JP7307810B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池装置に関する。

従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。

特開２０１１－９１９３号公報

本開示の一態様である燃料電池装置は、
燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する燃料電池と、
原燃料の水蒸気改質を行って燃料ガスを生成する改質器と、
前記改質器に前記原燃料を供給する原燃料供給装置と、
前記改質器に水を供給する水供給装置と、
前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
各供給装置の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記水蒸気改質を３以上に区分して制御しており、前記燃料電池の起動時において、前記酸素含有ガス供給装置より供給される酸素含有ガス量を、前記水供給装置より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値が、徐々に低下するとともに、前記改質器に供給される水の量が、前記水蒸気改質の第１区分であるＳＲ１と第３区分であるＳＲ３とを比較した場合に、ＳＲ３＜ＳＲ１の関係が成り立つように、前記酸素含有ガス供給装置および前記水供給装置を制御する構成である。

本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。

本開示の一実施形態に係る燃料電池装置の構成図である。 水蒸気改質の進行に対するＡ／Ｓ値の変化を示すグラフである。 水蒸気改質の区分の進行に対するＡ／Ｓ値の変化を示すグラフである。 水蒸気改質の区分の進行に対する水供給量の変化を示すグラフである。 水蒸気改質の進行に対するＳ／Ｃ値の変化を示すグラフである。

本開示の燃料電池装置の基礎となる構成である燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell）：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）が知られている。このＳＯＦＣにおいては、より効率的な運転とするにあたり、ＳＯＦＣに供給する燃料ガスを生成するための改質方法として、水蒸気改質方法(Steam Reforming：以下「ＳＲ」とも言う)が採用されている。したがって、水蒸気改質方法が採用されるＳＯＦＣの起動や運転においては、燃料ガス、酸素含有ガスのほか、水も要求される。

このようなＳＯＦＣの起動において、燃料ガスや酸素含有ガス、水等の供給方法について、鋭意検討が行なわれており、例えば、特許文献１には、起動状態から発電状態に円滑に移行するにあたり、ＳＲ運転中における燃料供給量を発電開始前において減少させた後、発電が開始されるように燃料供給装置を制御する例が、例示されている。

改質器での水蒸気改質反応を効率よく行なうことができる燃料電池装置が所望されている。

図１は、本開示の一実施形態に係る燃料電池装置の構成図である。以下では、本開示の燃料電池装置１００の実施形態について説明する。図１に示す燃料電池装置１００は、燃料ガスと酸素含有ガスとを用いて発電を行なう燃料電池１と、燃料電池１の発電運転を補助するための補機２０と、各補機の動作を制御する制御装置３０とを備える。

燃料電池１は、セルスタック１１と、改質器１２と、これらを収納する収納容器１５とを備える。改質器１２には、原燃料ガスを供給するとともに、燃料ポンプＢ１および原燃料流路Ｆを有する原燃料供給部１３が接続されている。

補機２０は、図１に示すように、原燃料供給部１３、空気ポンプＢ２および空気流路Ｇを有する酸素含有ガス供給部１４、改質水タンク６および改質水ポンプＰ１を有する水供給装置５５、外部への電力供給と系統電源への連係を担う電力調整装置であるパワーコンディショナ４０を備える。パワーコンディショナ４０は、制御装置３０と連動している。

さらに、本実施形態の燃料電池装置１００は、図１に示すように、その他の補機として、排熱利用装置５０を備える。排熱利用装置５０は、熱交換器２、蓄熱タンク３、ラジエータ４、換気ファン７等を含む。ラジエータ４には、ラジエータファン８が設けられている。

また、燃料電池装置１００は、燃料電池１の各部の温度を計測する温度センサ、サーミスタ等の温度計測器または温度計（図示省略）等を複数備えることもできる。

そして、燃料電池装置１００全体を統括してその運転を制御する制御装置３０は、記憶装置および表示装置（ともに図示省略）と、燃料電池装置１００を構成する各種構成部品および各種センサとが接続され、これらの各機能部をはじめとして、燃料電池装置１００の全体を制御および管理する。また、制御装置３０は、それに付属する記憶装置に記憶されているプログラムを取得して、このプログラムを実行することにより、燃料電池装置１００の各部に係る種々の機能を実現する。

制御装置３０は、原燃料供給部１３、水供給装置５５及び酸素含有ガス供給部１４を制御して、改質器１２に燃料、及び水を供給し、燃料電池１に発電用酸化剤ガスを供給する。また、燃料電池１において発電に使用されずに残った燃料は燃焼され、改質器１２の加熱に利用される。また、制御装置３０は、燃料電池１を発電可能な温度に上昇させる起動時において、改質器１２内で水蒸気改質反応のみが発生するＳＲ運転を行う。

ここで、実施形態の燃料電池装置１００における起動の遷移工程について説明する。使用者により燃料電池装置１００の運転スタートの指示があったのち、補機２０の動作確認を経て、原燃料供給部１３、水供給装置５５及び酸素含有ガス供給部１４の制御を開始する。

先ず、酸素含有ガス供給部１４および原燃料供給部１３を駆動させ、燃料電池１に酸素含有ガス（以下、空気という場合がある。）および原燃料ガスを供給する。あわせて、燃料電池１内に設けられた着火ヒータ（図示せず）を稼働させ、原燃料ガスを燃焼させる。なお、この時点においては改質器１２の温度が低いため、原燃料ガスの改質反応は開始されていない。

着火ヒータにより原燃料ガスの着火が確認されれば、継続して空気および原燃料ガスを供給し、燃焼を継続する。この燃焼熱により、燃料電池１内や改質器１２が温められる。そして、改質器１２の温度が所定の温度に到達するまでは、この状態を継続する。なお着火が確認されない場合には、酸素含有ガス供給部１４や原燃料供給部１３を制御して、空気や原燃料ガスの量を調整して着火動作を繰り返し行う。

改質器１２の温度が所定の温度に達すると、改質器１２にて水蒸気改質反応ＳＲが可能となるため、水供給装置５５（改質水ポンプＰ１）を稼働させて、改質器１２に水を供給する。これにより水蒸気改質反応ＳＲがスタートする。

この際、水蒸気改質反応ＳＲをスタートすることはできるものの、まだ安定して水蒸気改質反応ＳＲを行うことができる状況ではないことから、継続して原燃料ガスの燃焼を行い、改質器１２等の温度を上昇させる。ここで、水蒸気改質反応ＳＲが可能になっているものの、一度に大量の水を改質器１２に供給すると、水と燃料ガスとのバランスが崩れ、炭素析出が生じ、燃料電池１に故障が生じる要因となる。したがって、水供給装置５５（改質水ポンプＰ１）は、改質器１２や燃料電池１さらには燃焼部等の温度に基づいて、徐々に増加させてもよい。

その後、燃料電池１の温度が所定の温度に到達すれば、発電を開始することが可能となる。発電開始可能となったのちは、外部より要求される電力に応じて、原燃料供給部１３（燃料ポンプＢ１）、水供給装置５５および酸素含有ガス供給部１４の動作を制御する。

発電開始後においても、改質器１２の温度を維持するために、燃料電池１で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、燃焼室での燃焼を継続させる。

ここで、本発明者らは、燃料電池装置１００のより効果的な起動方法について鋭意研究した結果、起動時において、燃料電池１に供給される酸素含有ガス量（Ａ）と、燃料電池１（改質器１２）に供給される水の量（Ｓ）とを調整することにより、より効果的に燃料電池装置１００が起動できることを見出した。

図２は、酸素含有ガス供給部１４より供給される酸素含有ガス量を、水供給装置５５より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値の変化を示すグラフである。また図３は、図２に示すＡ／Ｓ値の変化を示すグラフの他の一例を示すグラフである。

本実施形態において、図２に示すように、制御装置３０は、燃料電池１の起動時において、酸素含有ガス供給部１４より供給される酸素含有ガス量を、水供給装置５５より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値が、改質器１２の温度に対して徐々に低下するように、酸素含有ガス供給部１４および水供給装置５５を制御する。なお、Ａ／Ｓ値を変化させるにあたっては、酸素含有ガスの量を調整してもよく、水の量を調整してもよく、また両方を調整してもよい。

燃料電池装置１００によれば、制御装置３０は、酸素含有ガス供給部１４より供給される酸素含有ガス量を、水供給装置５５より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値が、徐々に低下するように、酸素含有ガス供給部１４および水供給装置５５を制御するので、改質器１２での水蒸気改質反応を効率良く行うことができる。

具体的には、水蒸気改質当初は、改質器１２の温度をさらに上げる必要があるが、酸素含有ガスが熱媒体として改質器１２全体の温度を上昇させるので、酸素含有ガスの比率を高くすることで、改質器１２の温度を急速に上昇させることができる。一方、改質器１２の水蒸気改質区分が進むにつれて徐々に、改質器１２の温度が上がっていることから、改質器１２の温度を維持することがよく、効果的に温度を維持するにあたり、酸素含有ガスの比率を下げることがよい。それによって、改質器１２での水蒸気改質反応を効率良く行うことができる。

また、ＳＯＦＣの起動において、改質器１２では水が急激に加熱されて突然沸騰する突沸が発生して、水蒸気の量が不安定になり、改質水と原燃料との比率を表すＳ／Ｃ比が低下し、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が大幅に上昇したり、炭素析出する場合がある。それゆえ、突沸を抑制できる起動方法が必要であったが、本開示では、前記Ａ／Ｓ値が、徐々に低下するように、酸素含有ガス供給部１４および水供給装置５５を制御するので、水が急激に加熱されて突然沸騰する突沸が発生することを抑制できる。

なお、水蒸気改質区分とは、改質器１２や燃料電池１や燃焼部などの温度に基づいて設定される区分であり、それぞれの温度が、区分が進むにつれて高くなるように複数に区分すればよい。なお、区分は燃料電池１の種類や大きさ等により適宜設定すればよく、例えば２～２０段階の範囲で設定すればよい。なお一部の段階において、Ａ／Ｓ値が前後の段階と同じ値となっていてもよく、水蒸気改質反応ＳＲを複数に区分した場合に、全体として、Ａ／Ｓ値が徐々に低下していればよい。

図３は、水蒸気改質の区分の進行に対するＡ／Ｓ値の変化を示すグラフである。図３においては、水蒸気改質区分を３区分とした例を示しており、区分が進むにつれて段階的にＡ／Ｓ値が、低下する例を示している。このように、Ａ／Ｓ値の変化を段階的とすることで、区分毎に、酸素含有ガス供給部１４および水供給装置５５を一層適切に制御することができる。

図４は、水蒸気改質の区分の進行に対する水供給量の変化を示すグラフである。制御装置３０は、区分が進むにつれて改質器１２に供給される水の量が徐々に増加する区分と徐々に減少する区分とを有するように、水供給装置５５を制御することができる。このような構成であると、水蒸気改質の当初は、改質器１２の温度をさらに上昇させることができ、区分が進むと、改質器１２の温度を維持することができる。

制御装置３０は、水蒸気改質を３以上に区分して制御することができる。このような構成であると、区分毎に、酸素含有ガス供給部１４および水供給装置５５を一層適切に制御することができる。

図５は、水蒸気改質の進行に対するＳ／Ｃ値の変化を示すグラフである。制御装置３０は、水供給装置５５より供給される水の量を、原燃料供給部１３より供給される燃料ガスの量で除したＳ／Ｃ値が、段階的に増加するように、水供給装置５５および原燃料供給部１３を制御することができる。このような構成であると、改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が大幅に上昇することや炭素析出を抑制できる。

本開示は次の実施の形態が可能である。

本開示の一態様である燃料電池装置は、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する燃料電池と、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に前記原燃料を供給する原燃料供給装置と、前記改質器に水を供給する水供給装置と、前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、各供給装置の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において、前記酸素含有ガス供給装置より供給される酸素含有ガス量を、前記水供給装置より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値が、徐々に低下するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記水供給装置を制御する構成である。

本開示の燃料電池装置によれば、制御装置は、酸素含有ガス供給装置より供給される酸素含有ガス量を、水供給装置より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値が、徐々に低下するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記水供給装置を制御するので、改質器での水蒸気改質反応を効率良く行うことができる。

本開示は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本開示の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本開示の範囲内のものである。

１００ 燃料電池装置
１ 燃料電池
１２ 改質器
１３ 原燃料供給部
１４ 酸素含有ガス供給部
３０ 制御装置
５５ 水供給装置

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する燃料電池と、
   原燃料の水蒸気改質を行って燃料ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に前記原燃料を供給する原燃料供給装置と、
   前記改質器に水を供給する水供給装置と、
   前記酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給装置と、
   各供給装置の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記水蒸気改質を３以上に区分して制御しており、
   前記燃料電池の起動時において、前記酸素含有ガス供給装置より供給される酸素含有ガス量を、前記水供給装置より供給される水の量で除したＡ／Ｓ値が、徐々に低下するとともに、前記改質器に供給される水の量が、前記水蒸気改質の第１区分であるＳＲ１と第３区分であるＳＲ３とを比較した場合に、ＳＲ３＜ＳＲ１の関係が成り立つように、前記酸素含有ガス供給装置および前記水供給装置を制御する、燃料電池装置。
2. 前記区分が進むにつれて、前記Ａ／Ｓ値が、低下するように、前記酸素含有ガス供給装置および前記水供給装置を制御する、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記制御装置は、前記区分が進むにつれ、前記改質器に供給される水の量が増加する区分と減少する区分とを有するように、前記水供給装置を制御する、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記制御装置は、前記水供給装置より供給される水の量を、前記原燃料供給装置より供給される燃料ガスの量で除したＳ／Ｃ値が、段階的に増加するように、前記水供給装置および前記原燃料供給装置を制御する、請求項３に記載の燃料電池装置。

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