JP6467783B2

JP6467783B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6467783B2
Application number: JP2014095413A
Authority: JP
Inventors: 賢志安井; 古川　英夫; 英夫古川
Original assignee: Miura Co Ltd
Current assignee: Miura Co Ltd
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2019-02-13
Anticipated expiration: 2034-05-02
Also published as: JP2015213024A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

水素を含有する水素含有ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）等）がある。このような燃料電池に加え、改質器と、燃焼器とを備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池システムにおいては、改質器が都市ガス等の炭化水素系燃料を改質させて発生させた水素含有ガスを燃料電池に供給し、燃焼器が燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃焼処理する。このような燃料電池システムは、安定的かつ長期的に運用できることが望まれている。

特許文献１においては、燃料電池システムは、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水素が燃焼される際に、運転状態によって使用する触媒が変更される。これにより、オフガス水素の燃焼に用いられる触媒の消耗を極力抑え、かつ効率のよい熱交換をすることができる。

特開２０１４−１７２１１号公報

ところで、燃料電池システムを長期的に運用すると、改質器の触媒や燃料電池のセル・スタック内に燃料ガスに由来するカーボンが付着することがある。このようなカーボンの付着は、燃料電池の発電効率を低下させ、改質効率を低下させ、また、配管を目詰まりさせることがあった。

すなわち、従来の燃料電池システムは、長期的に運用するとカーボンが付着して、安定的に運用することができなかった。

本発明は、長期的に運用しても、付着したカーボンを除去して安定的に燃料電池システムを運用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。

本発明は、燃料電池と、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給されるアノードガスを生成する改質器と、改質水を前記改質器に供給する改質水供給部と、燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水及び前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量を調整する制御を、前記改質水供給部及び前記燃料供給部に対して行う制御部と、前記改質器で生成されたアノードガスが前記燃料電池に向けて流通するアノードガス供給ラインと、前記アノードガス供給ラインにおけるアノードガスの組成を熱伝導率及び密度に基づいて検出するアノードガスセンサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電準備の間に、又は、前記燃料電池の発電中に所定時間経過する毎に、リフレッシュ運転を実行し、前記リフレッシュ運転は、前記アノードガスセンサにより検出したアノードガスの組成が、前記改質器でのＳ／Ｃ比率が３を超える条件に対応する組成となるように、前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水の量、及び／又は、前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量、を調整する制御を行う、燃料電池システムに関する。

また、本発明は、燃料電池と、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給されるアノードガスを生成する改質器と、改質水を前記改質器に供給する改質水供給部と、燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水及び前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量を調整する制御を、前記改質水供給部及び前記燃料供給部に対して行う制御部と、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスの組成を熱伝導率及び密度に基づいて検出するアノードガスセンサと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電準備の間に、又は、前記燃料電池の発電中に所定時間経過する毎に、リフレッシュ運転を実行し、前記リフレッシュ運転は、前記アノードガスセンサにより検出されたアノードオフガスの組成が、前記改質器でのＳ／Ｃ比率が３を超える条件に対応する組成となるように、前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水の量、及び／又は、前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量、を調整する制御を行う、燃料電池システムに関する。

本発明によれば、長期的に運用しても、付着したカーボンを除去して安定的に燃料電池システムを運用することができる燃料電池システムを提供する。

本発明の実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。本発明の実施形態のリフレッシュ運転制御の流れを示すフローチャートである。

［燃料電池システム１の概略］
以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。図１において、実線の矢印はラインを示し、点線の矢印は制御装置５０からの信号を示している。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１２と、燃焼器１３と、ガス貯留部１４と、水貯留部１５と、流量調整部３０と、ポンプ３１と、アノードガスセンサ４０と、アノードガスセンサ４１と、制御装置５０とを備える。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、水供給ラインＬ２と、アノードガス供給ラインＬ３と、空気供給ラインＬ４と、アノードオフガスラインＬ５と、カソードオフガスラインＬ６と、屋外排出ラインＬ７と、を備える。なお、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

［ラインの説明］
燃料ガス供給ラインＬ１においては、燃料ガス供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料ガス（燃料）Ｇ１を供給可能なガス貯留部１４に接続され、燃料ガス供給ラインＬ１の他端部は改質器１２に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ１の途中には、流量調整部３０が設けられている。流量調整部３０は、燃料ガスＧ１の流量を調整する流量調整弁として構成され、制御装置５０から出力される制御信号に応じて弁が開閉することにより燃料ガスＧ１の流量を調整する。燃料ガスＧ１は、ガス貯留部１４から燃料ガス供給ラインＬ１を流通して、改質器１２に供給される。なお、ガス貯留部１４、燃料ガス供給ラインＬ１及び流量調整部３０は、改質器１２に燃料ガスＧ１を供給する燃料供給部２０を構成する。

水供給ラインＬ２の一端部は、水貯留部１５に接続され、水供給ラインＬ２の他端部は、改質器１２に接続されている。水供給ラインＬ２の途中には、ポンプ３１が接続されている。ポンプ３１は、改質器１２に改質水Ｗを供給するために、水貯留部１５からの改質水（水）Ｗを加圧する。水貯留部１５内の改質水Ｗは、ポンプ３１の駆動によって、水貯留部１５から水供給ラインＬ２を流通して、改質器１２へ供給される。ポンプ３１は、駆動力を増減することにより、改質水Ｗの供給量を調整する。なお、水貯留部１５、水供給ラインＬ２及びポンプ３１は、改質器１２に改質水Ｗを供給する改質水供給部２１を構成する。

アノードガス供給ラインＬ３においては、アノードガス供給ラインＬ３の一端部は改質器１２に接続され、アノードガス供給ラインＬ３の他端部は燃料電池１１に接続されている。改質器１２において生成される水素を含むアノードガスＧ２は、アノードガス供給ラインＬ３を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ４においては、空気供給ラインＬ４の一端部は、酸素を含む空気Ａ１を燃料電池１１に供給するための空気供給部としてのブロワ（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続されている。空気供給ラインＬ４の他端部は燃料電池１１に接続されている。空気Ａ１は、ブロワからフィルタを通過し、空気供給ラインＬ４を流通して、燃料電池１１に供給される。

アノードオフガスラインＬ５においては、アノードオフガスラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続され、アノードオフガスラインＬ５の他端部は、燃焼器１３に接続されている。アノードオフガスＧ３は、アノードオフガスラインＬ５を流通して、燃焼器１３に供給される。

カソードオフガスラインＬ６においては、カソードオフガスラインＬ６の一端部は、燃料電池１１に接続され、カソードオフガスラインＬ６の他端部は、燃焼器１３に接続されている。カソードオフガスＧ４は、カソードオフガスラインＬ６を流通して、燃焼器１３に供給される。

屋外排出ラインＬ７においては、屋外排出ラインＬ７の一端部は、燃焼器１３に接続され、屋外排出ラインＬ７の他端部は、屋外に開放している。燃焼器１３によって燃焼された燃焼排ガスＧ５は、屋外排出ラインＬ７を流通して屋外に排出される。

［各装置の説明］
燃料電池１１としては、高温型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が用いられる。燃料電池１１は、燃料電池スタック（図示せず）を有している。燃料電池スタックは、複数の発電セル（図示せず）とセパレータ（図示せず）とを交互に積層することで形成される。

発電セルは、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、アノードとカソードとの間に設けられた電解質層と、を有する。アノードは、ニッケル等から形成され、還元性ガスにより還元雰囲気に保たれている。燃料電池１１は、改質器１２からアノードガス供給ラインＬ３を介してアノードに供給されるアノードガスＧ２と、空気供給ラインＬ４からカソードに供給される空気Ａ１中の酸素とを反応させることにより、発電を行なうことができる。燃料電池１１による発電時の温度である運転温度は、５００℃〜１０００℃程度の高温である。燃料電池１１によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。

燃料電池１１は、アノードからのオフガスであるアノードオフガスＧ３、及び、カソードからのオフガスであるカソードオフガスＧ４を排出する。

改質器１２は、燃料供給部２０から供給された燃料ガスＧ１と改質水供給部２１から供給された改質水Ｗとを、触媒上で反応させて、水素を含むアノードガスＧ２を生成する。この際、燃料ガスＧ１は、５００℃〜８００℃程度にまで加熱されて供給される。改質器１２によって生成された水素を含むアノードガスＧ２は、アノードガス供給ラインＬ３を介して燃料電池１１へ供給される。

改質器１２においては、燃料電池システム１が発電運転からリフレッシュ運転に切り替わると、燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料ガスＧ１の供給量が減少し、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗの供給量が増加する。これにより、改質器１２では、スチームと炭素との割合（Ｓ／Ｃ比率）が高くなり、スチームの割合が高いアノードガスＧ２を生成する。
このようなＳ／Ｃ比率が高い条件で生成されたアノードガスＧ２は、スチームが多く含まれているがために、燃料電池１１、改質器１２及びアノードオフガスラインＬ５等の配管に付着したカーボンを、スチームと反応させることにより、除去する。

燃焼器１３は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼処理する。燃焼器１３により燃焼されたアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４は、燃焼器１３の下流側に接続された屋外排出ラインＬ７を通じて、燃焼排ガスＧ５として排出される。

アノードガスセンサ４０は、アノードガス供給ラインＬ３の途中に設置され、アノードガス供給ラインＬ３を流通するアノードガスＧ２の組成を検出するように構成される。例えば、アノードガスセンサ４０は、アノードガスＧ２の熱伝導率を検出する熱伝導率センサ及びアノードガスＧ２の密度を検出するガス密度計とから構成されてよい。

アノードガスセンサ４１は、アノードオフガスラインＬ５の途中に設置され、アノードオフガスラインＬ５を流通するアノードオフガスＧ３の組成を検出するように構成される。例えば、アノードガスセンサ４１は、アノードオフガスＧ３の熱伝導率を検出する熱伝導率センサ及びアノードオフガスＧ３の密度を検出するガス密度計とから構成されてよい。

制御装置５０は、流量調整部３０やポンプ３１を制御することにより燃料電池システム１においてリフレッシュ運転を行うことを目的としたものであり、各種演算処理を行う制御部５１や各種情報を記憶する記憶部に加え、キーボードやタッチパネル等により実現される入力部及びディスプレイによる表示部を備えた汎用パーソナルコンピュータやシーケンサーである。
制御装置５０は、図１で示すように、流量調整部３０、ポンプ３１、アノードガスセンサ４０及びアノードガスセンサ４１と有線乃至無線で接続されており、各種信号を入出力することができるようになっている。

具体的に、制御装置５０の制御部５１は、燃料電池１１の発電準備の間に、又は、燃料電池１１の発電中に所定時間経過する毎に、リフレッシュ運転を行うために、流量調整部３０及びポンプ３１に制御信号を入力して、Ｓ／Ｃ比率が大きくなるように流量調整部３０及びポンプ３１を制御する。また、制御部５１は、リフレッシュ運転を行う際に、アノードガスセンサ４０が検出したアノードガス供給ラインＬ３に流通するアノードガスＧ２のアノードガス組成の入力、又は、アノードガスセンサ４１が検出したアノードオフガスラインＬ５を流通するアノードオフガスＧ３のアノードガス組成の入力を受け付けて、流量調整部３０及びポンプ３１に制御信号を入力して、Ｓ／Ｃ比率を調整する。

［リフレッシュ運転の制御処理］
続いて、図２を参照して、燃料電池システム１において、制御部５１が制御するリフレッシュ運転の制御処理について説明する。図２は、燃料電池システム１において、制御部５１が制御するリフレッシュ運転の制御処理の流れを示すフローチャートである。
燃料電池システム１を構成する制御装置５０の制御部５１は、燃料電池１１が発電準備の場合に、又は、燃料電池１１の発電中に所定時間経過した場合に、リフレッシュ運転の行うために処理を開始する。

制御部５１は、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗ及び燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料ガスＧ１の量を調整する制御を、改質水供給部２１及び燃料供給部２０に対して行う（ステップＳ１）。
具体的には、制御部５１は、リフレッシュ運転の開始に応じて、Ｓ／Ｃ比率が３よりも多くなるように、制御信号を燃料供給部２０の流量調整部３０及び改質水供給部２１のポンプ３１に出力する。流量調整部３０は、制御信号を受け付けたことに応じて、リフレッシュ運転以外のときよりも弁の開度を閉じて、燃料ガスＧ１をリフレッシュ運転以外のときよりも少なく供給する。ポンプ３１は、制御信号を受け付けたことに応じて、リフレッシュ運転以外のときよりも駆動力を増加させて、改質水Ｗをリフレッシュ運転以外のときよりも多く供給する。改質器１２は、リフレッシュ運転以外のときよりも燃料ガスＧ１の供給が減少し改質水Ｗの供給が増加するため、Ｓ／Ｃ比率が高くなった（すなわち、スチームが多く含まれる）アノードガスＧ２を生成する。生成されたアノードガスＧ２は、スチームを多く含むために、付着したカーボンを除去する。

続いて、制御部５１は、アノードガスセンサ４０からアノードガスの組成を取得する（ステップＳ２）。制御部５１は、アノードガスセンサ４０から取得したアノードガスＧ２の組成が所定の範囲内かを確認する（ステップＳ３）。制御部５１は、確認した値が所定の範囲外の場合（ＮＯ）に、制御部５１は、Ｓ／Ｃ比率を調整するために、ステップＳ４に処理を進める。制御部５１は、Ｓ／Ｃ比率を調整する必要はないため、ステップＳ５に処理を進める。

ここで、所定の範囲とは、カーボンを除去しうる最低限のＳ／Ｃ比率（例えば、３）に対応する値を超えるものであって、燃料電池システム１の運転に支障を生じないＳ／Ｃ比率に対応する値以下のものが設定される。燃料電池システム１の運転に支障を生じないとは、例えば、スチームが多く含まれるために燃焼器１３の温度が過剰に上昇しない程度のＳ／Ｃ比率であってよい。

続いて、制御部５１は、アノードガスの組成が所定の範囲内になるように（Ｓ／Ｃ比率が所定の範囲内になるように）、制御信号を流量調整部３０及びポンプ３１へ出力する（ステップＳ４）。

続いて、制御部５１は、リフレッシュ運転を開始してから所定の時間が経過したか否かを確認する（ステップＳ５）。リフレッシュ運転を開始してから所定の時間が経過した場合（ＹＥＳ）に、制御部５１は、ステップＳ６に処理を進める。リフレッシュ運転を開始してから所定の時間が経過していない場合（ＮＯ）に、制御部５１は、リフレッシュ運転を継続するため、ステップＳ２に処理を進める。

続いて、制御部５１は、リフレッシュ運転を終了するために、Ｓ／Ｃ比率が３よりも少なくなるように、制御信号を流量調整部３０及びポンプ３１へ出力して（ステップＳ６）、処理を終了する。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、例えば、以下の効果が奏される。
本実施形態の燃料電池システム１は、触媒上で燃料Ｇ１と改質水（水）Ｗとを反応させて、燃料電池１１に供給されるアノードガスＧ２を生成する改質器１２と、改質水Ｗを改質器１２に供給する改質水供給部２１と、燃料Ｇ１を改質器１２に供給する燃料供給部２０と、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗ及び燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料Ｇ１の量を調整する制御を、改質水供給部２１及び燃料供給部２０に対して行う制御部５１と、を備え、制御部５１は、燃料電池１１の発電準備の間に、又は、燃料電池１１の発電中に所定時間経過する毎に、改質水供給部２１に対する、Ｓ／Ｃが３よりも多くなるための改質水Ｗを改質水供給部２１から改質器１２に供給する制御、及び、燃料供給部２０に対する、Ｓ／Ｃが３よりも多くなるための燃料Ｇ１を燃料供給部２０から改質器１２に供給する制御を行う。

このような燃料電池システム１においては、制御部５１の制御によりＳ／Ｃが３よりも多くなる改質水Ｗ及び燃料Ｇ１が供給されて、改質器１２において、Ｓ／Ｃが３よりも多いアノードガスＧ２が生成される。そして、改質器１２において生成されたアノードガスＧ２はスチームを多く含むために、燃料電池１１、改質器１２及びアノードオフガスラインＬ５等の配管に付着したカーボンを除去することができ、燃料電池システム１は長期間にわたって安定的に運転することができる。

また、燃料電池システム１は、改質器１２で生成されたアノードガスＧ２が燃料電池１１に向けて流通するアノードガス供給ラインＬ３と、アノードガス供給ラインＬ３におけるアノードガスＧ２の組成を熱伝導率及び密度に基づいて検出するアノードガスセンサ４０と、を備え、制御部５１は、アノードガスセンサ４０により検出したアノードガスの組成が、前記改質器でのＳ／Ｃ比率が３を超える条件に対応する組成となるように、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗの量、及び、燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料Ｇ１の量、を調整する制御を行う。

このような燃料電池システム１においては、Ｓ／Ｃが３よりも多くなるように、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗの量、及び、燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料Ｇ１の量が常時調整されるため、改質器１２において、Ｓ／Ｃが３よりも多い条件で生成されたアノードガスＧ２を常時生成することができる。

また、燃料電池システム１は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が流通するアノードオフガスラインＬ５と、アノードオフガスラインＬ５におけるアノードオフガスＧ３の組成を熱伝導率及び密度に基づいて検出するアノードガスセンサ４１と、を備え、制御部５１は、アノードガスセンサ４１により検出されたアノードオフガスの組成が、前記改質器でのＳ／Ｃ比率が３を超える条件に対応する組成となるように、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗの量、及びは、燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料Ｇ１の量、を調整する制御を行う。

このような燃料電池システム１においては、Ｓ／Ｃが３よりも多くなるように、改質水供給部２１から改質器１２に供給される改質水Ｗの量、及び、燃料供給部２０から改質器１２に供給される燃料Ｇ１の量が常時調整されるため、改質器１２において、Ｓ／Ｃが３よりも多い条件で生成されたアノードガスＧ２を常時生成することができ、そのため、燃料電池１１にスチームを多く含むアノードガスＧ２を常時供給することができる。

以上、好適な実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

例えば、上述の実施形態においては、ステップＳ２において制御部５１は、アノードガスセンサ４０からアノードガスＧ２の組成を取得していたが、これに限られない。例えば、制御部５１は、アノードガスセンサ４１からアノードオフガスＧ３の組成を確認してもよい。また、制御部５１は、アノードガスセンサ４０及びアノードガスセンサ４１双方からアノードガスＧ２の組成を取得してもよい。

また、上述の実施形態においては、アノードガスセンサ４０及びアノードガスセンサ４１を備えていたが、これに限られず、アノードガスセンサ４０又はアノードガスセンサ４１何れか片方のみを備えるものであってよい。

また、上述の実施形態においては、制御部５１は、流量調整部３０及びポンプ３１に制御信号を出力していたが、これに限られず、流量調整部３０又はポンプ３１何れか片方のみに制御信号を出力するものであってよい。

１燃料電池システム
１１燃料電池
１２改質器
２０燃料供給部
２１改質水供給部
４０アノードガスセンサ
４１アノードガスセンサ
５１制御部
Ｌ３アノードガス供給ライン
Ｌ５アノードオフガスライン
Ｇ１燃料ガス（燃料）
Ｇ２アノードガス
Ｇ３アノードオフガス
Ｗ改質水（水）

Claims

燃料電池と、
触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給されるアノードガスを生成する改質器と、
改質水を前記改質器に供給する改質水供給部と、
燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、
前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水及び前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量を調整する制御を、前記改質水供給部及び前記燃料供給部に対して行う制御部と、
前記改質器で生成されたアノードガスが前記燃料電池に向けて流通するアノードガス供給ラインと、
前記アノードガス供給ラインにおけるアノードガスの組成を熱伝導率及び密度に基づいて検出するアノードガスセンサと、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の発電準備の間に、又は、前記燃料電池の発電中に所定時間経過する毎に、リフレッシュ運転を実行し、
前記リフレッシュ運転は、前記アノードガスセンサにより検出したアノードガスの組成が、前記改質器でのＳ／Ｃ比率が３を超える条件に対応する組成となるように、前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水の量、及び／又は、前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量、を調整する制御を行う、燃料電池システム。
燃料電池と、
触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給されるアノードガスを生成する改質器と、
改質水を前記改質器に供給する改質水供給部と、
燃料を前記改質器に供給する燃料供給部と、
前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水及び前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量を調整する制御を、前記改質水供給部及び前記燃料供給部に対して行う制御部と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、
前記アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスの組成を熱伝導率及び密度に基づいて検出するアノードガスセンサと、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の発電準備の間に、又は、前記燃料電池の発電中に所定時間経過する毎に、リフレッシュ運転を実行し、
前記リフレッシュ運転は、前記アノードガスセンサにより検出されたアノードオフガスの組成が、前記改質器でのＳ／Ｃ比率が３を超える条件に対応する組成となるように、前記改質水供給部から前記改質器に供給される改質水の量、及び／又は、前記燃料供給部から前記改質器に供給される燃料の量、を調整する制御を行う、燃料電池システム。