JP2021103643A - 燃料電池システム及び運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体酸化物形燃料電池の停止後すぐに、水蒸気を生成することが可能な燃料電池システム及び運転方法を提供すること。【解決手段】本発明の燃料電池システム（１）は、アノードガス流路（４）と、カソードガス流路８５）と、前記アノードガス流路から燃料ガス、及び、前記カソードガス流路から空気が供給されて電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池（２）と、前記固体酸化物形燃料電池を停止した時に、前記燃料ガスと混合する水蒸気を発生させる水蒸気発生器（３）と、を有し、前記水蒸気発生器は、前記アノードガス流路、或いは、前記カソードガス流路を流れるガスと熱交換可能に配置されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び運転方法に関する。
特許文献１に記載の発明では、固体酸化物形燃料電池の停止時に、セラミックヒータで水気化器を加熱することにより、水蒸気を生成し、燃料ガスを改質している。
特開２０１１−１１９０５５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ヒータ加熱により、水気化器を昇温させるために、水気化器が水蒸気発生可能な温度に昇温されるまで時間を要する。このため、水蒸気は、固体酸化物形燃料電池を停止させてから遅れて生成される。したがって、固体酸化物形燃料電池の停止後、水蒸気が供給されない時間が生じ、その時間も燃料ガスが、燃料電池スタックに供給される。これにより、スチームカーボン比（Ｓ／Ｃ）が低下し、改質器や燃料電池スタックの触媒上に炭素が析出し、触媒が劣化する、いわゆるコーキングが生じる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、固体酸化物形燃料電池の停止後すぐに、水蒸気を生成することが可能な燃料電池システム及び運転方法を提供することにある。
本発明の一態様の燃料電池システムは、アノードガス流路と、カソードガス流路と、前記アノードガス流路から燃料ガス、及び、前記カソードガス流路から空気が供給されて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を停止した時に、前記燃料ガスと混合する水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、を有し、前記水蒸気発生器は、前記アノードガス流路、或いは、前記カソードガス流路を流れるガスと熱交換可能に配置されることを特徴とする。
本発明の一態様の燃料電池システムの運転方法は、アノードガス流路から燃料ガス、及び、カソードガス流路から空気を供給して電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池を停止した時に、前記燃料ガスに水蒸気を混合する燃料電池システムの運転方法であって、水蒸気発生器を、前記アノードガス流路、或いは、前記カソードガス流路を流れるガスと熱交換可能に配置し、前記水蒸気発生器を、前記固体酸化物形燃料電池の発電中に、前記ガスとの熱交換により、前記水蒸気を生成可能な温度に維持し、前記固体酸化物形燃料電池の発電を停止したときに、前記水蒸気発生器から前記水蒸気を発生させることを特徴とする。
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の停止後すぐに、水蒸気を生成することができる。したがって、固体酸化物形燃料電池の停止後、水蒸気が供給されない時間が生じるのを抑制することができ、改質器や燃料電池スタックの触媒の劣化を防止することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図である。 本実施の形態の水蒸気発生器の斜視図である。 水蒸気発生器とガス流路とを示す断面模式図である。 水蒸気発生器をガス流路に接触させない比較例における、固体酸化物形燃料電池の発電から停止までの温度プロフィールを示す。 水蒸気発生器をガス流路に接触させた本実施の形態における、固体酸化物形燃料電池の起動から、発電、及び、停止までの温度プロフィールを示す。 本実施の形態の燃料電池システムにおける、固体酸化物形燃料電池の停止時の運転方法例を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図である。 第３の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図である。 第４の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図である。 水蒸気発生機能を持たせたガス流路の断面図を示す。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図である。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（ＳＯＦＣ）２と、水蒸気発生器３と、アノードガス流路４と、カソードガス流路５と、を有して構成される。なお、アノードガス流路４と、カソードガス流路５とを区別せずに、「ガス流路」と称する場合がある。
固体酸化物形燃料電池２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おり、各セルの間には、セパレータが介在している。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。固体酸化物形燃料電池は、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。
アノードガス流路４は、固体酸化物形燃料電池２から見て入口側のアノードガス入口路Ｌ１と、固体酸化物形燃料電池２から見て出口側のアノードガス出口路Ｌ２と、を有する。
アノードガス入口路Ｌ１は、燃料ガスを固体酸化物形燃料電池２に供給する燃料ガス供給路として機能する。燃料ガスは、図示しない燃料供給ブロアにより流量調整される。アノードガス出口路Ｌ２は、アノード排ガスを放出する排気路として機能する。また、アノードガス出口路Ｌ２は、途中で分岐して、アノードガス入口路Ｌ１との間でアノード排ガスを再循環する再循環路Ｌ３を備える。図１に示すように、再循環路Ｌ３には、再循環ブロア６が設けられており、再循環されるアノード排ガスの流量調整が行われる。
図１に示す第１の実施の形態では、水蒸気発生器３は、アノードガス入口路Ｌ１を流れる燃料ガスと熱交換可能に配置されている。水蒸気発生器３は、アノードガス入口路Ｌ１のうち、例えば、固体酸化物形燃料電池２と再循環路Ｌ３との間に配置される。図１に示すように、水蒸気発生器３の入口側には、水供給路Ｌ５が設けられている。また、水蒸気発生器３の出口側には、水蒸気供給路Ｌ６が設けられており、水蒸気発生器３で発生した水蒸気は、水蒸気供給路Ｌ６を通して、アノードガス入口路Ｌ１を流れる燃料ガスと混合される。
図１に示すように、カソードガス流路５は、固体酸化物形燃料電池２から見て入口側のカソードガス入口路Ｌ７と、固体酸化物形燃料電池２から見て出口側のカソードガス出口路Ｌ８と、を有する。
空気ブロア７により、空気が、カソードガス入口路Ｌ７から固体酸化物形燃料電池２に供給される。カソードガス入口路Ｌ７には、再生熱交換器８が設けられている。
図１に示すように、カソード排ガスの排気路であるカソードガス出口路Ｌ８は、再生熱交換器８に接続され、カソード排ガスを再循環する流路を構成する。再生熱交換器８では、カソードガス入口路Ｌ７を流れる空気を、カソード排ガスと熱交換し、昇温している。
水蒸気発生器３について説明する。図２、図３に示すように、水蒸気発生器３は、筐体１０と、筐体１０の前面（入口側に向く面）に設けられた筒状部１１と、筐体１０の側面に設けられた水蒸気放出管１２と、筐体１０の裏面側に配置されたヒータ１３と、水蒸気発生器３を、燃料電池システム１の所定箇所に固定するための固定治具１４と、を有して構成される。筒状部１１と、水蒸気放出管１２との配置は、図２以外であってもよい。
筒状部１１、及び、水蒸気放出管１２は、筐体１０内に通じている。筒状部１１は、図１に示す水供給路Ｌ５と接続されている。水蒸気放出管１２は、図１で示した水蒸気供給路Ｌ６の全部、或いは一部を構成する。水蒸気放出管１２が、水蒸気供給路Ｌ６の全部を構成する場合、水蒸気放出管１２は、アノードガス入口路Ｌ１に直接接続される。
図３に示すように、水蒸気発生器３は、アノードガス入口路Ｌ１に接触している。このため、水蒸気発生器３は、アノードガス入口路Ｌ１を流れる燃料ガスと熱交換可能であり、高温状態（例えば、３００℃以上）に維持されている。なお、水蒸気発生器３の温度は、温度測定器３ａ（図１を参照）にて測定される。
したがって、水が、水供給路Ｌ５を通して水蒸気発生器３に供給されると、即座に水蒸気を生成でき、水蒸気を、水蒸気放出管１２からアノードガス入口路Ｌ１に流れる燃料ガスへ供給することができる。
図３に示すように、ヒータ１３は、アノードガス入口路Ｌ１とは非接触に配置される。ヒータ１３に直接、アノードガス入口路Ｌ１を接触させると、ガスの急激な温度変化等で熱衝撃が加わり、ヒータ１３の破損に繋がる。したがって、ヒータ１３は、アノードガス入口路Ｌ１と接触しないように配置することが好ましく、筐体１０の裏面以外に配置することもできる。
ヒータ１３は、水蒸気発生器３が高温を維持できるように、アシスト加熱する役割を有している。
以下、図４及び図５を用いて、比較例、及び本実施の形態における、固体酸化物形燃料電池の発電から停止までの温度プロフィールを説明する。
図４は、比較例の温度プロフィールである。比較例では、本実施の形態と異なって、水蒸気発生器３は、アノードガス入口路Ｌ１と接触していない。
図４に示すように、固体酸化物形燃料電池２の発電中、水蒸気発生器３は、アノードガス入口路Ｌ１を流れる燃料ガスと熱交換せず、常温である。図４に示すように、固体酸化物形燃料電池２の発電を停止すると、水蒸気発生器３のヒータ１３を起動させ、水蒸気発生器３の温度を上昇させる。水蒸気発生器３の温度を、最終的に３００℃程度まで上昇させる。図４に示すように、水蒸気発生器３に水を供給し、このとき、水蒸気発生器３の温度が１００℃以上になると、水蒸気が生成し始める。しかしながら、図４に示すように、水蒸気の生成は、固体酸化物形燃料電池２を停止したときから時間ｔだけ遅れる。
一方、図５は、本実施の形態の温度プロフィールである。本実施の形態では、図１や図３に示すように、水蒸気発生器３を、アノードガス入口路Ｌ１に接触させている。なお、図５では、固体酸化物形燃料電池２の起動から発電、及び停止までの温度プロフィールを説明する。
図５に示すように、固体酸化物形燃料電池２の起動開始から時間（１）まで、水蒸気発生器３の温度は、燃料ガスからの伝熱により、上昇する。時間（１）から時間（２）の間では、水蒸気発生器３に設けられたヒータ１３を起動させて、水蒸気発生器３の温度を更に上昇させる。このように、燃料ガスからの伝熱とヒータ加熱により、水蒸気発生器の温度を、３００℃程度まで上昇させる。
図５に示すように、時間（２）になると、水蒸気を発生させ、燃料ガスに混合する。これにより、燃料ガスを、水蒸気改質することができる。
固体酸化物形燃料電池２の発電中（図５に示す時間（３）から時間（４）の間）は、水自立させるために、水蒸気の供給を停止する。図５に示すように、固体酸化物形燃料電池２の発電中、水蒸気発生器３は、燃料ガスからの伝熱により、約３００℃を維持することができる（ホットスタンバイ）。
時間（４）にて、固体酸化物形燃料電池２の発電を停止すると同時に、水蒸気発生器３に水を供給する。このとき、水蒸気発生器３は、約３００℃の温度を維持しているため、水の供給により直ちに水蒸気を生成させることができる。
図５に示すように、時間（４）から時間（５）の間では、水蒸気の生成により、水蒸気発生器３の温度が一度低下するが、ヒータ１３を起動させることで、ヒータ加熱により、水蒸気発生器３を再び、約３００℃の温度に保つことができる。
図５に示すように、固体酸化物形燃料電池２の発電を停止した時間（４）以降、ガス温度は低下し続ける。時間（５）から時間（６）では、ガス温度の低下により、ヒータによる加熱を主として、水蒸気発生器３を加熱して、水蒸気を生成する。
図５に示す本実施の形態の温度プロフィールに示すように、図４の比較例と異なって、固体酸化物形燃料電池２の停止時から水蒸気を生成できる。この結果、固体酸化物形燃料電池２の停止後において、改質器や燃料電池スタックの触媒の劣化を抑制でき、コーキングの発生を効果的に防止することができる。
図６は、本実施の形態における燃料電池システムにおける、停止時の運転方法例を示すグラフである。
ステップＳＴ１では、固体酸化物形燃料電池２の発電を停止する（図５の時間（４））。続いて、ステップＳＴ２では、水蒸気発生器３に水を供給する。このとき、水蒸気発生器３は、水蒸気を生成可能な温度に保たれているため、水の供給により、即座に水蒸気発生器３から水蒸気を生成することができる。
ステップＳＴ３では、水蒸気発生器３の温度を、温度測定器３ａ（図１を参照）にて測定し、水蒸気発生器３の温度が、例えば、図５の時間（４）から時間（５）の間に示すように、２８０℃を下回ったとき、ステップＳＴ４に移行する。そして、水蒸気発生器３に取り付けられたヒータ１３を起動させる。これにより、水蒸気発生器３の温度を、３００℃まで再び上昇させることができる。
以上のように、固体酸化物形燃料電池２の発電を停止した直後は、水蒸気発生器３が、水蒸気を生成可能な温度に保たれているため、即座に水蒸気を生成できる。固体酸化物形燃料電池２の停止から所定時間が経過すると、水蒸気発生器３の温度が低下し始める。このため、ヒータ１３の加熱を利用して、水蒸気発生器３を所定温度に保つことで、固体酸化物形燃料電池２の停止直後からコーキングの発生が解消される所定時間、水蒸気の生成を持続することができる。
図１に示す第１の実施の形態では、水蒸気発生器３を、アノードガス流路４のアノードガス入口路Ｌ１に配置した。これにより、水蒸気供給路Ｌ６を短くすることができ、固体酸化物形燃料電池２の停止後、即座に、水蒸気を燃料ガスに混合でき、効果的に、コーキングの発生を防止することができる。
このように、本実施の形態では、水蒸気発生器３を、アノードガス流路４のアノードガス入口路Ｌ１に配置することが好ましいが、これに限定されるものではなく、他のガス流路位置に配置することも可能である。以下、図１とは異なる水蒸気発生器３の配置例を説明する。
＜その他の実施の形態＞
図７は、第２の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図、図８は、第３の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図、図９は、第４の実施の形態に係る燃料電池システムの概念図である。
図７から図９の各実施の形態において、図１と同じ符号は、同じ部分を示している。図７に示す第２の実施の形態では、水蒸気発生器３を、アノードガス流路４の出口側であるアノードガス出口路Ｌ２に配置した。水蒸気発生器３を、図３と同様に、アノードガス出口路Ｌ２に接触させることで、アノードガス出口路Ｌ２を流れる排ガスとの熱交換を効果的に行うことができる。なお、水蒸気発生器３を、再循環路Ｌ３に接触するように配置することもできる。
図８に示す第３の実施の形態では、水蒸気発生器３を、カソードガス流路５の出口側であるカソードガス出口路Ｌ８に配置した。水蒸気発生器３を、図３と同様に、カソードガス出口路Ｌ８と接触させることで、カソードガス出口路Ｌ８を流れる排ガスとの熱交換を効果的に行うことができる。水蒸気発生器３を、カソードガス出口路Ｌ８の再循環路上に接触するように配置することが好ましい。
図９に示す第４の実施の形態では、水蒸気発生器３を、カソードガス流路５の入口側であるカソードガス入口路Ｌ７に配置した。水蒸気発生器３を、図３と同様に、カソードガス入口路Ｌ７に接触させることで、カソードガス入口路Ｌ７を流れる酸化剤ガスとの熱交換を効果的に行うことができる。
そして、図７から図９の各実施の形態において、固体酸化物形燃料電池２の停止時に、水を水蒸気発生器３に供給することで、水蒸気を生成することができる。水蒸気を、水蒸気供給路Ｌ６を通して、アノードガス入口路Ｌ１を流れる燃料ガスに混合することで、固体酸化物形燃料電池２の停止直後から、燃料ガスを水蒸気改質することができる。これにより、改質器や燃料電池スタックの触媒の劣化を抑制でき、コーキングの発生を効果的に防止することができる。
また、本実施の形態の水蒸気発生器は、図１０に示すように、ガス流路の一部と一体的になっていてもよい。図１０では、ガス流路を２重管構造とし、配管２０の外周にヒータ層２１を設ける。ヒータ層２１と配管２０との間には、水供給路Ｌ５から水を通すことの可能な空間を備える。これにより、配管２０内を流れるガスとの熱交換により水蒸気を生成することができる。ヒータ層２１と配管２０との間の空間は、水供給路Ｌ５とは別の位置で水蒸気供給路Ｌ６に繋がっている。そして、水蒸気を、水蒸気供給路Ｌ６を介して、アノードガス入口路Ｌ１を流れる燃料ガスに混合する。このように、ガス流路を２重管構造とすることで、ガス流路自体に、熱交換率が高い水蒸気発生機能を持たせることができ、効率的に、水蒸気の供給が可能になる。また、小さいヒータ容量でも、安定した水蒸気の供給が可能になる。
なお、本発明の各実施の形態を説明したが、本発明の他の実施の形態として、上記実施の形態及び変形例を全体的又は部分的に組み合わせたものでもよい。
また、本発明の実施の形態は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。更には、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。
例えば、本実施の形態では、水蒸気発生器３に、ヒータ１３を設けない構造とすることができる。この場合、図５の時間（４）と時間（５）との間に示すように、水蒸気発生器３の温度が低下したとき、水蒸気の供給量を減らすなどの制御により、より長い時間、水蒸気を発生させることができる。ただし、水蒸気発生器３に、外部電源としてのヒータ１３を設けることで、水蒸気発生器３の温度が低下したときに、ヒータ１３で加熱することで、水蒸気発生器３の温度を一定値に保つことができ、常に一定量の水蒸気を供給することが可能になる。これにより、高Ｓ／Ｃを維持でき、電池劣化のリスクを抑制することができる。
また、上記の実施の形態では、水蒸気発生器３を、ガス流路に接触させていたが、ガス流路を流れるガスとの熱交換が可能であれば、接触していなくてもよい。例えば、水蒸気発生器３と、ガス流路との間に、中間層があってもよく、或いは、水蒸気発生器３と、ガス流路との間に多少の空間が設けられていてもよい。
１ ：燃料電池システム
２ ：固体酸化物形燃料電池
３ ：水蒸気発生器
３ａ ：温度測定器
４ ：アノードガス流路
５ ：カソードガス流路
６ ：再循環ブロア
７ ：空気ブロア
８ ：再生熱交換器
１０ ：筐体
１１ ：筒状部
１２ ：水蒸気放出管
１３ ：ヒータ
１４ ：固定治具
２０ ：配管
２１ ：ヒータ層
Ｌ１ ：アノードガス入口路
Ｌ２ ：アノードガス出口路
Ｌ３ ：再循環路
Ｌ５ ：水供給路
Ｌ６ ：水蒸気供給路
Ｌ７ ：カソードガス入口路
Ｌ８ ：カソードガス出口路

Claims (5)

  1. アノードガス流路と、
    カソードガス流路と、
    前記アノードガス流路から燃料ガス、及び、前記カソードガス流路から空気が供給されて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を停止した時に、前記燃料ガスと混合する水蒸気を発生させる水蒸気発生器と、を有し、
    前記水蒸気発生器は、前記アノードガス流路、或いは、前記カソードガス流路を流れるガスと熱交換可能に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記水蒸気発生器は、前記アノードガス流路の入口側に配置され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. 前記固体酸化物形燃料電池の停止後に、前記水蒸気発生器の温度低下を抑制するヒータが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. アノードガス流路から燃料ガス、及び、カソードガス流路から空気を供給して電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池を停止した時に、前記燃料ガスに水蒸気を混合する燃料電池システムの運転方法であって、
    水蒸気発生器を、前記アノードガス流路、或いは、前記カソードガス流路を流れるガスと熱交換可能に配置し、
    前記水蒸気発生器を、前記固体酸化物形燃料電池の発電中に、前記ガスとの熱交換により、前記水蒸気を生成可能な温度に維持し、前記固体酸化物形燃料電池の発電を停止したときに、前記水蒸気発生器から前記水蒸気を発生させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
  5. 前記水蒸気発生器を、ヒータにより加熱して、前記固体酸化物形燃料電池の停止後、前記水蒸気発生器の温度低下を抑制することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。





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