JP5324272B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料（原燃料）を水蒸気改質して水素含有ガス（改質ガス）を生成する改質装置と、改質装置によって生成された改質ガス及び空気を電気化学的に発電反応させる燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２９３９５１号公報

ところで、上述したような燃料電池システムにおいては、改質装置における改質効率を好適に維持してシステムの運転の安定化を図る観点から、改質触媒を加熱するバーナ燃焼器に空気供給装置によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが重要である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、空気供給装置によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質することにより生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、改質触媒を用いて原燃料を改質する改質器と、改質触媒を加熱するバーナ燃焼器と、バーナ燃焼器に空気を供給する空気供給装置と、バーナ燃焼器における燃焼によって加熱された所定の部位の加熱温度を計測する温度計測器と、空気供給装置によって供給された空気の供給流量を計測する流量計測器と、流量計測器の指示値が所定値となるように空気供給装置を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、所定量の燃料がバーナ燃焼器に供給されている場合に、加熱温度と供給流量との対応関係に基づいて、温度計測器の指示値に対応する供給流量を示す値となるように流量計測器の指示値を補正することを特徴とする。

この燃料電池システムにおいては、流量計測器の指示値に基づいて空気供給装置が制御されるが、この流量計測器の指示値は、温度計測器の指示値に対応する供給流量を示す値となるように補正される。ここで、バーナ燃焼器における燃焼によって加熱された所定の部位の加熱温度と、空気供給装置によって供給された空気の供給流量との間には、所定の対応関係が存在するため、温度計測器の指示値に対応する供給流量を示す値となるように流量計測器の指示値を補正することで、空気供給装置によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となる。

また、制御装置は、温度計測器の指示値に対応する供給流量を示す値と流量計測器の指示値との差が所定の閾値を超えている場合には、システムの運転を停止させることが好ましい。このような場合には、流量計測器の指示値が実際の供給流量（すなわち、空気供給装置によって供給された空気の供給流量、換言すれば、温度計測器の指示値に対応する供給流量）を示す値から単にずれているという状態ではなく、システムに何らかの異常が発生していると想定されるため、異常が発生している状態でシステムの運転を継続させることを防止することができる。

また、バーナ燃焼器は、システムの起動時においては原燃料のみをバーナ燃料として用い、システムの起動時後においては燃料電池から排出されるオフガスをバーナ燃料として用い、制御装置は、システムの起動時に流量計測器の指示値の補正を行うことが好ましい。燃料電池システムにおいては、システムの起動命令が入力されてからオフガスがバーナ燃焼器に導入されるまでに所定の期間（この期間をシステムの起動時という）が存在するので、バーナ燃焼器がオフガスをバーナ燃料として用いない（すなわち、外乱の少ない）システムの起動時に流量計測器の指示値の補正を行うことで、補正自体の精度の向上、及び起動時後におけるシステムの運転の安定化を図ることができる。

本発明によれば、空気供給装置によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す構成図である。 図１の改質器及びバーナ燃焼器の断面図である。 図２の流量計測器における電圧信号と空気の供給流量の指示値との対応関係を示すグラフである。 図２の制御装置による流量計測器の指示値の補正手順を示すフローチャートである。 図２の制御装置における加熱温度と空気の供給流量との対応関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す構成図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫器２と、改質装置としての燃料処理システム（以下、「ＦＰＳ」という）３と、燃料電池としての固体高分子形燃料電池スタック（以下、「ＰＥＦＣスタック」という）４と、インバータ５と、これらを収容する筐体６と、を具備している。燃料電池システム１は、入手が容易であり且つ独立して貯蔵可能であるという観点から、原燃料として灯油等の液体燃料を用いて発電を行なうものであり、例えば家庭用の電力供給源として採用される。

脱硫器２は、外部から導入された液体燃料に対して脱硫を施すものである。脱硫器２においては、脱硫触媒がヒータによって例えば２２０℃〜２３０℃に加熱されて脱硫に用いられる。脱硫器２には、ポンプ（図示せず）によって液体燃料が供給される。このポンプは、例えば定量型の電磁ポンプ等、液体燃料を加圧しながら脱硫器２に供給するものである。脱硫器２内において液体燃料が加圧されることで、脱硫触媒を比較的高温にしても液体燃料が気化しに難くなるので、液体燃料を液相状態に維持しながら、加熱された脱硫触媒に接触させることができる。また、脱硫器２に液体燃料を供給するポンプとして定量型の電磁ポンプを用いることで、脱硫器２に圧送される液体燃料の圧力が安定化されるので、液体燃料を安定的に脱硫することができる。

ＦＰＳ３は、液体燃料を改質して改質ガスを生成するものであり、改質器７と、バーナ燃焼器８と、を備えている。改質器７は、脱硫された液体燃料と水蒸気とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する水蒸気改質ガスを生成する。バーナ燃焼器８は、改質器７の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。更に、ＦＰＳ３は、変性器９と、選択酸化器１１と、を備えている。変性器９は、改質器７で生成された改質ガスを水性シフト反応させて、一酸化炭素の濃度を低下させる。選択酸化器１１は、変性器９で生成された改質ガスを空気の導入により選択酸化反応させて、一酸化炭素の濃度を更に低下させる。これらの変性器９及び選択酸化器１１を用いることで、一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ程度の改質ガスが生成される。

ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セルが積み重ねられて構成されており、ＦＰＳ３で生成された改質ガスを用いて発電を行い、ＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノード、カソード、及びアノードとカソードとの間に配置された固体酸化物である電解質を有している。各電池セルにおいては、アノードに改質ガスが導入されると共に、カソードに空気が導入されて、電気化学的な発電反応が行われる。なお、ＰＥＦＣスタック４は、通常５５０℃〜１０００℃程度の高温で作動する。インバータ５は、出力されたＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。筐体６は、脱硫器２、ＦＰＳ３、ＰＥＦＣスタック４及びインバータ５をモジュール化して収容するものである。

燃料電池システム１には、筐体６の外部からＦＰＳ３に液体燃料を導入するための液体燃料ラインＬ１が設けられている。液体燃料ラインＬ１は、脱硫器２の下流側において、改質器７に液体燃料を導入するための液体燃料ラインＬ１１とバーナ燃焼器８に液体燃料を供給するための液体燃料ラインＬ１２とに分岐されている。

液体燃料ラインＬ１１の改質器７付近には、水蒸気改質に用いる水（原料水）を改質器７に導入するための水ラインＬ２が接続されている。水ラインＬ２の上流側には、水タンク１５が設けられており、水タンク１５には、筐体６の外部から水タンク１５に水を導入するための水ラインＬ２１、及びＰＥＦＣスタック４においてプロセス水を回収するための水ラインＬ２２が接続されている。また、バーナ燃焼器８には、筐体６の外部から空気を導入するための空気ラインＬ３１、及び発電反応に寄与しなかった水素を含むオフガスをＰＥＦＣスタック４から導入するためのオフガスラインＬ５が接続されている。更に、ＰＥＦＣスタック４には、筐体６の外部から空気を導入するための空気ラインＬ３２、及びＦＰＳ３から改質ガスを導入するための改質ガスラインＬ４が接続されている。

次に、上述したバーナ燃焼器８に供給される空気の供給流量の制御について説明する。

図２は、図１の改質器及びバーナ燃焼器の断面図である。図２に示されるように、バーナ燃焼器８は、円筒形状のバーナ部１９及び燃焼筒２１を有している。バーナ部１９には、液体燃料ラインＬ１２から液体燃料を導入するための液体燃料導入部Ｌ１２１、オフガスラインＬ５からオフガスを導入するためのオフガス導入部Ｌ５１、及び空気ラインＬ３１から空気を導入するための空気導入部Ｌ１３１が設けられている。液体燃料ラインＬ１２には、液体燃料を気化してバーナ燃焼器８に導入するための気化器（図示せず）が設けられている。燃焼筒２１は、バーナ燃焼が行われるバーナ燃焼空間Ｓを画定しており、バーナ燃焼空間Ｓの先端部には、バーナ燃焼により発生する燃焼ガスを排出するため開口部２１ａが設けられている。

改質器７は、燃焼筒２１の開口部２１ａから外部に燃焼ガスを排出するための燃焼ガスラインＬ６を介在させた状態で、バーナ燃焼器８を取り囲んでいる。改質器７は、脱硫された液体燃料及び原料水を気化させる気化器２３を有しており、気化器２３の下流側には、燃焼ガスラインＬ６を流通する燃焼ガスの熱により加熱される改質触媒２２が収容されている。改質器７においては、気化器２３によって気化された原燃料ガス及び水蒸気が改質触媒２２に接触しながら流通することで、水蒸気改質反応が進行して改質ガスが生成される。なお、改質触媒２２は、水蒸気改質反応が非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が５５０〜７５０℃程度と比較的高いことから、７００℃程度となるようにバーナ燃焼器８によって加熱される。

そして、空気ラインＬ３１には、バーナ燃焼器８に空気を供給するブロア等の空気供給装置１２、及び空気供給装置１２によって供給された空気の供給流量を計測する流量計測器１３が設けられている。また、バーナ燃焼器８には、バーナ燃焼によって加熱されたバーナ部１９の加熱温度を計測する熱電対等の温度計測器１４が設けられている。なお、流量計測器１３は、電圧信号によって供給流量を示すものである。具体的には、流量計測器１３は、図３に示されるように、電圧信号と空気の供給流量の指示値とのリニアな対応関係Ｒ１を有しており、１Ｖの電圧信号によって空気の供給流量が０Ｌ／分であることを示し、３Ｖの電圧信号によって空気の供給流量が１５Ｌ／分であることを示す。

ところで、バーナ燃焼器８に供給される空気の供給流量が規定の流量よりも多いと、燃焼空気量の過剰に起因したリーン現象によって火炎が不安定となるため、温度が低下して改質効率が低下するおそれがある。一方、バーナ燃焼器８に供給される空気の供給流量が規定の流量よりも少ないと、燃焼空気量の不足に起因したリッチ現象によって火炎が不安定となるため、燃焼ガス中のＣＯやＮＯｘの量が増加するおそれがある。

従って、バーナ燃焼器８に供給される空気の供給流量を精度良く調節することは、極めて重要である。燃料電池システム１においては、図２に示されるように、制御装置１６によって、流量計測器１３の指示値に基づいて空気供給装置１２が制御されるが、以下のように、流量計測器１３の指示値の補正が行われる。

図４は、図２の制御装置による流量計測器の指示値の補正手順を示すフローチャートである。図４に示されるように、まず、システムの起動時であるか否かが判断される（Ｓ０１）。ここで、バーナ燃焼器８は、システムの起動時においては、液体燃料ラインＬ１２を介して液体燃料のみをバーナ燃料として用い、システムの起動時後においては、オフガスラインＬ５を介してオフガスをバーナ燃料として用いる。つまり、システムの起動時とは、システムの起動命令が入力されてからオフガスがバーナ燃焼器８に導入されるまでの所定の期間である。

このシステムの起動時には、例えば、バーナ燃焼器８への液体燃料の供給流量が０．５ｇ／分であるのに対し、バーナ燃焼器８への空気の供給流量が１０Ｌ／分となるように、流量計測器１３の指示値に基づいて空気供給装置１２が制御される。このとき、バーナ燃焼によって加熱されたバーナ部１９の加熱温度は２１０℃程度（５℃〜１０℃の偏差以内）で略一定となる。

Ｓ０１の判断処理の結果、システムの起動時であった場合には、温度計測器１４によって計測された加熱温度（温度計測器１４の指示値）が温度Ｔ１（例えば２００℃）を下回っているか否かが判断される（Ｓ０２）。その結果、加熱温度が温度Ｔ１を下回っていた場合には、プラスの補正値が算出される（Ｓ０３）。

具体的には、制御装置１６は、図５に示されるように、加熱温度（バーナ燃焼によって加熱されたバーナ部１９の加熱温度）と空気の供給流量（バーナ燃焼器８に供給される空気の供給流量）との対応関係を記憶しており、例えば、加熱温度（温度計測器１４の指示値）が１９０℃であるときには、実際の空気の供給流量が１１Ｌ／分であると判定する。このときのプラスの補正値（すなわち、温度計測器１４の指示値に対応する空気の供給流量を示す値（１１Ｌ／分）と流量計測器１３の指示値（１０Ｌ／分）との差）は１Ｌ／分である。

図４に戻り、Ｓ０３の算出処理に続いて、プラスの補正値が所定の閾値（例えば３Ｌ／分）以下であるか否かが判断され（Ｓ０４）、その結果、プラスの補正値が所定の閾値を超えていた場合には、システムの運転が停止させられる（Ｓ０５）。一方、Ｓ０４の判断処理の結果、プラスの補正値が所定の閾値以下であった場合には、流量計測器１３の指示値のプラスの補正が行われる（Ｓ０６）。

具体的には、制御装置１６は、Ｓ０３の算出処理で算出された１Ｌ／分のプラスの補正値に基づいて、図３に示されるように、２．３Ｖの電圧信号によって空気の供給流量が１０Ｌ／分でなく１１Ｌ／分であることを示すように、流量計測器１３における電圧信号と空気の供給流量の指示値との対応関係Ｒ１を、傾きを維持しつつ線形補間により対応関係Ｒ２に補正する。

図４に戻り、Ｓ０２の判断処理の結果、温度計測器１４によって計測された加熱温度（温度計測器１４の指示値）が温度Ｔ１（例えば２００℃）を下回っていなかった場合には、加熱温度が温度Ｔ２（例えば２２０℃）を上回っているか否かが判断され（Ｓ０７）、その結果、加熱温度が温度Ｔ２を上回っていなかった場合には、流量計測器１３の指示値の補正が行われずに終了となる（すなわち、流量計測器１３における電圧信号と空気の供給流量の指示値との対応関係Ｒ１が維持される）。一方、Ｓ０７の判断処理の結果、加熱温度が温度Ｔ２を上回っていた場合には、マイナスの補正値が算出される（Ｓ０８）。

具体的には、制御装置１６は、図５に示されるように、加熱温度と空気の供給流量との対応関係に基づいて、例えば、加熱温度（温度計測器１４の指示値）が２３０℃であるときには、実際の空気の供給流量が９Ｌ／分であると判定する。このときのマイナスの補正値（すなわち、温度計測器１４の指示値に対応する空気の供給流量を示す値（９Ｌ／分）と流量計測器１３の指示値（１０Ｌ／分）との差）は１Ｌ／分である。

図４に戻り、Ｓ０８の算出処理に続いて、マイナスの補正値が所定の閾値（例えば３Ｌ／分）以下であるか否かが判断され（Ｓ０９）、その結果、マイナスの補正値が所定の閾値を超えていた場合には、システムの運転が停止させられる（Ｓ０５）。一方、Ｓ０９の判断処理の結果、マイナスの補正値が所定の閾値以下であった場合には、流量計測器１３の指示値のマイナスの補正が行われる（Ｓ１０）。

具体的には、制御装置１６は、Ｓ０８の算出処理で算出された１Ｌ／分のマイナスの補正値に基づいて、図３に示されるように、２．３Ｖの電圧信号によって空気の供給流量が１０Ｌ／分でなく９Ｌ／分であることを示すように、流量計測器１３における電圧信号と空気の供給流量の指示値との対応関係Ｒ１を、傾きを維持しつつ線形補間により対応関係Ｒ３に補正する。

以上説明したように、燃料電池システム１においては、流量計測器１３の指示値に基づいて空気供給装置１２が制御されるが、この流量計測器１３の指示値は、温度計測器１４の指示値に対応する供給流量を示す値となるように補正される。ここで、バーナ燃焼器８における燃焼によって加熱されたバーナ部１９の加熱温度と、空気供給装置１２によって供給された空気の供給流量との間には、所定の対応関係が存在するため、温度計測器１４の指示値に対応する供給流量を示す値となるように流量計測器１３の指示値を補正することで、空気供給装置１２によって供給される空気の供給流量を精度良く調節することが可能となる。

また、制御装置１６は、温度計測器１４の指示値に対応する供給流量を示す値と流量計測器１３の指示値との差（すなわち、プラスの補正値及びマイナスの補正値）が所定の閾値を超えている場合には、システムの運転を停止させる。このような場合には、流量計測器１３の指示値が実際の供給流量（すなわち、空気供給装置１２によって供給された空気の供給流量、換言すれば、温度計測器１４の指示値に対応する供給流量）を示す値から単にずれているという状態ではなく、システムに何らかの異常が発生していると想定されるため、異常が発生している状態でシステムの運転を継続させることを防止することができる。

更に、制御装置１６は、システムの起動時に流量計測器１３の指示値の補正を行う。このように、バーナ燃焼器８がオフガスをバーナ燃料として用いない（すなわち、外乱の少ない）システムの起動時に流量計測器１３の指示値の補正を行うことで、補正自体の精度の向上、及び起動時後におけるシステムの運転の安定化を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、液体燃料としては、灯油の他、ガソリン、ナフサ、軽油、メタノール、エタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、バイオマスを利用したバイオ燃料を用いることができる。また、原燃料として、都市ガス等の気体燃料を用いてもよい。なお、この場合には、脱硫器（脱硫方法）及び改質器（改質方法）は、用いる液体燃料の特性に応じたものとされる。

また、上記実施形態では、ＰＥＦＣスタック４を備えた燃料電池システム１としたが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを備えた燃料電池システムとしてもよい。更に、温度計測器１４は、バーナ燃焼器８における燃焼によって加熱された所定の部位であれば、バーナ燃焼空間Ｓ内等、バーナ部１９以外の温度を加熱温度として計測してもよい。

１…燃料電池システム、７…改質器、８…バーナ燃焼器、１２…空気供給装置、１３…流量計測器、１４…温度計測器、１６…制御装置、２２…改質触媒。

Claims (3)

1. 原燃料を改質することにより生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池システムであって、
   改質触媒を用いて前記原燃料を改質する改質器と、
   前記改質触媒を加熱するバーナ燃焼器と、
   前記バーナ燃焼器に空気を供給する空気供給装置と、
   前記バーナ燃焼器における燃焼によって加熱された所定の部位の加熱温度を計測する温度計測器と、
   前記空気供給装置によって供給された前記空気の供給流量を計測する流量計測器と、
   前記流量計測器の指示値が所定値となるように前記空気供給装置を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、所定量の燃料が前記バーナ燃焼器に供給されている場合に、前記加熱温度と前記供給流量との対応関係に基づいて、前記温度計測器の指示値に対応する前記供給流量を示す値となるように前記流量計測器の指示値を補正することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記温度計測器の指示値に対応する前記供給流量を示す値と前記流量計測器の指示値との差が所定の閾値を超えている場合には、システムの運転を停止させ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. 前記バーナ燃焼器は、システムの起動時においては前記原燃料のみをバーナ燃料として用い、システムの起動時後においては前記燃料電池から排出されるオフガスを前記バーナ燃料として用い、
   前記制御装置は、前記システムの起動時に前記流量計測器の指示値の補正を行う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。

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