JP5503345B2 - 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、水蒸気及び原燃料を改質触媒で改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質器を備えるものが知られている。このような燃料電池システムでは、改質器に水蒸気を供給するために気化器が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２３５０２９号公報

ところで、水蒸気を供給する気化器は、多くの熱を必要とする。そのため、気化器を改質器の近傍に設置すると、改質器の温度を低下させるおそれがある。そして、改質器の温度低下は、未改質ガスを発生させ、セルスタックの損傷を引き起こす原因となる。その一方で、水を気化させるためにヒータを常時使用すると、多くの電力を消費することになる。

そこで、本発明は、改質器の温度低下を抑制しつつ効率良く水を気化させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、水を気化して水蒸気を生成する第１の気化器及び第２の気化器と、第１の気化器及び第２の気化器の少なくとも一方によって生成された水蒸気並びに原燃料を改質触媒で改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、改質器によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備え、第１の気化器は、ヒータを有し、ヒータが発生する熱を用いて水を気化し、第２の気化器は、改質器及び燃料電池スタックの少なくとも一方から排出される排ガスの熱を用いて水を気化し、第１の気化器及び第２の気化器のそれぞれには、互いに異なる水ラインを介して水が導入され、排ガスを流通させ、熱交換によって第２の気化器に受熱させる排ガスラインと、排ガスラインにおける改質器及び燃料電池スタックの少なくとも一方の下流側且つ第２の気化器の上流側において排ガスの排出によって上昇する温度が所定の温度に到達した場合に、水の供給先を第１の気化器から第２の気化器に切り替える水供給装置と、を更に備え、水供給装置は、排ガスの排出によって上昇する温度が所定の温度に到達したときには、第２の気化器に対する水の供給量を増加させた後に、第１の気化器に対する水の供給量を減少させることを特徴とする。

この燃料電池システムにおいては、改質器に水蒸気を供給するために第１の気化器及び第２の気化器が用いられている。そして、第１の気化器は、ヒータが発生する熱を用いて水を気化する。そのため、例えば燃料電池システムの起動運転時には、第１の気化器を用いて改質器に水蒸気を供給することができる。一方、第２の気化器は、改質器及び燃料電池スタックの少なくとも一方から排出される排ガスの熱を用いて水を気化する。そのため、例えば燃料電池システムの定常運転時には、第２の気化器を用いて改質器に水蒸気を供給することができる。よって、この燃料電池システムによれば、改質器の温度低下を抑制しつつ効率良く水を気化させることが可能となる。また、水蒸気の供給元が第１の気化器から第２の気化器に切り替えられる際に、改質器において水蒸気不足となることが防止され、炭素析出等の問題が発生することが抑制される。

ここで、第１の気化器及び第２の気化器は、改質器から離間していることが好ましい。これによれば、改質器の温度低下をより確実に抑制することができる。

このとき、水供給装置は、第２の気化器に対する水の供給量の増加と、第１の気化器に対する水の供給量の減少とを、段階的に交互に行うことが好ましい。これによれば、改質器において水蒸気過多となる度合いが抑制され、第１の気化器から第２の気化器へと水蒸気の供給元が徐々に切り替えられる。

本発明によれば、改質器の温度低下を抑制しつつ効率良く水を気化させることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態の燃料電池システムのブロック図である。 図１の燃料電池システムの水供給装置の処理手順を示すフローチャートである。 図１の燃料電池システムの水供給装置による水の供給量の時間変化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に示されるように、燃料電池システム１は、改質ガスを生成する改質器２と、固体酸化物形のセルスタック（燃料電池スタック）３と、を備えている。改質器２は、水蒸気及び原燃料を改質触媒２ａで改質して改質ガスを生成する。セルスタック３は、改質器２によって生成された改質ガスを用いて発電を行う。改質ガスは、改質ガスラインＬ１を介して改質器２からセルスタック３に導入される。

改質器２の改質触媒２ａにおいては、外部から導入された水蒸気及び原燃料が水蒸気改質反応させられて、水素を含有する改質ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２は、セルスタック３の排熱を利用し得るように、セルスタック３上に配置されている。改質触媒２ａとしては、例えば、ルテニウム系触媒、ニッケル系触媒等が適宜用いられる。

原燃料としては、固体酸化物形燃料電池の分野で公知の炭化水素系燃料、すなわち、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が適宜用いられる。例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類等が挙げられる。より具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等が挙げられ、アルコール類として、メタノール、エタノール等が挙げられ、エーテル類として、ジメチルエーテル等が挙げられる。

セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称されるセルが複数積層されたものである。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と空気極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなり、８００℃〜１０００℃の温度で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガス中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。空気極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、空気中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。

燃料電池システム１には、水を気化して水蒸気を生成する気化器（第１の気化器）４及び気化器（第２の気化器）５が設けられている。気化器４及び気化器５の少なくとも一方によって生成された水蒸気は、改質器２に供給される。

気化器４には、水ラインＬ２を介して水が導入される。水ラインＬ２には、水を気化器４に圧送するためのポンプ６が設けられている。気化器４は、ヒータ４ａを有しており、ヒータ４ａが発生する熱を用いて水を気化する。気化器４によって生成された水蒸気は、水蒸気ラインＬ３を介して改質器２に導入される。

気化器５には、水ラインＬ４を介して水が導入される。水ラインＬ４は、ポンプ６の上流側において水ラインＬ２から分岐している。水ラインＬ４には、水を気化器５に圧送するためのポンプ７が設けられている。気化器５は、改質器２及びセルスタック３の少なくとも一方から排出される排ガスの熱を用いて水を気化する。気化器５によって生成された水蒸気は、水蒸気ラインＬ５を介して改質器２に導入される。水蒸気ラインＬ５は、改質器２の手前において水蒸気ラインＬ３に合流している。

気化器５は、排ガスラインＬ６から熱交換によって受熱することができるように配置されている。排ガスラインＬ６は、改質器２及びセルスタック３の少なくとも一方から排出された排ガスを流通させる。このような排ガスとしては、例えば、改質器２のバーナからの燃焼ガスやセルスタック３の陽極からのオフガス等が挙げられ、窒素、酸素、二酸化炭素等を含んでいる。なお、排ガスラインＬ６には、温水回収熱交換器１１が設けられている。温水回収熱交換器１１は、排ガスラインＬ６から熱交換によって受熱することができるように気化器５の下流側に配置されている。温水回収熱交換器１１は、燃料電池システム１の電力供給先に水を温水として供給するためのものである。

燃料電池システム１では、水ラインＬ２，Ｌ４、ポンプ６，７及び制御部８によって水供給装置１０が構成されている。制御部８は、温度センサ９によって取得された温度に基づいて、ポンプ６，７の動作を制御する。温度センサ９は、排ガスラインＬ６に設けられており、セルスタック３の下流側且つ気化器５の上流側において、排ガスの排出によって上昇する温度を取得する。

ここで、水供給装置１０が水の供給先を気化器４から気化器５に切り替える際の処理手順について、図２のフローチャートを参照して説明する。前提として、燃料電池システム１が起動運転状態であるものとする。つまり、燃料電池システム１では、ポンプ６によって気化器４のみに水が供給されており、ヒータ４ａが発生する熱によって水が気化されて、気化器４のみから改質器２に水蒸気が供給されているものとする。

まず、温度センサ９によって取得される温度、すなわち、排ガスの排出によって上昇する温度Ｔｍが所定の温度Ｔｐに到達したか否かが判断される（ステップＳ１）。所定の温度Ｔｐは、例えば１５０℃である。なお、温度Ｔｍが温度Ｔｐに到達するということは、燃料電池システム１が起動運転状態から定常運転状態に入ったことを意味する。

そして、温度Ｔｍが温度Ｔｐに到達したら、ポンプ７への増量指示がなされる（ステップＳ２）。具体的には、図３に示されるように、ポンプ７は、気化器５に対する水の供給量をゼロからΔＱだけ増加させる。これより、気化器５では、排ガスの熱によって水が気化され、気化器４に加えて、気化器５から改質器２に水蒸気が供給されることになる。

続いて、ポンプ７への増量指示から所定の時間Δｔ１が経過したか否かが判断される（ステップＳ３）。所定の時間Δｔ１は、例えば１０秒である。そして、所定の時間Δｔ１が経過したら、ポンプ６への減量指示がなされる（ステップＳ４）。具体的には、図３に示されるように、ポンプ６は、気化器４に対する水の供給量をＱからΔＱだけ減少させる。

続いて、水の供給先の切替えが完了したか否かが判断される（ステップＳ５）。つまり、気化器４に対する水の供給量がゼロとなり、気化器５に対する水の供給量がＱとなったか否かが判断される。

その結果、水の供給先の切替えが完了していなければ、ポンプ６への減量指示から所定の時間Δｔ２が経過したか否かが判断される（ステップＳ６）。所定の時間Δｔ２は、例えば２０秒である。そして、所定の時間Δｔ２が経過したら、再度、ポンプ７への増量指示がなされる（ステップＳ２）。具体的には、図３に示されるように、ポンプ７は、気化器５に対する水の供給量を更にΔＱだけ増加させる。

以下、水供給装置１０では、ステップＳ２〜ステップＳ６の処理が繰り返され、ステップＳ５において、水の供給先の切替えが完了したと判断されたときに（すなわち、図３に示されるように、ポンプ６から気化器４への水の供給量がゼロとなり、ポンプ７から気化器５への水の供給量がＱとなったときに）、一連の処理が終了となる。これにより、燃料電池システム１では、ポンプ７によって気化器５のみに水が供給され、排ガスの熱によって水が気化されて、気化器５のみから改質器２に水蒸気が供給されることになる。そして、水の供給先の切替えが完了したら、気化器４のヒータ４ａが停止させられる。これにより、ヒータ４ａの使用を抑制することが可能となる。

以上説明したように、燃料電池システム１においては、改質器２に水蒸気を供給するために気化器４及び気化器５が用いられている。そして、気化器４は、ヒータ４ａが発生する熱を用いて水を気化する。そのため、燃料電池システム１の起動運転時には、気化器４を用いて改質器２に水蒸気を供給することができる。一方、気化器５は、改質器２及びセルスタック３の少なくとも一方から排出される排ガスの熱を用いて水を気化する。そのため、燃料電池システム１の定常運転時には、気化器５を用いて改質器２に水蒸気を供給することができる。よって、燃料電池システム１によれば、その定常運転時にヒータ４ａを停止させても、改質器２の温度低下を抑制しつつ効率良く水を気化させることが可能となる。

また、気化器４及び気化器５は、改質器２から離間しており、特に、気化器５は、セルスタック３を介在させて改質器２から離間している。これにより、気化器４及び気化器５に熱を奪われるようなことが防止されるので、改質器２の温度低下をより確実に抑制することができる。

また、水供給装置１０は、排ガスの排出によって上昇する温度Ｔｍが所定の温度Ｔｐに到達したときに、気化器５に対する水の供給量を増加させた後に、気化器４に対する水の供給量を減少させる。これにより、水蒸気の供給元が気化器４から気化器５に切り替えられる際に、改質器２において水蒸気不足となることが防止され、炭素析出等の問題が発生することが抑制される。

また、水供給装置１０は、気化器５に対する水の供給量の増加と、気化器４に対する水の供給量の減少とを、段階的に交互に行う。これにより、改質器２において水蒸気過多となる度合いが抑制され、気化器４から気化器５へと水蒸気の供給元が徐々に切り替えられる。

更に、気化器４，５が改質器２から離れているため、気化熱による改質器２の温度低下が抑制され、原燃料の未分解成分に起因してセルスタック３が損傷を受けることが防止される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、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、改質器２は、水蒸気改質反応を利用するものに限定されず、水蒸気を用いるものであれば、他の改質反応を利用するものであってもよい。また、セルスタック３は、固体酸化物形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体高分子形等であってもよい。

また、水供給装置１０は、各気化器４，５への水の供給量を別々に調節することができるものであれば、他の構成を採用するものであってもよい。一例として、各水ラインＬ２，Ｌ４に開度調節可能な弁を設け、水ラインＬ２と水ラインＬ４と分岐点よりも上流側にポンプを１つ設けてもよい。

１…燃料電池システム、２…改質器、２ａ…改質触媒、３…セルスタック（燃料電池スタック）、４…気化器（第１の気化器）、４ａ…ヒータ、５…気化器（第２の気化器）、１０…水供給装置。

Claims (3)

1. 水を気化して水蒸気を生成する第１の気化器及び第２の気化器と、
   前記第１の気化器及び前記第２の気化器の少なくとも一方によって生成された前記水蒸気並びに原燃料を改質触媒で改質して、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器によって生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、を備え、
   前記第１の気化器は、ヒータを有し、前記ヒータが発生する熱を用いて前記水を気化し、
   前記第２の気化器は、前記改質器及び前記燃料電池スタックの少なくとも一方から排出される排ガスの熱を用いて前記水を気化し、
   前記第１の気化器及び前記第２の気化器のそれぞれには、互いに異なる水ラインを介して前記水が導入され、
   前記排ガスを流通させ、熱交換によって前記第２の気化器に受熱させる排ガスラインと、
   前記排ガスラインにおける前記改質器及び前記燃料電池スタックの少なくとも一方の下流側且つ前記第２の気化器の上流側において前記排ガスの排出によって上昇する温度が所定の温度に到達した場合に、前記水の供給先を前記第１の気化器から前記第２の気化器に切り替える水供給装置と、を更に備え、
   前記水供給装置は、前記排ガスの排出によって上昇する前記温度が前記所定の温度に到達したときには、前記第２の気化器に対する前記水の供給量を増加させた後に、前記第１の気化器に対する前記水の供給量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の気化器及び前記第２の気化器は、前記改質器から離間してい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. 前記水供給装置は、前記第２の気化器に対する前記水の供給量の増加と、前記第１の気化器に対する前記水の供給量の減少とを、段階的に交互に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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