オフガスは、燃料ガス排気ライン４２からの燃料オフガスと合流し、触媒燃焼器３０の入口部３０Ａに流れる。触媒燃焼器３０で燃焼された燃焼ガスは、出口部３０Ｂから燃焼ガス排気ライン４３に排出される。

触媒燃焼器３０は、触媒における燃焼反応によりＳＯＦＣ１０から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる。触媒には、活性金属として白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等を用いることが例示できる。

燃料電池システム１は、熱交換器４５を有している。熱交換器４５の入口部４５Ａには、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂから熱交換器４５への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ライン４３が接続されている。

熱交換器４５は、触媒燃焼器３０から排出される燃焼ガスの熱を回収する。熱交換器４５には、排熱回収のための熱媒体としての水（温水）が循環される排熱回収循環ライン４６が接続されている。排熱回収循環ライン４６は、熱交換器４５から相対的に高温の水（温水）や蒸気を流す下りライン４６Ａと、熱交換器４５に向けて相対的に低温の水（温水）を流す上りライン４６Ｂとを有している。熱交換器４５を通過した燃焼ガスは、出口部４５Ｂを通じ排気ガスとして燃料電池システム１の外部へ排出される。

燃焼ガス排気ライン４３には、第１温度センサ５１及び第２温度センサ５２が設けられている。各温度センサ５１、５２は、例えば、Ｋ熱電対等の温度センサで構成され、検出された温度は、後述する制御部７０に出力される。第１温度センサ５１は、燃焼ガス排気ライン４３における触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度を検出する。第２温度センサ５２は、燃焼ガス排気ライン４３における熱交換器４５の入口部４５Ａの近傍の温度を検出する。

燃焼ガス排気ライン４３には、触媒燃焼器３０から排出される燃焼ガスを冷却するために用いられる空気や窒素等の低温（常温）の気体を供給する供給機構６０が設けられている。供給機構６０は、低温ガス供給ライン６１と、低温ガス供給ライン６１に設けられた調整弁６２と、低温ガス供給器（図示略）とを備えている。

低温ガス供給ライン６１は、その下流端が燃焼ガス排気ライン４３に接続され、燃焼ガス排気ライン４３に流れる燃焼ガスに対し、低温ガス供給器から供給される低温ガスを合流させる。低温ガス供給器は、反応空気ブロア２０と同様に構成されて空気を供給するブロアや、窒素を充填したボンベ等を例示することができる。よって、低温ガスは、燃料電池システム１の外部から取り込んだ空気等の気体、或いは、ＳＯＦＣ１０を通じていない気体とされ、燃焼ガスやオフガス（燃料オフガス及び酸化剤オフガス）より十分に低い温度に設定されて燃焼ガスを冷却可能となる。

ここで、低温ガス供給器に替えて、図１中二点鎖線で示す分岐ライン６５を設けてもよい。分岐ライン６５は、酸化剤ガス供給ライン４０から分岐して低温ガス供給ライン６１における調整弁６２より上流側に接続される。従って、分岐ライン６５には、反応空気ブロア２０から送出される低温（常温）の空気（酸化剤ガス）が供給可能に構成されている。

調整弁６２は、自身の開閉状態を切り換えることにより、低温ガス供給ライン６１を通じて燃焼ガス排気ライン４３に供給される気体の量を調整する。調整弁６２における開度は、後述する制御部７０からの制御信号により制御される。

燃料電池システム１は、システム全体を制御する制御部７０を有している。制御部７０は、第１温度センサ５１、第２温度センサ５２及び調整弁６２に接続される。制御部７０は、第１温度センサ５１で検出された温度に応じ、調整弁６２によって低温ガス供給ライン６１から燃焼ガス排気ライン４３に供給される冷却用の気体の量を制御（調整）することで、熱交換器４５の入口部４５Ａ及び内部の温度を調整する。例えば、制御部７０は、第１温度センサ５１で検出された温度が一定値以上になった場合に冷却用の気体の供給量を増加すべく調整弁６２の開度を上げるよう制御する。また、制御部７０は、第１温度センサ５１で検出された温度の変化（上昇及び下降）に応じ、冷却用の気体の供給量を変化（増加及び減少）すべく調整弁６２の開度を調整するよう制御する。

以下、図１に加えて図２を参照して、燃料電池システム１の運転方法（制御部７０による制御内容）について説明する。図２は、本実施の形態による燃料電池システムの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。

時点ｔ１に達するまで、燃料電池システム１が定格運転を実施しているものとする。このとき、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂ側における第１温度センサ５１で検出する温度（図２Ａ参照）と、熱交換器４５の入口部４５Ａ側における第２温度センサ５２で検出する温度（図２Ｂ参照）とは、熱交換器４５の耐熱温度Ｔａを下回っている。また、第２温度センサ５２で検出する温度は、熱交換器４５が排熱回収するために必要な温度Ｔｂを上回っており、熱交換器４５における排熱回収循環ライン４６での熱交換が実施可能とされる。言い換えると、熱交換器４５に供給される燃焼ガスが、熱交換器４５に熱損傷等が生じさせずに正常に運転可能となる温度とされる。従って、定格運転時となる時点ｔ１前では、調整弁６２の開度が０％に設定され（図２Ｃ参照）、低温ガス供給ライン６１から燃焼ガス排気ライン４３に冷却用の低温ガスが供給されない。

時点ｔ１の所定時間前にて、定格運転からＳＯＦＣ１０における劣化等によってＳＯＦＣ１０からのオフガス（燃料オフガス及び酸化剤オフガス）の温度が急上昇するものとする。この場合、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂから排出される燃焼ガスの温度も上昇し、時点ｔ１の経過時にて第１温度センサ５１での検出温度が耐熱温度Ｔａを上回る。これにより、制御部７０によって燃焼ガス排気ライン４３を流れる燃焼ガスの温度調整処理として、調整弁６２の開弁が開始され、その開度が第１温度センサ５１の検出温度に応じて設定される。図２Ａでは、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂの近傍の温度が時点ｔ１の所定時間前から次第に上昇し、時点ｔ２でピークとなる温度に到達した場合について示している。また、図２Ｃでは、調整弁６２の開度が時点ｔ１から次第に大きく設定され、時点ｔ２で全開或いは全開より所定開度小さい開度に設定される場合について示している。

調整弁６２の開度が徐々に大きく設定されることにより、低温ガス供給ライン６１を流れる冷却用の低温ガスの徐々に流量が増加される。このとき、例えば、第１温度センサ５１の検出温度と耐熱温度Ｔａとの偏差が大きい場合（すなわち、検出温度が耐熱温度Ｔａを大幅に上回る場合）、制御部７０は、該偏差に応じて調整弁６２の開度を大きく設定して低温ガスの流量を増加させる。第１温度センサ５１の検出温度と耐熱温度Ｔａとの偏差が減少傾向である場合、制御部７０は、該偏差に応じて調整弁６２の開度を小さく設定して低温ガスの流量を減少させる。低温ガス供給ライン６１を流れる低温ガスは、燃焼ガス排気ライン４３に流入し、触媒燃焼器３０からの燃焼ガスと混合される。これにより、熱交換器４５の入口部４５Ａ及び熱交換器４５の内部に流入する燃焼ガスの温度が下げられる。この結果、熱交換器４５の入口部４５Ａでの温度（第２温度センサ５２の検出温度）が耐熱温度Ｔａを下回りつつ、該耐熱温度Ｔａと熱交換器４５における排熱回収に必要な温度Ｔｂとの間で一定に保たれる（図２Ｂ参照）。

時点ｔ２の後、第１温度センサ５１での検出温度が低下する場合、これに応じて調整弁６２の開度を徐々に下げるように制御部７０によって制御される。これにより、低温ガス供給ライン６１から燃焼ガス排気ライン４３に流入する冷却用の低温ガスの流量が徐々に減少される。この結果、熱交換器４５の入口部４５Ａでの温度（第２温度センサ５２の検出温度）が熱交換器４５における排熱回収に必要な温度Ｔｂを上回りつつ、該温度Ｔｂと熱交換器４５の耐熱温度Ｔａとの間で一定に保たれる（図２Ｂ参照）。そして、第１温度センサ５１での検出温度が耐熱温度Ｔａを下回った直後の時点ｔ３にて、調整弁６２の開度が０％に設定される。時点ｔ３では、触媒燃焼器３０の出口部３０Ｂで燃焼ガスが耐熱温度Ｔａ以下に下がっている（図２Ａ参照）。このとき、該出口部３０Ｂから燃焼ガス排気ライン４３を流れる間の放熱を考慮すると、調整弁６２を閉弁して低温ガスによる冷却を停止しても、熱交換器４５の入口部４５Ａでは耐熱温度Ｔａに対して余裕をもって下回った温度とされる。

ここで、燃焼ガス排気ライン４３を流れる燃焼ガスの温度調整処理において、制御部７０は、調整弁６２における開度の調整の制御として、第１温度センサ５１の検出温度に基づくＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御を実施することが例示できる。このＰＩＤ制御により、熱交換器４５の入口部４５Ａの温度が図２Ｂのグラフに示す温度に接近するように、調整弁６２の開度が調整される。

以上のように、上記燃料電池システム１においては、供給機構６０によって触媒燃焼器３０から熱交換器４５への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ライン４３に燃焼ガスの冷却用の気体を供給する供給ステップを実施している。これにより、触媒燃焼器３０から排出される燃焼ガスが高温になっても、熱交換器４５に流入する前段階で燃焼ガスの温度を低下させることができる。具体的には、上述したＳＯＦＣ１０の劣化等による過渡条件下や、ＳＯＦＣ１０の燃料オフガスに燃料ガスの未燃成分が多くなって触媒燃焼器３０での燃焼が過剰となることで燃焼ガスが高温になっても、熱交換器４５に高温の燃焼ガスが流入することを抑制できる。この結果、熱交換器４５が熱損傷することを防止でき、また、熱交換器４５が高い耐熱性を備えた構成としなくてもよいので、安価な材料によって構成可能としてコスト削減を図ることができる。

また、第１温度センサ５１で検出された温度に応じて調整弁６２の開度を制御部７０により制御するので、触媒燃焼器３０から排出される燃焼ガスの温度に応じて低温ガスの供給量を調整することができる。これにより、熱交換器４５に流入される燃焼ガスの温度が熱交換器４５の耐熱温度Ｔａを超えることを回避しつつ、熱交換器４５が正常に排熱回収できる温度に保つことができ、熱交換器４５を利用した熱回収システムを安定して稼働させることができる。

また、ＳＯＦＣ１０に酸化剤ガスを供給する反応空気ブロア２０及び分岐ライン６５を利用して低温ガスを供給する場合には、ブロア等の供給機構の設置数を削減して構成の簡略化を図ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、制御部７０においては、第２温度センサ５２の検出結果に応じて熱交換器４５に流入する温度を出力する等の制御を更に行ってもよい。

また、上記実施の形態において、熱交換器４５の入口部４５Ａに流入する燃焼ガスが熱交換器４５の耐熱温度を超えない限りにおいて、第２温度センサ５２を省略した構成としてもよい。

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、燃焼器より下流側の熱交換器における損傷を防止でき、コストアップを抑制することができ、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システム及びその運転方法に適用して好適である。

１ ：燃料電池システム
１０ ：ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
２０ ：反応空気ブロア（酸化剤ガス供給器）
２０Ａ ：出口部
３０ ：触媒燃焼器（燃焼器）
３０Ｂ ：出口部
４０ ：酸化剤ガス供給ライン
４３ ：燃焼ガス排気ライン
４５ ：熱交換器
４５Ａ ：入口部
５１ ：第１温度センサ
５２ ：第２温度センサ
６０ ：供給機構
６２ ：調整弁
６５ ：分岐ライン
７０ ：制御部

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を回収する熱交換器と、
   前記燃焼器から前記熱交換器への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ラインに該燃焼ガスの冷却用の気体を供給する供給機構と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃焼器の出口部の近傍の温度を検出する第１温度センサと、
   前記供給機構で供給する気体の流量を調整する調整弁と、
   前記調整弁の開度を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記第１温度センサで検出された温度に応じて前記調整弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記供給機構は、前記固体酸化物形燃料電池に酸化剤ガス供給ラインを通じて酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記酸化剤ガス供給ラインから分岐する分岐ラインと、を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記供給機構は、前記供給する気体を、前記燃料電池システムの外部若しくは前記固体酸化物形燃料電池を通じていない気体とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出される燃料オフガス中の可燃性成分を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼ガスの熱を回収する熱交換器と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃焼器から前記熱交換器への燃焼ガスが流れる燃焼ガス排気ラインに該燃焼ガスの冷却用の気体を供給する供給ステップ、を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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