JP6618389B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
以下に、運転停止中の燃料改質装置の内部への原燃料のパージ(即ち、原燃料を連続して吹き流す)を行う前後での変成器の性能の変化を、原燃料としてLPG及び都市ガス(13A)及び高純度プロパンを用いて測定した結果を用いて説明する。
図5に示すように、都市ガス(13A)パージ後での変成器出口のCO濃度も、都市ガスパージ前での変成器出口のCO濃度よりも高くなっており、運転停止中の燃料改質装置の内部への都市ガスパージにより変成器の性能が低下したことが分かる。
図6に示すように、高純度プロパンパージ後での変成器出口のCO濃度は、高純度プロパンパージ前での変成器出口のCO濃度とほぼ同じであり、運転停止中の燃料改質装置の内部への高純度プロパンパージにより変成器の性能はほとんど低下していないことが分かる。
図7に示すように、LPGパージ中の変成触媒温度が室温であった場合、変成器出口のCO濃度の上昇はほとんど見られず、150℃および200℃の場合においては明確なCO濃度上昇が見られた。このことより、変成触媒温度が150℃〜200℃付近にてLPG成分を含有する原燃料にて充填を行うと、変成器出口のCO濃度は上昇するものと考えられる。
これに対して、実際の停止処理時の温度(例えば、150℃〜200℃)付近でプロピレンを含む都市ガスのパージを行った後の変成触媒は、相対的に低いCO変成率しか達成していない。具体的には、触媒温度が100℃以上になるとCO変成率低下への影響が大きくなり、200℃まで温度が上昇するにしたがってCO変成率の低下が大きく現れた。
前記燃料改質装置は、原燃料を改質して水素を主成分とし一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成触媒を用いて二酸化炭素に変成する変成器とを有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が第1設定時間未満であった第1累積回数が第1所定回数に達すると、その後に前記燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間を、前記第1設定時間よりも長い第2設定時間以上にさせる点にある。
ところが本特徴構成では、制御装置は、燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が第1設定時間未満であった第1累積回数が第1所定回数に達すると、その後に燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間を第2設定時間以上にさせる。つまり、燃料改質装置の起動停止が繰り返されることで変成器の性能低下が積み重なったとしても、改質処理の開始から終了までの連続時間が第2設定時間以上である運転が行われることで、変成器の性能を回復させることができる。
従って、変成器の性能低下を抑制できる燃料電池システムを提供できる。
前記制御装置は、前記組成情報受付手段が受け付けた原燃料の組成に応じて前記第1所定回数を決定する点にある。
そこで本特徴構成では、制御装置は、組成情報受付手段が受け付けた原燃料の組成に応じて上記第1所定回数を決定する。つまり、変成器の性能を回復させるための、燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間を第2設定時間以上にさせて変成器の性能を回復させる運転を行うタイミングを、原燃料の組成に応じて、即ち、変成器の性能低下の程度に応じて適切に設定できる。
ここで、前記不飽和炭化水素はプロピレンであってもよい。
そこで本特徴構成では、制御装置は、組成情報受付手段が受け付けた原燃料に含まれるプロピレン等の不飽和炭化水素の量が多いほど上記第1所定回数が少なくなるように決定する。つまり、変成器の性能を回復させるための、燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間を第2設定時間以上にさせる運転を行うタイミングを、原燃料に含まれるプロピレン等の不飽和炭化水素の量に応じて、即ち、変成器の性能低下の程度に応じて適切に設定できる。
そこで本特徴構成では、制御装置は、燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が第2設定時間以上になると、変成器の性能低下の度合いを反映している上記第1累積回数を減少させる。
そこで本特徴構成では、制御装置は、燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が上記第2設定時間以上になった第2累積回数が第2所定回数に達すると、変成器の性能が十分に回復したと見なして、変成器の性能低下の度合いを反映している上記第1累積回数をゼロにする。
図1は、燃料電池システムの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とするガスを生成する燃料改質装置10と、燃料改質装置10で生成された水素を主成分とするガスを用いて発電を行うセルスタック21を有する燃料電池装置20と、運転を制御する制御装置30とを備える。
CH4+2H2O→CO2+4H2
制御装置30は、この燃料電池システムを停止させるとき、燃焼器16の燃焼を停止し、改質器12の温度が原燃料の熱分解を防止でき且つ水蒸気の凝縮を防止できる温度(例えば、150℃以上300℃以下の範囲内の所定温度など)に下がるまでは、改質器12への原燃料ガスの供給及び水蒸気の供給のうち少なくとも水蒸気の供給を継続し、改質器12の温度が原燃料ガスの熱分解を防止でき且つ水蒸気の凝縮を防止できる温度に下がると、改質器12への水蒸気の供給を停止し且つ原燃料ガスを供給して、燃料改質装置10及び燃料電池装置20に原燃料ガスを充填する停止時処理を行う。例えば、制御装置30は、バルブV1〜V4を閉止した状態に維持することで、燃料改質装置10及び燃料電池装置20に原燃料ガスを充填した状態を維持できる。
尚、燃料電池システムの運転中、制御装置30は、温度センサT2によって測定される変成触媒13aの温度が例えば150℃〜300℃程度になるように電気ヒーター15の動作を制御している。
停止時処理を行って電気ヒーター15の動作を停止させるとしても、停止処理中に燃料改質装置10の内部での結露を防止するために、少なくとも改質触媒12a及び変成触媒13aが100℃を超える状態にて原燃料の充填を実施する必要がある。そのため、原燃料中に不飽和炭化水素成分をより多く含む場合は、停止処理時の原燃料充填工程が起動及び停止の度に繰り返されることにより、変成触媒13aの劣化が徐々に加速される可能性がある。そして、変成器13の出口でのCO濃度が上昇して、セルスタック21に到達するCO量が増加すると、セルスタック21の電圧が低下し、発電不能に至るなどの問題が生じ得る。
或いは、組成情報受付手段31は、使用者による操作入力を受け付ける機器(例えば、燃料電池システムの設定入力などを行うリモコン装置など)を用いて実現できる。この場合、燃料電池システムの使用者は、事業者から供給されるガスの組成に関する情報を予め入手した上で、燃料電池システムの設定入力などを行うリモコン装置(組成情報受付手段31)でガスの組成に関する情報を入力すればよい。
特に、上記連続時間が長い水蒸気改質処理が行われた累積回数が増加すると、その累積回数の分だけ変成器の性能回復が行われたと見なしてもよい。従って、制御装置30は、燃料改質装置10で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が上記第2設定時間以上になった回数(第2累積回数)を記憶しておき、その第2累積回数が第2所定回数に達すると、変成器13の性能が十分に回復したと見なして、変成器13の性能低下の度合いを反映している上記第1累積回数をゼロにしてもよい。ここでの第2所定回数は適宜設定できる。
燃料電池システムを住宅や事業所などの施設に設置して運転させるとき、燃料電池システム(燃料改質装置10及び燃料電池装置20)の起動タイミング及び停止タイミングは、その施設での電力負荷及び熱負荷に応じて決定されることがある。例えば、制御装置30は、どのような出力でどの時間帯に燃料電池システムを連続運転させれば、熱消費装置23での将来(例えば当日中又は翌日迄など)の予測熱消費量を賄うために必要な熱量を蓄熱装置24に蓄熱完了でき、且つ、電力消費装置22での将来の予測電力消費量の少なくとも一部を少ないコストで賄えるのかを事前に決定する。そして、制御装置30は、決定した起動タイミング及び出力で燃料電池システムの運転を開始し、熱消費装置23での将来の予測熱消費量を賄うために必要な熱量が蓄熱装置24に蓄熱完了すると、燃料電池システムを停止させる。このような運用を行った場合、予測熱負荷量の少ない使用者の燃料電池システムでは、短い時間帯で必要な熱量が蓄熱装置24に蓄熱完了するため、燃料電池システムの連続運転時間が短くなる可能性が高くなる。そして、上述したように、燃料改質装置10で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が第1設定時間未満であった第1累積回数が第1所定回数に達することで、変成器13の性能低下が大きくなることがある。
更に、制御装置30は、蓄熱装置24の蓄熱量が上限値に達したとしても、蓄熱装置24に蓄えられている熱を強制的に放熱して、燃料電池システムの運転を継続するという延長処理を実行してもよい。例えば、蓄熱装置24が湯を貯める貯湯タンクである場合、強制的な放熱の手法として、ラジエータなどを動作させて貯湯タンクに貯えられている湯からの放熱を行う手法、湯を貯湯タンクから廃棄して低温の上水を新たに導入する手法、貯湯タンクに貯えられている湯を熱消費装置23(例えば、風呂、暖房など)で強制的に使用させる手法などがある。
<1>
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、図1には燃料改質装置10の構成を例示したが、ガスの流路やバルブの配置などは適宜変更可能である。
上記実施形態では、具体的な数値を挙げて本発明の説明を行ったがそれらの数値は例示目的で記載したものであり、適宜変更可能である。例えば、改質器12及び変成器13の温度や、燃料改質装置10の運転時間などは、適宜変更可能である。
上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用でき、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変できる。
12 改質器
13 変成器
13a 変成触媒
20 燃料電池装置
21 セルスタック
30 制御装置
31 組成情報受付手段
Claims (6)
- 原燃料を水蒸気改質して水素を主成分とするガスを生成する燃料改質装置と、前記燃料改質装置で生成された水素を主成分とするガスを用いて発電を行うセルスタックを有する燃料電池装置と、運転を制御する制御装置とを備え、
前記燃料改質装置は、原燃料を改質して水素を主成分とし一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成触媒を用いて二酸化炭素に変成する変成器とを有する燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が第1設定時間未満であった第1累積回数が第1所定回数に達すると、その後に前記燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間を、前記第1設定時間よりも長い第2設定時間以上にさせる燃料電池システム。 - 運転停止時に前記燃料改質装置の内部に充填される原燃料の組成に関する情報を受け付ける組成情報受付手段を備え、
前記制御装置は、前記組成情報受付手段が受け付けた原燃料の組成に応じて前記第1所定回数を決定する請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記変成触媒は銅―亜鉛系の触媒であり、
前記組成情報受付手段は、原燃料に含まれる不飽和炭化水素の量に関する情報を受け付け、
前記制御装置は、前記組成情報受付手段が受け付けた原燃料に含まれる不飽和炭化水素の量が多いほど、前記第1所定回数が少なくなるように決定する請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記不飽和炭化水素はプロピレンである請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が前記第2設定時間以上になると、前記第1累積回数を減少させる請求項1〜4の何れか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記燃料改質装置で行われる水蒸気改質処理の開始から終了までの連続時間が前記第2設定時間以上になった第2累積回数が第2所定回数に達すると、前記第1累積回数をゼロにする請求項1〜5の何れか一項に記載の燃料電池システム。
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