JP5982665B2 - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP5982665B2 JP5982665B2 JP2012238594A JP2012238594A JP5982665B2 JP 5982665 B2 JP5982665 B2 JP 5982665B2 JP 2012238594 A JP2012238594 A JP 2012238594A JP 2012238594 A JP2012238594 A JP 2012238594A JP 5982665 B2 JP5982665 B2 JP 5982665B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxidant
- fuel cell
- reformer
- fuel
- reformed gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
燃料電池セル内における燃料と酸化剤との反応温度が異常に高温になったり、燃料に含まれる水蒸気量が異常に少なくなったりすると、燃料極にカーボンが析出することがあり、このようになると燃料電池セルの性能が著しく低下することが知られている。
炭素が電池構成材上に析出した場合、触媒の能力が低下し、電池周辺部材、例えば燃料流通配管中に析出した場合には配管を閉塞するという不具合が生じていた。また一方では、炭素の析出を抑えるために燃料側に酸化剤ガスを含むガスを供給した場合、酸化剤ガスが多く含まれると起電力の低下が生ずるため、固体酸化物形燃料電池の初期特性だけを考えた場合には、添加する酸化剤ガスの割合は少ないほうが好ましい。
(1)カーボン析出を予知又は検知した際にはすでに微量の炭素が析出している可能性が高い。本手法では改質器をパスしていることで、直接的に、素早くカーボン除去を行うことができ、析出による劣化のリスクを低減できる。
(2)定格運転中の改質器内に酸化剤を入れた場合、ATR又はPOXが進行するために改質器温度が過度に上昇し、触媒劣化の進行、改質器容器の高温腐食が起こってしまう可能性がある。本手法では改質器の下流側で酸化剤を入れることで、これらの劣化を抑制することができる。
(3)また、定格運転中の改質器内に酸化剤を入れた場合、定格運転を行っているような温度領域においては、酸素は改質器内でほとんど反応してしまうため、燃料電池まで到達する酸素は僅かな量になってしまい、燃料電池にて析出した炭素を十分に除去することができない。本手法ではこの問題もクリアできる。
図1は本発明の第1実施形態を示すSOFCシステムの概念図である。
本実施形態のSOFCシステムは、改質器1と燃料電池9とを含んで構成される。
水気化部2は、後述するオフガス燃焼部(図示せず)の燃焼熱を受けるケース内にアルミナボール等の伝熱部材を充填して構成される。従って、水気化部2は、水ポンプ4により供給される水を気化させて、水蒸気を生成する。本実施形態では、水気化部2は、改質器1内の改質部3の前段に設けたが、改質器1とは独立させて外部に設けてもよい。
酸化剤極: 1/2O2+2e−→O2−(固体電解質) ・・・(1)
燃料極: O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e− ・・・(2)
酸化剤導入デバイス20は、改質器1から燃料電池9への改質ガスの供給通路8に酸化剤(空気)を導入可能であり、燃料電池9にてカーボンが析出しやすい所定の条件にて、酸化剤を導入する。
図2は本発明の第2実施形態を示すSOFCシステムの概念図である。本実施形態での酸化剤導入デバイス20について説明する。
図3は本発明の第3実施形態を示すSOFCシステムの概念図である。本実施形態での酸化剤導入デバイス20について説明する。
改質器1にて改質反応として部分酸化反応(POX)を行わせる場合は、改質用酸化剤ポンプ28を備え、改質用酸化剤ポンプ28により改質用酸化剤供給通路29を介して改質器1(改質部3)に酸化剤を供給可能である。従って、カーボン析出抑制用の酸化剤の供給源として、改質用酸化剤ポンプ28を共用することができる。このような共用化によってもコストアップを抑制できる。
カーボン析出条件の場合は、S2へ進み、バッファ21へ酸化剤を供給(供給開始又は供給継続)する。第1実施形態(図1)では、酸化剤ポンプ22を作動させ、第2実施形態(図2)ではバルブ26を開き、第3実施形態(図3)では酸化剤ポンプ28の運転を前提にバルブ31を開く。
カーボン析出条件は、下記の(1)〜(8)の条件のうち、少なくとも1つの条件とする。
水気化部2の温度を検出し、その低下時にバッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。より具体的には、下記の例1〜3のようなときである。
例1:通常運転時又は起動工程時に、水気化部温度が100℃以上の状態を所定時間維持できないとき。
例2:通常運転時に、水気化部温度が100℃以下となったとき。
例3:停止工程時に、セル温度が所定温度(例えば400℃)に下がる前に、水気化部温度が100℃以下になったとき。
通常運転時、起動工程時又は停止工程時に、水ポンプ6の設定流量に対する実流量の偏差異常が生じたときは、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。例えば、設定流量に対し、−10%以下となったときである。
起動工程時に、セル温度が所定温度に到達した以降に、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。起動工程時は改質不十分なガスが後段に流れやすく、カーボンの析出を生じやすいが、セル温度が低いときは析出しにくいためである。
起動工程初期の部分酸化反応時に、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。起動初期に改質不十分なガスが後段に流れやすいためである。
通常運転時に、所定電流範囲における電圧偏差が予め定めた基準値を超えたときは、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。発電性能の低下からカーボン析出が疑われるためである。
通常運転時に、燃料電池セルの燃料入口部温度を測定できる熱電対を設置し、単位時間内に所定温度以上下がった場合(例えば1分以内に10℃下がった場合)に、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。温度を検知するのは、コーキングによる吸熱を感知するためである。
燃料供給量の増加時に、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。通常運転中に運転状態の変更(主に負荷増大)により燃料供給量を増やす場合、燃料及び水の投入量が増えることにより、一時的に改質器温度が低下し、改質不十分になる恐れがあるためである。
改質触媒の劣化を検知した場合は、バッファ21へ酸化剤を導入して、改質ガスに酸化剤を混ぜる。具体的には、改質触媒の劣化により、改質器出口温度が初期値(システム新品当時)から著しく乖離したときである。これには、改質能力が低下し改質反応による吸熱点が出口付近まで下がることで、出口温度が著しく下がる場合と、改質触媒が急激に劣化し、全体的に改質による吸熱が進行しないことで、出口温度が著しく上がる場合とがある。
燃料電池の前段に改質器を有し、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素ガスを供給して水蒸気改質を行っているSOFCシステムにおいて、改質器に充分な量の水蒸気が供給されていれば、これらの炭化水素ガスは一酸化炭素、水素などを生成する。下記に代表的なメタンの水蒸気改質反応式を示す。
水蒸気改質反応(SR): CH4+H2O→CO+3H2
熱分解反応: CH4→C+2H2
燃料極上にカーボンが析出した場合、そのあと充分な水蒸気が供給されれば、ある程度は下記の反応が進み、除去される。
C+H2O→CO+H2
C+O2→CO2
2C+O2→2CO
C+O2→CO2
2C+O2→2CO
よって、未改質ガスの供給に伴うカーボン析出に関しては、空気供給が有効であることが分かった。
2 水気化部
3 改質部
4 燃料ポンプ
5 燃料供給通路
6 水ポンプ
7 水供給通路
8 改質ガスの供給通路
9 燃料電池
11 酸化剤ポンプ
12 酸化剤供給通路
20 酸化剤導入デバイス
21 バッファ
22 酸化剤ポンプ
23 酸化剤導入通路
24 マスフローメータ
25 酸化剤導入通路
26 バルブ
27 キャピラリーチューブ
28 改質用酸化剤ポンプ
29 改質用酸化剤供給通路
30 酸化剤導入通路
31 バルブ
32 キャピラリーチューブ
Claims (12)
- 炭化水素系の燃料を水蒸気改質反応により改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスと酸化剤との電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
を含んで構成される、燃料電池システムであって、
前記システムは、更に、
前記改質器から前記燃料電池のアノードへの前記改質ガスの供給通路に酸化剤を導入可能な酸化剤導入デバイスを含んで構成され、
前記酸化剤導入デバイスは、前記燃料電池にてカーボンが析出しやすくなる所定の条件にて、前記改質ガスの供給通路に酸化剤を導入することを特徴とする、燃料電池システム。 - 前記酸化剤導入デバイスは、前記改質器から前記燃料電池のアノードへの前記改質ガスの供給通路に介装されるバッファを有し、このバッファに酸化剤を導入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。
- 前記酸化剤導入デバイスは、
前記燃料電池のカソードへ酸化剤を供給する酸化剤ポンプを用い、
前記酸化剤ポンプの吐出側から分岐して前記改質ガスの供給通路に接続される酸化剤導入通路と、この酸化剤導入通路を開閉するバルブと、を含んで構成されることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。 - 前記改質器は、酸化剤の供給を受けて、部分酸化反応による改質が可能であり、
前記酸化剤導入デバイスは、
前記改質器へ酸化剤を供給する改質用酸化剤ポンプを用い、
前記改質用酸化剤ポンプの吐出側から分岐して前記改質ガスの供給通路に接続される酸化剤導入通路と、この酸化剤導入通路を開閉するバルブと、を含んで構成されることを特徴とする、請求項1又は請求項2記載の燃料電池システム。 - 前記所定の条件は、少なくとも、水蒸気改質反応用の水蒸気を生成する水気化部の温度の低下時であることを特徴とする、請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、水蒸気改質反応用の水を供給するポンプの送水異常の検知時であることを特徴とする、請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、起動工程時であって、前記燃料電池の温度が所定温度に到達した以降であることを特徴とする、請求項1〜請求項6いずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、起動工程時であって、前記改質器にて水蒸気改質反応を開始する前の部分酸化反応時であることを特徴とする、請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、発電性能の低下時であることを特徴とする、請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、前記燃料電池の温度の低下時であることを特徴とする、請求項1〜請求項9のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、負荷増大に伴う燃料供給量の増加時であることを特徴とする、請求項1〜請求項10のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記所定の条件は、少なくとも、前記改質器内の改質触媒の劣化時であることを特徴とする、請求項1〜請求項11のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012238594A JP5982665B2 (ja) | 2012-10-30 | 2012-10-30 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012238594A JP5982665B2 (ja) | 2012-10-30 | 2012-10-30 | 燃料電池システム |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014089861A JP2014089861A (ja) | 2014-05-15 |
JP5982665B2 true JP5982665B2 (ja) | 2016-08-31 |
Family
ID=50791607
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012238594A Active JP5982665B2 (ja) | 2012-10-30 | 2012-10-30 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5982665B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104729309B (zh) * | 2015-04-15 | 2017-02-22 | 南京工业大学 | 一种用于烟气余热回收系统的高效反吹除焦方法 |
JP6571516B2 (ja) * | 2015-12-24 | 2019-09-04 | 京セラ株式会社 | 燃料電池装置、その制御方法、及び燃料電池システム |
JP6765240B2 (ja) * | 2016-07-12 | 2020-10-07 | 東京瓦斯株式会社 | 燃料電池システム |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3978778B2 (ja) * | 2002-07-05 | 2007-09-19 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池発電システム及びその運転方法 |
JP5445554B2 (ja) * | 2004-11-09 | 2014-03-19 | 大日本印刷株式会社 | 燃料電池を用いたコージェネレーションシステム |
JP2008021458A (ja) * | 2006-07-11 | 2008-01-31 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 燃料電池、およびその制御方法 |
JP5408420B2 (ja) * | 2009-07-30 | 2014-02-05 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システムとこの燃料電池システムに用いる燃料電池の昇温方法 |
JP5807207B2 (ja) * | 2010-11-12 | 2015-11-10 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 固体高分子形燃料電池システムの運転方法及び固体高分子形燃料電池システム |
-
2012
- 2012-10-30 JP JP2012238594A patent/JP5982665B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2014089861A (ja) | 2014-05-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5164441B2 (ja) | 燃料電池システムの起動方法 | |
EP2124282B1 (en) | Reformer system, fuel cell system, and their operation method | |
US9040206B2 (en) | Indirect internal reforming solid oxide fuel cell and method for shutting down the same | |
US8771888B2 (en) | Fuel cell system and method of load following operation of the same | |
US20110039175A1 (en) | Method for operating indirect internal reforming solid oxide fuel cell system | |
JP2009295380A (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 | |
JP5852011B2 (ja) | 燃料電池システム | |
JP5325666B2 (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 | |
JP5982665B2 (ja) | 燃料電池システム | |
US8557463B2 (en) | Fuel cell system and method for load following operation of the same | |
JP2010044909A (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 | |
US8790837B2 (en) | Method for shutting down indirect internal reforming solid oxide fuel cell | |
JP5291915B2 (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池とその運転方法 | |
JP5325662B2 (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 | |
JP5086144B2 (ja) | 水素製造装置および燃料電池システムの停止方法 | |
US8865358B2 (en) | Method for load following operation of fuel cell system | |
US9190684B2 (en) | Fuel cell module | |
JP2017016816A (ja) | 燃料電池システム、燃料電池システムの停止方法及び電力生産方法 | |
JP5325661B2 (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 | |
JP5325660B2 (ja) | 間接内部改質型固体酸化物形燃料電池の停止方法 | |
KR101220027B1 (ko) | 고분자 전해질형 연료전지 시스템 및 그 운전방법 | |
JP2006225216A (ja) | 水素生成装置及び水素生成装置の保管前処理方法 | |
EP2381523A1 (en) | Reforming apparatus for fuel cell system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151029 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160621 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20160630 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160707 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5982665 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |