JP5953025B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
(i)燃料電池システムが発電運転しないものの、発電運転前に改質器および/または燃料電池を昇温させる暖機モードのとき
(ii)原料ガスが原料ガス通路に流れていないとき
図1〜図4は実施形態1を示す。図1に示すように、燃料電池システムは、アノード10およびカソード11を有する燃料電池1と、燃料電池1のカソード11にカソードガス(空気等の酸素含有ガス)を供給するカソードガス通路70と、原料ガスを改質させてアノードガス(水素含有ガスまたは水素ガス)を生成させる改質器2Aと、原料ガスを脱硫させた状態で改質器2Aに供給させるガス搬送源として機能するポンプ60を有する原料ガス通路6と、改質器2Aで生成されたアノードガスを燃料電池1のアノード10に供給させるアノードガス通路73と、アノードガス通路73、改質器2Aおよび燃料電池1を収容する断熱壁19とを有する。発電モジュール18は、改質器2A、燃料電池1、断熱壁19で形成されている。改質用の水または水蒸気が供給させる給水通路8が改質器2Aに接続されている。改質器2Aは、水蒸気を生成させる蒸発部と、水蒸気を用いて燃料を改質させる改質部とを含む。
本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図1〜図4を準用する。本実施形態によれば、制御部100Xは、燃料電池システムの発電運転中において判定処理を実行し、脱硫器100の交換の有無を判定する。しかしながら脱硫器100の温度が第1規定温度Txよりも低いとき、制御部100Xは判定処理を実行しない。脱硫剤の材質や原料ガスの組成等に応じて、第1規定温度Txは例えば50℃以下の範囲から適宜設定される。
図7は実施形態3を示す。本実施形態は実施形態1と基本的には同様の構成および作用効果を有する。図7に示すように、第1脱硫器100は、相対的に高温の環境(例えば50℃以上、220℃以下の温度環境)に設置されており、具体的には、発電モジュール18の断熱壁19から受熱(熱伝導、輻射熱の受熱)できるように、断熱壁19の外壁面に接触または接近状態で隣設されて配置されている。第1脱硫器100は、相対的に高露点の原料ガスに対しても脱硫性能をもつ第1脱硫剤を収容する。第1脱硫剤としては、ゼオライトが挙げられるが、銀や銅等の金属を担持したゼオライト、活性炭等の多孔質材料でも良い。第2脱硫器200は、第1環境よりも相対的に低温(例えば0〜50℃未満)の第2環境に設置されており、高温の発電モジュール18から離間して配置されている。第2脱硫器200の第2脱硫剤は、相対的に低露点の原料ガスに対して脱硫性能をもつ。第2脱硫器200では、相対的に高露点の原料ガス(水蒸気が相対的に多い)に対して、相対的に低露点の原料ガス(水蒸気が相対的に少ない)よりも脱硫性能を低下させる。このような第2脱硫剤としてはゼオライトが挙げられる。
図8は実施形態4を示す。本実施形態は上記実施形態1、2と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図1〜図4を準用する。本実施形態によれば、判定処理において脱硫器100を交換させる判定が出力されたとき、制御部100Xは、判定に基づいて燃料電池システムの発電運転を停止させ、停止させた後に燃料電池システムを再起動させるとき、再起動時の暖機モードにおいて、更に、暖機モードから発電モードに移行するまでの間において、制御部100Xは判定処理を実行しない。暖機モードから発電モードに移行してから、制御部100Xは判定処理を再実行し、本判定する。
図9は実施形態5を示す。本実施形態は実施形態1、2と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図1〜図4を準用する。本実施形態によれば、本実施形態によれば、判定処理において脱硫器100を交換させる必要がありと判定されたとき、判定に基づいて燃料電池システムの発電運転が停止され、停止された後に燃料電池システムが再起動される。このとき、制御部100Xは、脱硫器100の温度TH1が第1規定温度Tx未満のとき判定処理を実行せず、脱硫器100の温度TH1が第1規定温度Tx以上のとき判定処理を再実行する。
図10は実施形態6を示す。本実施形態は上記した実施形態1、2と基本的には同様の構成および作用効果を有するため、図1〜図4を準用する。本実施形態によれば、判定処理において脱硫器100を交換させる判定が出力されると、燃料電池システムの発電運転が停止され、停止指令が出力された時刻から規定時間M以内であれば、ガス配管工事等に起因する原料ガスの一時的な高露点化が終了していないと予測される。この場合、ユーザから再起動指令が出力されたとしても、燃料電池システムは再起動されず、判定処理は実行されない。なお、既定時間Mを停止モードが完了するよりも長い時間に設定することで実施例4,5に比較し、一時的な高露点化に対し、より過誤交換防止が図られる。しかし停止指令が出力された時刻から規定時間M経過すれば、ユーザから再起動指令が出力されると、燃料電池システムは再起動され、判定処理が再実行される。
図11は上記した実施形態を適用する適用形態の一例を示す。図11に示すように、燃料電池システムは、燃料電池1と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部2と、蒸発部2で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部3と、蒸発部2に供給される液相状の水を溜めるタンク4と、これらを収容する筐体5とを有する。燃料電池1は、イオン伝導体を挟むアノード10とカソード11とをもち、例えば、SOFCとも呼ばれる固体酸化物タイプ(運転温度:例えば400℃以上)とされている。改質部3は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部2に隣設されている。改質部3および蒸発部2は改質器2Aを構成しており、燃料電池1と共に断熱壁19で包囲され、発電モジュール18を形成している。発電モジュール18内には、改質部3,蒸発部2を加熱する燃焼部105が設けられている。アノード10側から排出されたアノード排ガスは、流路103を介して燃焼部105に供給される。カソード11側から排出されたカソード排ガスは、流路104を介して燃焼部105に供給される。起動時には、燃焼部105は、アノード10から供給された燃料を、カソード11から供給されたカソードガスで燃焼させ、蒸発部2および改質部3を加熱させる。発電運転時には、燃焼部105はアノード10から排出されたアノード排ガスを、カソード11から排出されたカソード排ガスで燃焼させ、蒸発部2および改質部3を加熱させる。燃焼部105には燃焼排ガス路75が設けられ、燃焼部105における燃焼後のガス、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが燃焼排ガス路75を介して大気中に放出される。改質部3の温度を検知する温度センサ33が設けられている。着火させるヒータである着火部35が燃焼部105に設けられている。着火部35は燃料に着火できるものであれば何でも良い。外気の温度を検知する外気温度センサ57が設けられている。温度センサ33,57の信号は制御部100Xに入力される。制御部100Xは警報器102に警報を出力する。
(1)…CH4+2H2O→4H2+CO2
CH4+H2O→3H2+CO
生成されたアノードガスはアノードガス通路73を介して燃料電池1のアノード10に供給される。更にカソードガス(酸素含有ガス、筐体5内の空気)がカソードガス通路70を介して燃料電池1のカソード11に供給される。これにより燃料電池1が発電する。燃料電池1で排出された高温の排ガスは、排ガス通路75を介して筐体5の外方に排出される。
(i)脱硫器の温度TH1が第1規定温度Txよりも低いとき
(ii)燃料電池システムが発電運転しないものの改質器2Aおよび燃料電池1を昇温させる暖機モードのとき
(iii)原料ガスが原料ガス通路6に流れていないとき
本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態および適用形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池は、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良い。要するに、原料ガスを脱硫させる脱硫器100を有する燃料電池システムであれば良い。原料ガスも特に制限されず、硫黄化合物を含むガスが挙げられ、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、LPGガス、CNGガス等を例示できる。露点計510が用いられているが、原料ガスの絶対湿度または相対湿度を検知する湿度センサを用いても良い。場合によっては、図1においてバッファ400、チャッキ弁500を廃止することもできる。警報は、単なる警報の他に、システムの運転停止、システムの再起動禁止を含むことができる。脱硫器100の加熱させる形態としては、発電モジュール18からの受熱によるものでなくともよく、例えば、改質器2Aや燃料電池1から排出された高温の排ガスによって脱硫器100を加熱させたり、貯湯槽の湯やヒーターやシステム内発熱部品(パワコン等)により脱硫器100の温度を保つようにしても良い。
Claims (5)
- アノードガスが供給されるアノードおよびカソードガスが供給されるカソードを有する燃料電池と、原料ガスを改質させて前記アノードガスを生成させる改質器と、前記原料ガスを前記改質器に供給させる原料ガス通路と、前記原料ガス通路に設けられ前記原料ガスを前記原料ガス通路を介して前記改質器に供給させるガス搬送源と、前記原料ガス通路に設けられ第1規定温度より低いとき、第1規定温度より高い時に比べ前記原料ガスの水分及び硫黄分を吸着する高い能力を有する脱硫器と、前記原料ガスに含まれる水蒸気に関する物理量を直接的または間接的に検知する水蒸気センサと、燃料電池システムの原料ガスに含まれる水蒸気に関する物理量に基づいて前記脱硫器の交換の有無を判定する判定処理を実行する制御部とを具備する燃料電池システムにおいて、
下記の(i)および(ii)のうちの少なくとも一つに該当するとき前記判定処理を実行しないことを特徴とする燃料電池システム。
(i)前記燃料電池システムが発電運転しないものの発電運転前に前記改質器および/または前記燃料電池を昇温させる暖機モードのとき
(ii)前記原料ガスが前記原料ガス通路に流れていないとき - 請求項1において、前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記制御部は、前記燃料電池システムを一旦停止させ、停止処理後に再起動をさせ、前記判定処理を再実行し、再実行された前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記脱硫器の交換を促す警報を出力することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1〜2のうちの一項において、前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記制御部は、前記燃料電池システムを一旦停止させ、停止された停止時刻から既定時間経過した後に再起動をさせるともに、前記判定処理を再実行し、再実行された前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記脱硫器の交換を促す警報を出力することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1〜2のうちの一項において、前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記制御部は、前記燃料電池システムを一旦停止させ、停止された後に再起動をさせるとともに、前記燃料電池システムが暖機モードのとき前記判定処理を実行せず、前記暖機モードから発電モードに移行した状態において前記判定処理を再実行し、再実行された前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記脱硫器の交換を促す警報を出力することを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項1〜2のうちの一項において、前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記制御部は、前記燃料電池システムを一旦停止させ、停止させた後に再起動をさせるともに、前記脱硫器の温度が前記第1規定温度未満のとき前記判定処理を実行せず、前記脱硫器の温度が第1規定温度以上のとき前記判定処理を再実行し、再実行された前記判定処理において前記脱硫器を交換させる条件が満たされていると判定される場合、前記脱硫器の交換を促す警報を出力することを特徴とする燃料電池システム。
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