JP6094402B2

JP6094402B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6094402B2
Application number: JP2013139909A
Authority: JP
Inventors: 邦義谷岡; 康弘長田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP2015015095A

Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

従来、都市ガス等の原料を改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器を備える固体酸化物型の燃料電池システムが提案されている。

また、水蒸気改質を行う燃料電池システムでは、水蒸気改質反応が進む６００℃程度に改質器内の触媒を昇温するために、システムの起動時には電気ヒータの熱や部分酸化改質の反応熱により改質器を加熱するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１９０６０５号公報

ここで、図３の破線は、従来の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。この図３に示すように、部分酸化改質反応は炭化水素の完全酸化反応と水蒸気改質反応が連続的に起こるものであり、この炭化水素の完全酸化反応によって、改質器内におけるガス流れ上流部ａ（すなわち、改質器入口部近傍）が改質器内において相対的に高温になる。また、改質器内におけるガス流れ下流部ｂ（すなわち、改質器出口部近傍）が改質器内において相対的に低温になる。

そして、部分酸化改質運転時には、改質器内におけるガス流れ上流部の触媒温度が局所的に触媒劣化温度を超えてしまい、触媒が早期に劣化してしまうという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、部分酸化改質運転時に改質器内が局所的に高温になることによる触媒の劣化を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、改質対象流体を触媒にて改質して燃料ガスを生成する改質器（１１２）と、部分酸化改質運転時に改質器内において相対的に高温になる改質器内高温部位の触媒を冷却する冷却用流体が流れる冷却経路（１８、２２）と、部分酸化改質運転時における改質器内高温部位の温度が設定値を超えたときは冷却用流体を流通させる冷却用流体制御手段（１９、Ｓ１４０、Ｓ１６０、Ｓ１７０）と、空気と燃料を燃焼させて、前記改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成するバーナ（１５、２０）とを備え、前記冷却用流体は、前記昇温用ガスを生成するための前記空気であり、部分酸化改質運転時における前記改質器内高温部位の温度が設定値を超えたときは、前記冷却経路を流通した後に前記バーナに供給されることを特徴とする。

これによると、部分酸化改質運転時に改質器内が局所的に高温になることを防止でき、ひいては触媒の劣化を抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。第１実施形態において実行されるシステム起動時のプログラムのフローチャートである。部分酸化改質運転時の改質器内温度分布を示す図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１に基づいて説明する。

この燃料電池システムは、燃料を改質することによって生成した水素（および一酸化炭素）を含む燃料ガスと空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池１０を備えている。本実施形態の燃料電池１０は、作動温度が高温となる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）で構成されている。

燃料電池１０には、炭化水素系の燃料（水蒸気を含む燃料ガスを含む）および空気が供給流体として供給される。具体的には、燃料電池１０の燃料極側には燃料ガスを供給するためのＦＣ燃料供給経路１１が接続され、燃料電池１０の空気極側には、空気を供給するためのＦＣ空気供給経路１２が接続されている。

そして、燃料電池１０では、ＦＣ燃料供給経路１１を介して水素を含む燃料ガスが供給され、ＦＣ空気供給経路１２を介して酸素を含む空気が供給されることにより、以下の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。

（燃料極）Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
（空気極）１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-
燃料電池１０は、燃料電池１０の温度を検出してその温度に応じた電気信号を図示しない電子制御装置に出力する燃料電池温度センサ１０１を備えている。燃料電池温度センサ１０１は、燃料電池１０の平均的な温度が検出される部位に配置される。なお、燃料電池温度センサ１０１は、例えば熱電対を用いることができる。また、電子制御装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。

ＦＣ燃料供給経路１１には、燃料流れ上流側から順に、燃料予熱器１１１、および改質器１１２が設けられている。

燃料予熱器１１１には、水と燃料が供給される。そして、燃料予熱器１１１は、オフガス燃焼器１３（詳細後述）にて生じた高温の燃焼排ガスにて水を気化させ、水蒸気と燃料とを混合して水蒸気を含む混合ガスを生成するとともに、混合ガスを加熱する。

改質器１１２は、部分酸化改質機能と水蒸気改質機能とを併せ持つ触媒が改質器容器内に収容されており、改質対象流体としての混合ガスを触媒にて改質して、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する。

改質器１１２は、改質器１１２の温度を検出してその温度に応じた電気信号を図示しない電子制御装置に出力する、改質器第１温度センサ１１２１、および改質器第２温度センサ１１２２を備えている。

温度検出手段としての改質器第１温度センサ１１２１は、部分酸化改質運転時に改質器１１２内において相対的に高温になる改質器内高温部位の温度（以下、改質器高温部位温度という）、すなわち、改質器１１２内のガス流れ上流部ａの温度が検出される部位に配置される。なお、図１では、改質器１１２内のガス流れ上流部ａの概略の領域を、便宜的に斜線で示している。

また、改質器第２温度センサ１１２２は、部分酸化改質運転時に改質器１１２内の平均的な温度（以下、改質器平均温度という）が検出される部位に配置される。

燃料電池１０には、燃料極側排ガスに含まれる未反応水素および空気極側排ガスに含まれる未反応空気を燃焼させて高温の燃焼排ガスを生成するオフガス燃焼器１３が接続されている。

オフガス燃焼器１３には、オフガス燃焼器１３にて生じた高温の燃焼排ガスを外部に排出するための燃焼排ガス経路１４が接続されている。なお、オフガス燃焼器１３にて生じた燃焼排ガスは、本発明の加熱用流体に相当する。

加熱経路としての燃焼排ガス経路１４は、上流側から順に、改質器１１２、燃料予熱器１１１といった加熱対象機器を経由するように構成されている。これにより、オフガス燃焼器１３で生成した燃焼排ガスの熱が燃焼排ガス経路１４を介して当該加熱対象機器１１１、１１２のそれぞれに伝達されるようになっている。

なお、部分酸化改質運転時に改質器１１２内において相対的に低温になる改質器内低温部位、すなわち、改質器１１２内におけるガス流れ下流部ｂのみを加熱するために、燃焼排ガス経路１４は改質器１１２におけるガス流れ下流部ｂを経由するように構成されている。なお、図１では、改質器１１２内のガス流れ下流部ｂの概略の領域を、便宜的に斜線で示している。

また、図示しないが、ＦＣ燃料供給経路１１およびＦＣ空気供給経路１２それぞれには、燃料極に供給する燃料ガスの供給量を調整するための調整弁や空気極に供給する空気の供給量を調整するための調整弁等が設けられている。

燃料電池システムは、空気と燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成するバーナ１５を備えている。このバーナ１５は、燃料電池１０の容器、改質器１１２の容器、およびＦＣ空気供給経路１２の配管に、近接ないしは接触して配置されている。そして、バーナ１５は、システムの起動時等に作動し、燃料電池１０や改質器１１２を加熱するとともに、ＦＣ空気供給経路１２を介して燃料電池１０に供給される空気を加熱する。

バーナ１５には、燃料を導くバーナ燃料供給経路１６が接続されるとともに、空気を導くバーナ空気主供給経路１７が接続されている。

また、冷却経路としてのバーナ空気副供給経路１８がバーナ空気主供給経路１７から分岐している。このバーナ空気副供給経路１８は、改質器１１２を経由して、分岐部よりも下流側にてバーナ空気主供給経路１７に合流している。なお、バーナ空気副供給経路１８を介して改質器１１２に供給される空気は、本発明の冷却用流体に相当する。そして、バーナ空気副供給経路１８は、改質器１１２内におけるガス流れ上流部ａのみを冷却するために、改質器１１２におけるガス流れ上流部ａを経由するように構成されている。

バーナ空気主供給経路１７とバーナ空気副供給経路１８の分岐部には、バーナ空気主供給経路１７を流れる空気の流量とバーナ空気副供給経路１８を流れる空気の流量を調整する流量調整弁１９が配置されている。

次に、本実施形態において実行されるシステム起動時の制御について、図２、図３に基づいて説明する。なお、図３の実線は、本実施形態の燃料電池システムの部分酸化改質運転時の改質器内温度分布特性を示している。

図示しない電源スイッチが投入されると、電子制御装置は図２に示すシステム起動時の制御を開始する。

まず、ステップＳ１００では、バーナ１５に空気と燃料を供給する。このとき、流量調整弁１９は、空気による改質器１１２の冷却を防止するために、バーナ空気副供給経路１８へは空気を流さないように作動する。

続いて、ステップＳ１１０では、空気と燃料の混合気に点火してバーナ１５を起動させる。これにより、バーナ１５は、燃料電池１０や改質器１１２を加熱するとともに、燃料電池１０に供給される空気を加熱する。

続いて、ステップＳ１２０では、改質器第２温度センサ１１２２にて検出した改質器平均温度と、触媒による部分酸化改質反応が進行可能な温度であるＰＯＸ起動温度とを比較する。なお、ＰＯＸ起動温度は、マイクロコンピュータに予め記憶されている。

そして、システム起動直後は改質器平均温度がＰＯＸ起動温度未満であり、このときには、ステップＳ１２０でＮＯと判定され、ステップＳ１２０でＹＥＳと判定されるまでステップＳ１２０の判定が繰り返される。改質器平均温度がＰＯＸ起動温度以上になると、ステップＳ１２０でＹＥＳと判定されてステップＳ１３０に進む。

ステップＳ１３０では、空気と燃料の比を部分酸化改質に適した値に制御して、空気と燃料を改質器１１２に供給する。これにより、改質器１１２は部分酸化改質を開始する。そして、部分酸化改質反応熱で触媒を昇温させ、かつ、改質ガスを燃料電池１０の燃料極に供給することで燃料電池１０を昇温させる。

また、オフガス燃焼器１３にてオフガスが燃焼し、その燃焼排ガスにて、部分酸化改質運転時に改質器１１２内において相対的に低温になる改質器内低温部位の触媒が加熱される。

ここで、触媒温度が約６８０℃以上のときに高い改質率（約９５％）が得られるが、図３に示すように、従来の燃料電池システムにおいては、部分酸化改質運転時における改質器１１２内のガス流れ下流部ｂの触媒温度が約６８０℃未満になっていた。

これに対し、本実施形態では、オフガス燃焼器１３の燃焼排ガスにて、改質器１１２内のガス流れ下流部ｂの触媒が加熱されるため、部分酸化改質運転時における改質器１１２内のガス流れ下流部ｂの触媒温度を約６８０℃以上にすることができる。

続いて、ステップＳ１４０では、改質器第１温度センサ１１２２にて検出した改質器高温部位温度と、高温部位目標温度とを比較する。この高温部位目標温度は、触媒劣化温度（約９００℃）よりも低い温度（例えば８５０℃）であり、マイクロコンピュータに予め記憶されている。

そして、部分酸化改質を開始した直後は改質器高温部位温度が高温部位目標温度以下であり、このときには、ステップＳ１４０でＹＥＳと判定されてステップＳ１５０に進む。

ステップＳ１５０では、燃料電池温度センサ１０１にて検出した燃料電池１０の温度と、燃料電池目標温度とを比較する。この燃料電池目標温度は、水蒸気改質反応が進む温度（約６００℃）であり、マイクロコンピュータに予め記憶されている。

そして、部分酸化改質を開始した直後は燃料電池１０の温度が燃料電池目標温度未満であり、このときには、ステップＳ１５０でＮＯと判定されてステップＳ１４０に戻り、ステップＳ１４０とステップＳ１５０の判定が繰り返される。

ステップＳ１４０とステップＳ１５０の判定を繰り返している間に改質器高温部位温度が上昇し、改質器高温部位温度が高温部位目標温度を超えるとステップＳ１４０でＮＯと判定されてステップＳ１６０に進む。

ステップＳ１６０では、改質器高温部位温度と高温部位目標温度との温度差に基づいて、バーナ空気副供給経路１８を介して改質器１１２に供給される冷却用空気の量の目標値を算出する。具体的には、改質器高温部位温度と高温部位目標温度との温度差が大きいほど、冷却空気量の目標値を高くする。

続いて、ステップＳ１７０では、流量調整弁１９を制御してバーナ空気主供給経路１７とバーナ空気副供給経路１８とを連通させて、改質器１１２への冷却用空気の供給を開始する。この際、ステップＳ１６０で求めた空気量になるように、流量調整弁１９の作動を制御する。改質器１１２へ供給された冷却用空気は、バーナ空気主供給経路１７を介してバーナ１５に供給される。なお、流量調整弁１９、ステップＳ１４０、ステップＳ１６０、およびステップＳ１７０は、本発明の冷却用流体制御手段を構成する。

この改質器１１２への冷却用空気の供給により、改質器１１２内のガス流れ上流部ａの触媒が冷却されるため、図３に示すように、部分酸化改質運転時における改質器１１２内のガス流れ上流部ａの触媒温度を触媒劣化温度（約９００℃）以下にすることができる。

そして、ステップＳ１６０およびステップＳ１７０を繰り返している間に、改質器高温部位温度が高温部位目標温度以下まで下降し、ステップＳ１４０でＹＥＳと判定されてステップＳ１５０に進む。

なお、ステップＳ１４０でＹＥＳと判定された以降は、ステップＳ１４０でＹＥＳと判定される直前にステップＳ１６０で求めた量の冷却用空気を改質器１１２へ継続して供給し、システム起動時の制御が終了後に改質器１１２への冷却用空気の供給を停止する。

続いて、ステップＳ１４０とステップＳ１５０の判定を繰り返している間に、燃料電池１０の温度が上昇して燃料電池目標温度以上になり、ステップＳ１５０でＹＥＳと判定されて、システム起動時の制御が終了する。

そして、システム起動時の制御が終了後、オートサーマル改質運転を経て、水蒸気改質運転に移行する。なお、オートサーマル改質運転時には、必要に応じて、改質器１１２へ冷却用空気を供給してもよい。

また、オフガス燃焼器１３の高温（例えば１０００℃）による劣化を防止するために、オフガス燃焼器１３にその燃焼温度を検出する手段（例えば、熱電対）を設け、その燃焼温度に基づいて空燃比を調整するのが望ましい。同様に、バーナ１５の高温劣化を防止するために、バーナ１５にその燃焼温度を検出する手段（例えば、熱電対）を設け、その燃焼温度に基づいて空燃比を調整するのが望ましい。

本実施形態によると、部分酸化改質運転時における改質器１１２内のガス流れ下流部ｂの触媒温度を、高い改質率が得られる温度に制御することができる。また、改質器１１２内のガス流れ上流部ａの触媒温度を、触媒劣化温度以下に制御することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態のバーナ１５を、第１バーナ２０と第２バーナ２１に分割したものである。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、第１バーナ２０は、改質器１１２の容器に近接ないしは接触して配置され、システムの起動時等に作動して改質器１１２を加熱する。また、第１バーナ２０の燃焼ガスは、オフガス燃焼器１３にて生じた燃焼排ガスとともに、改質器１１２および燃料予熱器１１１を加熱するようになっている。

第２バーナ２１は、燃料電池１０の容器およびＦＣ空気供給経路１２の配管に近接ないしは接触して配置され、システムの起動時等に作動して燃料電池１０を加熱するとともに、ＦＣ空気供給経路１２を介して燃料電池１０に供給される空気を加熱する。

そして、部分酸化改質運転時に改質器高温部位温度が高温部位目標温度を超えた場合には、第１バーナ２０に供給される空気の一部がバーナ空気副供給経路１８を介して改質器１１２へ供給され、改質器１１２内のガス流れ上流部ａが冷却される。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池１０に供給される空気にて改質器１１２内のガス流れ上流部ａを冷却するようにしたものである。その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、第１実施形態におけるバーナ空気副供給経路１８が廃止され、冷却経路としてのＦＣ空気副供給経路２２が新たに設けられている。このＦＣ空気副供給経路２２は、ＦＣ空気供給経路１２から分岐し、改質器１１２におけるガス流れ上流部ａを経由して、分岐部よりも下流側にてＦＣ空気供給経路１２に合流している。なお、ＦＣ空気供給経路１２を介して改質器１１２に供給される空気は、本発明の冷却用流体に相当する。

流量調整弁１９は、ＦＣ空気供給経路１２とＦＣ空気副供給経路２２の分岐部に配置され、ＦＣ空気供給経路１２を流れる空気の流量とＦＣ空気副供給経路２２を流れる空気の流量を調整するようになっている。

そして、部分酸化改質運転時に改質器高温部位温度が高温部位目標温度を超えた場合には、燃料電池１０に供給される空気の一部がＦＣ空気副供給経路２２を介して改質器１１２へ供給され、改質器１１２内のガス流れ上流部ａが冷却される。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１０燃料電池
１８バーナ空気副供給経路（冷却経路）
１９流量調整弁（冷却用流体制御手段）
２２ＦＣ空気副供給経路（冷却経路）
１１２改質器

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
改質対象流体を触媒にて改質して前記燃料ガスを生成する改質器（１１２）と、
部分酸化改質運転時に前記改質器内において相対的に高温になる改質器内高温部位の触媒を冷却する冷却用流体が流れる冷却経路（１８、２２）と、
部分酸化改質運転時における前記改質器内高温部位の温度が設定値を超えたときは前記冷却用流体を流通させる冷却用流体制御手段（１９、Ｓ１４０、Ｓ１６０、Ｓ１７０）と、
空気と燃料を燃焼させて、前記改質器を昇温させるための昇温用ガスを生成するバーナ（１５、２０）とを備え、
前記冷却用流体は、前記昇温用ガスを生成するための前記空気であり、部分酸化改質運転時における前記改質器内高温部位の温度が設定値を超えたときは、前記冷却経路を流通した後に前記バーナに供給されることを備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記バーナにおける燃焼温度を検出するように設けられた温度検出手段をさらに備え、
検出した前記燃焼温度に基づいて、前記バーナにおける空燃比を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
改質対象流体を触媒にて改質して前記燃料ガスを生成する改質器（１１２）と、
部分酸化改質運転時に前記改質器内において相対的に高温になる改質器内高温部位の触媒を冷却する冷却用流体が流れる冷却経路（１８、２２）と、
部分酸化改質運転時における前記改質器内高温部位の温度が設定値を超えたときは前記冷却用流体を流通させる冷却用流体制御手段（１９、Ｓ１４０、Ｓ１６０、Ｓ１７０）とを備え、
前記冷却用流体は、前記酸化剤ガスであり、部分酸化改質運転時における前記改質器内高温部位の温度が設定値を超えたときは、前記冷却経路を流通した後に前記燃料電池に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
部分酸化改質運転時に前記改質器内において相対的に低温になる改質器内低温部位の触媒を加熱する加熱用流体が流れる加熱経路（１４）を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記改質器内高温部位の温度を検出する温度検出手段（１１２１）を備え、
前記冷却用流体制御手段は、前記改質器内高温部位の目標温度と、前記温度検出手段にて検出した前記改質器内高温部位の温度との差に応じて、前記冷却用流体の流量を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記冷却用流体制御手段は、前記冷却用流体の流量を変化させる流量調整弁（１９）を備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。