JP5133165B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、改質水ポンプによって供給される改質水を気化して水蒸気を生成する気化器と、送出ポンプによって供給される原燃料及び前記気化器で生成される水蒸気を用いて燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される燃料ガスとブロアによって供給される酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムに関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、酸素イオンを伝導する固体電解質を間に挟むように、燃料ガス（水素、一酸化炭素等）が供給される燃料極及び酸化剤ガス（空気、酸素等）が供給される空気極を設けて構成される。固体電解質の材料としては一般的にはイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、７００℃から１０００℃の高温で、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電が行われる。固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池システムやガスエンジン等に比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。
このような燃料電池を備えた燃料電池システムでは、セルスタック（セルスタックを構成する燃料電池セル）から排出された、反応に用いられなかった余剰の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させ、その燃焼熱を、燃料電池のセルスタックを高温に保つために利用すること、改質器での水蒸気改質反応で必要な熱に利用することなども行われている。

このような燃料電池システムの停止方法としては、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を即座に停止させるのではなく、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を減少させながら供給することにより、燃料極を還元状態に保持しつつ、セルスタック温度を低下させるような方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２９４５０８号公報

但し、燃料電池システムにおいて異常が発生した場合には、特許文献１に記載のように燃料ガス及び酸化剤ガスを流し続ける訳にはいかず、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を供給遮断弁などを用いて物理的に即座に停止する必要がある。このような緊急停止を行った場合、セルスタックの温度が高い状態のままで燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるため、セルスタックの劣化を促進してしまう可能性がある。特に、上述したようなセルスタックから排出された余剰の燃料ガスと酸化剤ガスとを燃焼させる構成の燃料電池システムでは、供給遮断弁を閉じた後、セルスタック内に残留する酸化剤ガスがその燃焼部を介してセルスタックの内部の燃料ガスの供給系統に侵入する可能性がある。その場合、セルスタックを構成する燃料電池セルの燃料極が酸化剤ガスによって酸化され、本来の性能を発揮できなくなるおそれがある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、緊急停止時における燃料電池の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、改質水ポンプによって供給される改質水を気化して水蒸気を生成する気化器と、送出ポンプによって供給される原燃料及び前記気化器で生成される水蒸気を用いて燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される燃料ガス及びブロアによって供給される酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記原燃料の供給を前記送出ポンプの吸込側で遮断可能な供給遮断弁と、
前記供給遮断弁と前記送出ポンプとの間に設けられ、原燃料を吸着可能であり且つ前記送出ポンプが作動すると吸着している原燃料を放出可能な吸着剤を有する吸着器と、を備え、
前記送出ポンプは、当該送出ポンプが作動していない間は吸込側と送出側との間での原燃料ガスの流通が遮断される構造であり、
前記燃料電池システムを緊急停止する際に、前記制御手段は、前記供給遮断弁を閉じると共に、前記送出ポンプと前記改質水ポンプと前記ブロアの作動を停止させることで前記燃料電池に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止する緊急停止制御を行った後、前記送出ポンプと前記改質水ポンプとを作動させる供給停止時作動制御を行うように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、供給遮断弁の下流側に上記吸着器が設けられているので、供給遮断弁が閉じられたとしても、供給停止時作動制御により、吸着器に吸着されている原燃料を改質器へと供給できる。即ち、緊急停止制御が行われたとしても、上記送出ポンプ及び上記改質水ポンプを作動させることで改質器において水蒸気改質反応を行わせることができ、その反応により生成された燃料ガスを燃料電池へ供給できる。その結果、燃料電池の内部の燃料ガスの供給系統にある程度の圧力で燃料ガスを供給することができるので、酸化剤ガスが燃料ガスの供給系統に侵入しないようにすることができる。
従って、緊急停止時における燃料電池の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、前記制御手段は、前記供給停止時作動制御において、前記送出ポンプと前記改質水ポンプとを間欠的に作動させるように制御する点にある。

上記特徴構成によれば、吸着器に吸着されている原燃料の量には限りがあるが、送出ポンプを連続的に作動させる場合に比べて、吸着器に吸着されている原燃料を長期間にわたって改質器へ供給できる。その結果、上記供給停止時作動制御を長期間にわたって実施できる。

本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、前記燃料電池の内部の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される前記燃料電池の内部の温度が所定温度以下になるまで、前記供給停止時作動制御を行うように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、上記供給停止時作動制御が、例えば燃料極に酸化剤ガスが触れたとしても燃料極の酸化反応が容易に進行しないような所定温度以下になるまで行うことで、燃料電池の劣化を効果的に抑制できる。

本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、前記吸着器は、前記原燃料に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器内に具備して構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、吸着器は、前記原燃料に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器内に具備して構成されているので、吸着器と脱硫器とを別個に備える場合に比べて、燃料電池システムを小型にできる。

以下に図面を参照して本発明に係る燃料電池システムについて説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システムにおいて、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である燃料電池本体（本発明でいう「燃料電池」）１０は、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを反応させて発電する複数の燃料電池セル（図示せず）を配列してなるセルスタック（図示せず）を有する。燃料ガスとしては水素、一酸化炭素などを用いることができ、酸化剤ガスとしては酸素（空気）を用いることができる。燃料ガスは各燃料電池セルの燃料極（図示せず）に供給され、酸化剤ガスは各燃料電池セルの空気極（図示せず）に供給される。燃料極と空気極との間には、イットリアをドープしたジルコニアなどで構成される固体酸化物電解質（図示せず）が設けられる。

本発明に係る燃料電池システムは、改質水ポンプ５によって供給される改質水を気化して水蒸気を生成する気化器６と、送出ポンプ４によって供給される原燃料及び気化器６で生成される水蒸気を用いて燃料ガスを生成する改質器７と、改質器７から供給される燃料ガス及び空気ブロア８によって供給される酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池本体１０と、燃料電池本体１０の運転を制御する制御手段１１とを備える。燃料電池システムは、更に、原燃料の供給を送出ポンプ４の吸込側で遮断可能な供給遮断弁１と、供給遮断弁１と送出ポンプ４との間に設けられ、原燃料を吸着可能であり且つ送出ポンプ４が作動すると吸着している原燃料を放出可能な吸着剤を有する吸着器３とを備える。

具体的には、図１に示す例では、原燃料として、メタンを主成分とする天然ガス（都市ガス）を用いている。そして、原燃料は送出ポンプ４によって脱硫器２に引き込まれ、吸着器３を経由して改質器７に供給される。脱硫器２は、原燃料中に含まれる硫黄化合物を除去する。吸着器３には、原燃料であるメタンなどの炭化水素ガスを吸着する性能を有する吸着剤が収容されている。吸着剤としては、活性炭、ゼオライトなどを用いることができる。
送出ポンプ４は、当該送出ポンプ４が作動していない間は吸込側と送出側との間での原燃料ガスの流通が遮断される構造のものである。例えば、吸込側と送出側との間がダイヤフラム膜によって隔てられるダイヤフラム式ポンプを利用できる。送出ポンプ４から改質器７に供給される原燃料としてのメタンの供給量は、流量センサ９によって検出可能である。

燃料電池本体１０は、上述したように、改質器７から供給される燃料ガス及び空気ブロア８によって供給される酸化剤ガスを反応させて発電を行う。反応に用いられなかった余剰の燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料電池本体１０に併設されるバーナなどの燃焼器１３により燃焼される。尚、燃焼器１３は、燃料電池本体１０の外部に併設される場合に限定されず、燃料電池本体１０の内部に収容されていてもよい。燃焼器１３で発生する燃焼熱は、燃料電池本体１０のセルスタックを高温に保つため、改質器７での水蒸気改質反応で必要な熱に利用するためなどに利用できる。

燃料電池本体１０には、セルスタックの所定部位の温度を検出する温度検出手段１２が設けられている。なお、温度検出手段１２は、セルスタックの所定部位の温度を直接的または間接的に検出できれば、セルスタックの近傍等の燃料電池本体１０の内部や、燃料電池本体１０の外面等にも設けることができる。なお、以下の説明においては温度検出手段１２を燃料電池本体１０の内部（セルスタック近傍）に設け、温度検出手段１２が測定する温度を内部温度という。この内部温度は、これまで説明してきた燃料電池の内部の温度のことである。

次に、燃料電池システムの内部で何らかの異常が発生し、燃料電池システムを緊急停止する際に制御手段１１が行う制御について説明する。図２は、制御手段１１が行う緊急停止制御及びその後の供給停止時作動制御での燃料電池本体１０の内部温度、原燃料流量及び改質水流量の時間的な変化を示すグラフである。
図２に示すように、制御手段１１は、燃料電池システムの内部で何らかの異常が発生し、燃料電池システムを緊急停止する場合に、時刻ｔ１において供給遮断弁１を閉じると共に、改質器７に原燃料を供給するための送出ポンプ４と、改質器７に水蒸気を供給するための（即ち、気化器６に改質水を供給するための）改質水ポンプ５と、酸化剤ガスを供給する空気ブロア８との作動を停止させる緊急停止制御を行う。尚、図２には示していないが、空気ブロア８の停止タイミングは、送出ポンプ４及び改質水ポンプ５の停止タイミングと同時でよい。制御手段１１は、上述した送出ポンプ４、改質水ポンプ５及び空気ブロア８の停止制御と同時もしくはこれよりも早く、インバータなどの電力変換器（図示せず）を用いて、燃料電池本体１１から取り出す発電電流もゼロとなるような制御を行う。

このように、緊急停止制御において送出ポンプ４及び改質水ポンプ５及び空気ブロア８の作動が停止されることで、燃料電池本体１０への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止される。その結果、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼していた燃焼器１３での発熱量や、発電に伴うジュール熱などの発熱量がゼロになる。
この状態で、燃料電池本体を囲う筐体の外壁などから放熱されることにより、燃料電池本体１０の内部温度も減少し始める。

その後、図２に示すように制御手段１１は、時刻ｔ１において緊急停止制御を行った後、送出ポンプ４と改質水ポンプ５とを作動させる供給停止時作動制御を行う。尚、制御手段１１は、供給停止時作動制御において、空気ブロア８を作動させない。本発明に係る燃料電池システムでは、供給遮断弁１の下流側に吸着器３が設けられているので、供給遮断弁１が閉じられたとしても、送出ポンプ４を作動させることで吸着器３に吸着されている原燃料を改質器７へと供給できる。よって、緊急停止制御が行われたとしても、送出ポンプ４及び改質水ポンプ５を作動させることで改質器７において水蒸気改質反応を行わせることができ、その反応により生成された燃料ガスを燃料電池本体１０へ供給できる。その結果、燃料電池本体１０の内部の燃料ガスの供給系統にはある程度の圧力で燃料ガスを供給することができるので、酸化剤ガスが燃焼器１３を経由して燃料電池本体１０の燃料ガスの供給系統に侵入しないようにすることができる。そして、燃料電池本体１０のセルスタックを構成する燃料電池セルの燃料極が酸化剤ガスによって酸化されないようにすることができる。
これに対して従来は、緊急停止制御を行った場合、それ以降、送出ポンプ４及び改質水ポンプ５などは何ら作動されることはなかった。

更に、図２に示すように、制御手段１１は、供給停止時作動制御において、送出ポンプ４と改質水ポンプ５とを間欠的に作動させる。吸着器３に吸着されている原燃料の量には限りがあるが、送出ポンプ４と改質水ポンプ５とを間欠的に作動させることで、送出ポンプ４を連続的に作動させる場合に比べて、吸着器３に吸着されている原燃料を長期間にわたって改質器７へ供給できる。その結果、上記供給停止時作動制御を長期間にわたって実施できる。
更に、制御手段１１は、温度検出手段１２により検出される燃料電池本体１０の内部の温度が、燃料極に酸化剤ガスが触れたとしても燃料極の酸化反応が容易に進行しないような所定温度以下になるまで上記供給停止時作動制御を行なうため、燃料極の劣化を効果的に抑制できる。

＜別実施形態＞
上記実施形態では、吸着器３と脱硫器２とが別々に構成される例について説明したが、図３に示すように、吸着器（吸着剤３ａ）は、脱硫器２内に具備して（即ち、脱硫器２が脱硫用触媒と吸着剤３ａとを共に収容して）構成されていてもよい。その場合、吸着器３と脱硫器２とを別個に備える場合に比べて、燃料電池システムを小型にできるという利点がある。

燃料電池システムの構成を示す図 燃料電池本体の内部温度、原燃料流量及び改質水流量の時間的な変化を示すグラフ 別実施形態の燃料電池システムの構成を示す図

符号の説明

１ 供給遮断弁
２ 脱硫器
３ 吸着器
４ 送出ポンプ
５ 改質水ポンプ
６ 気化器
７ 改質器
８ 空気ブロア
１０ 燃料電池本体（燃料電池）
１１ 制御手段
１２ 温度検出手段

Claims (4)

1. 改質水ポンプによって供給される改質水を気化して水蒸気を生成する気化器と、送出ポンプによって供給される原燃料及び前記気化器で生成される水蒸気を用いて燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される燃料ガス及びブロアによって供給される酸化剤ガスを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記原燃料の供給を前記送出ポンプの吸込側で遮断可能な供給遮断弁と、
   前記供給遮断弁と前記送出ポンプとの間に設けられ、原燃料を吸着可能であり且つ吸着している原燃料を前記送出ポンプが作動する動作状態で放出可能な吸着剤を有する吸着器と、を備え、
   前記送出ポンプは、当該送出ポンプが作動していない間は吸込側と送出側との間での原燃料ガスの流通が遮断される構造であり、
   前記燃料電池システムを緊急停止する際に、前記制御手段は、前記供給遮断弁を閉じると共に、前記送出ポンプと前記改質水ポンプと前記ブロアの作動を停止させることで前記燃料電池に対する燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止する緊急停止制御を行った後、前記送出ポンプと前記改質水ポンプとを作動させる供給停止時作動制御を行うように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記供給停止時作動制御において、前記送出ポンプと前記改質水ポンプとを間欠的に作動させるように制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の内部の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される前記燃料電池の内部の温度が所定温度以下になるまで、前記供給停止時作動制御を行うように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記吸着器は、前記原燃料に含まれる硫黄化合物を除去する脱硫器内に具備して構成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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