JPWO2011118169A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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Abstract
燃料電池システム(100)は、改質器(3)を有する水素生成器(2)と、改質器(3)に熱を供給する燃焼器(5)と、燃料電池(1)と、第1の流路(10)と、第2の流路(8)と、分岐部(10a)と燃料電池(1)との間の第1の流路(10)に供給される酸化ガスが流れる第3の流路(16)と、合流部(10c)よりも下流の第1の流路(10)に設けられた第1の開閉弁(7a)と、第2の流路(8)に設けられた第2の開閉弁(6)と、第3の流路(16)に設けられた酸化ガス供給器(15)と、起動時において、第1の開閉弁(7a)が閉止されるとともに第2の開閉弁(6)が開放され、水素生成器(2)より水素含有ガスが送出されている時に、酸化ガス供給器(15)を動作させ、第3の流路(16)を通じて分岐部(10c)より下流の第1の流路(10)に酸化ガスを供給する制御器(200)とを備える。
Description
本発明は、燃料電池に供給される水素含有ガスに少量の酸化ガスを混入させる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。
図8は、従来の燃料電池システムの概略構成図である。図8に示されるように、従来の燃料電池システム700において、発電運転時に必要となる水素含有ガスの供給手段は、通常、インフラストラクチャーとして整備されていない。そのため、発電運転時に必要となる水素含有ガスを生成するための水素生成装置が設けられている。
水素生成装置は改質器3を有する水素生成器2を備え、改質器3内の改質触媒において改質反応が進行することにより、少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含む原料と水蒸気とから水素含有ガスが生成される。この際、改質器3が有する改質触媒は、改質器3に隣接する燃焼器5により改質反応の進行に適した温度に加熱される。ところで、従来の燃料電池システム700は、起動時において水素生成装置で水素含有ガスの生成を開始してもしばらくは、改質器3を含む水素生成器2の暖機が完了し、水素含有ガスの組成が安定するまで、燃料電池1への水素含有ガスの供給を行わない。この間、第1の開閉弁7aは閉止されるとともに、第2の開閉弁6は開放され、水素生成器2より送出される水素含有ガスは、バイパス流路である第2の流路8を介して燃焼器5に供給され、燃焼器5はこれを燃焼燃料として燃焼に用いるよう構成されている(例えば、特許文献1参照)。
上記特許文献1記載の燃料電池システムにおいては、上述のように起動時において水素生成器2より供給される水素含有ガスは、燃料電池1に供給されず第2の流路8を通流するよう構成されている。しかし、水素含有ガスは第2の流路8への分岐部より下流の第1の流路10にも徐々に拡散する。この時、分岐部より下流の第1の流路10は、水素含有ガスが既に通流している流路(分岐部よりも上流の第1の流路10、第2の流路8等)よりも温度が低いため、拡散した水素含有ガスより凝縮水が生じ、流路を閉塞する可能性がある。燃料電池システム700を起動から発電運転に移行する際に、燃料電池への水素含有ガスの供給を開始するが、この流路閉塞が生じると、燃料電池への水素含有ガスの供給が阻害される可能性があり好ましくない。
本発明は、上記従来の課題を考慮して、起動時に、分岐部より下流の第1の流路10に水素含有ガスが拡散流入し、生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性を従来よりも抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、原料と水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記改質器に改質反応のための熱を供給する燃焼器と、前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが
流れる第1の流路と、第1の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして燃焼器に供給される水素含有ガスが流れる第2の流路と、前記第2の流路への分岐部と前記燃料電池との間の第1の流路に供給される酸化ガスが流れる第3の流路と、前記第1の流路と前記第3の流路との合流部より下流の前記第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、前記第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、前記第3の流路に接続された酸化ガス供給器と、起動時において、第1の開閉弁が閉止されるとともに第2の開閉弁が開放され、前記水素生成器より水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第3の流路から前記第1の流路に酸素を供給するよう制御する制御器とを備える。
流れる第1の流路と、第1の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして燃焼器に供給される水素含有ガスが流れる第2の流路と、前記第2の流路への分岐部と前記燃料電池との間の第1の流路に供給される酸化ガスが流れる第3の流路と、前記第1の流路と前記第3の流路との合流部より下流の前記第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、前記第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、前記第3の流路に接続された酸化ガス供給器と、起動時において、第1の開閉弁が閉止されるとともに第2の開閉弁が開放され、前記水素生成器より水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第3の流路から前記第1の流路に酸素を供給するよう制御する制御器とを備える。
本発明の燃料電池システムの運転方法は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記改質器に前記改質反応のための熱を供給する燃焼器と、前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが流れる第1の流路と、前記第1の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に水素含有ガスを供給する第2の流路と、前記第2の流路への分岐部と前記燃料電池との間の前記第1の流路に供給される酸化ガスが流れる第3の流路と、前記第1の流路と前記第3の流路との合流部より下流の前記第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、前記第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、前記第3の流路に設けられた酸化ガス供給器とを備える燃料電池システムの運転方法であって、起動時において、前記第1の開閉弁を閉止するとともに前記第2の開閉弁を開放し、前記水素生成器より前記水素含有ガスを送出するステップ(a)と、ステップ(a)において前記酸化ガス供給器が動作し、前記第3の流路を通じて前記分岐部より上流の前記第1の流路に酸化ガスを供給するステップ(b)とを備える。
本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、起動時に、分岐部より下流の燃料ガス流路に水素含有ガスが拡散流入して生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性が従来よりも抑制される。
(実施の形態1)
以下、実施の形態1の燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。図1は、実施の形態1の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図中、矢印実線は燃料電池システムが運転するときに流れる水や原料ガス、酸化ガス、酸化剤ガスの流れる経路を示す。図中、矢印破線は信号を示す。
以下、実施の形態1の燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。図1は、実施の形態1の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図中、矢印実線は燃料電池システムが運転するときに流れる水や原料ガス、酸化ガス、酸化剤ガスの流れる経路を示す。図中、矢印破線は信号を示す。
図1に示すように、本実施の形態の燃料電池システム100は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器3を有する水素生成器2と、改質器3に改質反応のための熱を供給する燃焼器5と、水素生成器2から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池1と、水素生成器2より送出され燃料電池1を通過する水素含有ガスが流れる第1の流路10と、第1の流路10より分岐し燃料電池1をバイパスして燃焼器5に水素含有ガスを供給する第2の流路8と、分岐部10aと燃料電池1との間の第1の流路10に供給される酸化ガスが流れる第3の流路16と、第1の流路10と第3の流路16との合流部10cより下流の第1の流路10に設けられた第1の開閉弁7a、7bと、第2の流路8に設けられた第2の開閉弁6と、第3の流路16に設けられた酸化ガス供給器15と、燃料電池システム100を構成する各機器の動作を制御する制御器200とを備える。
なお、改質器3は、原料供給器(図示せず)から供給された原料と蒸発器(図示せず)から供給された水蒸気とが改質触媒上で改質反応して水素含有ガスを生成する。上記改質触媒には、例えば、Niを触媒金属として含むNi系触媒、Ruを触媒金属として含むRu系触媒等が使用される。蒸発器は、水供給器(図示せず)から供給される水を蒸発させることで水蒸気を生成し、改質器3に供給する。また、改質器3には、改質器3の温度を検出する温度検知器3aが備えられている。温度検知器3aで検出した温度のデータは、制御器200にフィードバックされる。燃焼器5は、原料ガスや改質器3で生成された水素含有ガスを燃料として、高温の燃焼ガスを発生させ、改質器3を改質反応に適した温度にするように熱を供給する。また、燃焼器5は、蒸発器において水蒸気を生成するための熱も供給する。燃料電池1において、上記のように生成された水素含有ガスと、酸化剤ガス供給器14から供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを反応させることにより、発電を行う。酸化剤ガス供給器14としては、例えばブロア等が用いられる。
第1の流路10は、水素生成器2から、燃料電池1を経て、燃焼器5まで連通している。第1の流路10において、分岐部10aと燃料電池1との間には、第1の開閉弁7aが設けられ、燃料電池1と合流部10bとの間に第1の開閉弁7bが設けられている。第2の流路8は、第1の流路10の分岐部10aから始まり燃料電池1をバイパスし、合流部10bにて再び第1の流路10に合流し、燃焼器5まで連通する流路である。つまり、本実施の形態では、第2の流路8は、合流部10bから燃焼器5までにおいて、第1の流路10と共通の流路を利用している。第2の流路8における分岐部10aと合流部10bとの間には第2の開閉弁6が設けられているが、本例に限定されるものではなく、第2の流路上であれば、いずれの箇所もでも構わない。
酸化ガス供給器15は、第3の流路16を通じて、酸化ガスを分岐部10aと燃料電池1との間の第1の流路10に供給する。ここで、第3の流路16は、分岐部10aと第1の開閉弁7aとの間の第1の流路10と合流部10cにて合流するよう構成されている。
制御器200は、制御機能を有するように構成されていればよく、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。演算処理部としては、MPU、CPUが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。
なお、燃料電池システム100においては、水素生成器2において水素含有ガスの生成に係わる反応器として改質器3のみを備える形態を採用したが、本例に限定されるものではない。例えば、改質器3から送出された水素含有ガス中の一酸化炭素をシフト反応により低減する変成器(図示せず)、及び水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応及びメタン化反応の少なくともいずれか一方により低減するCO除去器(図示せず)の少なくともいずれか一方を設けてもよい。
また、制御器200は、単独の制御器だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システムの制御を実行する制御器群であってもよい。
また、第2の流路8は、第1の流路10のうち燃料電池1より下流において一部共通化されているが、本例に限定されるものではなく、共通化されている流路部分が、第1の流路10及び第2の流路8とで、それぞれ独立した流路として構成されていてもよい。
次に、本実施の形態の燃料電池システム100の動作フローについて説明する。図2は、実施の形態1の燃料電池システムの動作フローの概要の一例を示す図である。
燃料電池システム100の起動時には、まず、水素生成器2において水素含有ガスが生成可能な温度になるよう水素生成器2を昇温する昇温動作を開始する。昇温に際しては、水素生成器2内を通過した原料ガスにより燃焼器5を燃焼するよう構成されている。具体的には、図2に示されるように、燃料電池システム100が起動されると、制御器200により閉止された第1の開閉弁7aの閉止状態を維持したまま、第2の開閉弁6を開放する(ステップS200)。
続いて原料供給器の動作を開始して水素生成器2に原料の供給を開始し、水素生成器2より送出された原料が第2の流路8を介して燃焼器5に供給され、燃焼器5はこの原料を用いて燃焼動作を開始する(ステップS201)。
このとき、改質器3にて改質反応は進行しておらず、原料はそのまま燃焼器5に供給される。そして、燃焼器5より排出された燃焼排ガスにより改質器3及び蒸発器が加熱され、昇温される。
次に、水素生成器2の昇温動作を開始後、改質器3の温度を検知する温度検知器3aの検知温度Tが所定の閾値温度Tth(例えば、300℃)以上であるか否かが判定される(ステップS202)。
検知温度Tが第1の閾値温度Tth以上になると(ステップS202でYes)、制御器200により酸化ガス供給器15の動作が開始され、第3の流路16を通じて分岐部10aより下流から第1の流路10に酸化ガスの供給が開始される(ステップS203)。
第1の流路10に酸化ガスの供給が開始された後、制御器200により水供給器の動作が開始され、蒸発器に水供給が開始され、改質器3において水素含有ガスの生成が開始される(ステップS204)。
水素ガスの生成開始後、温度検知器3aの検知温度Tが、第2の閾値温度Tx(例えば、650℃)に達しているか否かを判定する(ステップS205)。検知温度TがTx以上であると、制御器200は、第1の開閉弁7a及び7bを開放するとともに第2の開閉弁6を閉止して、水素生成器2より送出される水素含有ガスを燃料電池1への供給を開始し、燃料電池システム100の発電運転を開始する(ステップS206)。上記ステップS206での燃料電池システム100の発電運転への移行により燃料電池システムの起動が終了する。
上述のように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池システム100の起動時において、第1の開閉弁7aが閉止されるとともに第2の開閉弁6が開放され、水素生成器2より水素含有ガスが送出されている時に、制御器200により酸化ガス供給器15を動作させ、第3の流路16を通じて分岐部10aより下流の第1の流路10に酸化ガスを供給する。これにより、燃料電池システムの起動時に、分岐部10aより下流の第1の流路10に水素含有ガスが拡散流入して生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性が従来よりも抑制される。
なお、上記所定の第1の閾値温度Tthは、改質器3において改質反応の進行が可能な温度であるとともに、蒸発器において水蒸発可能な温度であることを判定する閾値温度として設定される。第2の閾値温度Txは、燃料電池システムの発電運転において水素生成器2より燃料電池1に水素含有ガスを供給可能な温度である。また、第2の閾値温度Txは、第1の閾値温度Tthよりも高い温度として設定される。第1の閾値温度Tth及び第2の閾値温度Txは、燃料電池システム100の構成、サイズ等に応じて適宜設定される。
また、上記制御フローは、水素含有ガスの生成が開始される前に、酸化ガス供給器15より第1の流路10に酸化ガスを供給するよう構成されている。これは、水素生成器2で水素含有ガスの生成を開始した後、酸化ガス供給器15が動作を開始する場合に比べて、分岐部10aより下流の第1の流路10に水素含有ガスが拡散流入する可能性をより低減するためである。ただし、酸化ガス供給器15の動作を開始するタイミングは、本例に限定されるものではなく、水素生成器2において水素含有ガスの生成が開始された後や、同時であっても構わない。ただし、そのような場合、水素含有ガスの生成時に酸化ガス供給器15が動作していない時間中には分岐部10aより下流の第1の流路10に水素含有ガスが流入し、凝縮水が生成する可能性がある。しかしながら、仮に凝縮水が生成しても、その後の酸化ガス供給器15の動作により第1の流路10に供給された酸化ガスの流れに乗って凝縮水が第2の流路8に排出され、分岐部10aより下流の第1の流路10の流路閉塞が従来の燃料電池システムに比べて抑制される。
また、起動時において水素生成器2より送出される水素含有ガスが第2の流路8を流れている期間において、酸化ガス供給器15より連続的に酸化ガスを第1の流路10に供給するよう制御しても構わないし、間欠的に動作するよう制御しても構わない。ただし、酸化ガス供給器15を間欠的に動作させた場合、酸化ガス供給器15の非動作期間中には分岐部10aより下流の第1の流路10に水素含有ガスが流入し、凝縮水が生成する可能性がある。しかしながら、仮に凝縮水が生成しても、次の動作再開時にこの凝縮水が第1の流路10に供給された酸化ガスの流れにより第2の流路8に排出され、分岐部より下流の第1の流路10の流路閉塞が従来の燃料電池システムに比べて抑制される。
また、上記動作フローにおいて、第1の開閉弁7aを閉止している時の第1の開閉弁7bの開閉動作について説明しなかったが、第1の開閉弁7bは、開放していても閉止していてもいずれであっても構わない。また、上記動作フローにおける第1の開閉弁7aの閉止制御に代えて、第1の開閉弁7bを閉止制御するよう構成され、第1の開閉弁7aは開放制御されるよう構成されていても構わない。また、第1の開閉弁7a及び第1の開閉弁7bのいずれか一方のみを設けて閉止制御するよう構成されていても構わない。つまり、水素生成器2において生成している水素含有ガスの流入先を燃料電池1ではなく、第2の流路8になるよう制御する際に閉止する「第1の開閉弁」は、合流部10cより下流の第1の流路10上に設けられた開閉弁であればいずれの開閉弁であっても構わない。
また、上記実施の形態の燃料電池システムにおいて、第3の流路16上に開閉弁を設け、上記動作フローのステップS203において、この開閉弁を開放するとともに酸化ガス供給器15の動作を開始するよう構成する形態を採用しても構わない。
[変形例]
次に、実施の形態1の燃料電池システムの変形例について説明する。本変形例の燃料電池システムは、実施の形態1と同様の構成を有するのでその説明を省略する。本変形例の燃料電池システムは、起動時における動作フローは実施の形態1と同様であるが、燃料電池システム100を起動した後に、発電運転に移行した後においても酸化ガス供給器15を動作させ、燃料電池1に供給される水素含有ガスに第3の流路16を介して酸化ガスを添加することを特徴とする。
次に、実施の形態1の燃料電池システムの変形例について説明する。本変形例の燃料電池システムは、実施の形態1と同様の構成を有するのでその説明を省略する。本変形例の燃料電池システムは、起動時における動作フローは実施の形態1と同様であるが、燃料電池システム100を起動した後に、発電運転に移行した後においても酸化ガス供給器15を動作させ、燃料電池1に供給される水素含有ガスに第3の流路16を介して酸化ガスを添加することを特徴とする。
これは、一般的に、エアブリードと呼ばれる動作であり、発電運転時に燃料電池のアノードに一酸化炭素が吸着することによる発電性能の低下が抑制される。本変形例により、1つの酸化ガス供給機構(酸化ガス供給器15及び第3の流路16)を用いて、実施の形態1で説明した分岐部10aより下流の第1の流路10の凝縮水による流路閉塞抑制と、発電運転時に燃料電池のアノードへの一酸化炭素吸着に伴う発電性能の低下抑制の両方の効果が得られる。
また、発電運転時の酸化ガス供給器15からの酸化ガス供給は、発電運転中において連続的に実行してもいいし、間欠的に実行しても構わない。
(実施の形態2)
次に、実施の形態2における燃料電池システムについて説明する。図3は、実施の形態2の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図3において、実施の形態1に係る図1の概略図と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。
次に、実施の形態2における燃料電池システムについて説明する。図3は、実施の形態2の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図3において、実施の形態1に係る図1の概略図と同じ構成要素については、同じ符号を用い説明を省略する。
図3に示されるように、本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態1の燃料電池システムとほぼ同様の構成を有する。しかし、水素生成器2内に、改質器3で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するCO除去器19と、第3の流路16において分岐し、CO除去器19に供給される酸化ガスが流れる第4の流路18とを備える点が、実施の形態1と異なる。
CO除去器19は、水素生成器2内の改質器3で生成された水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減する。具体的には、供給された水素含有ガスに酸化ガスを付加し、一酸化炭素を酸化反応により二酸化炭素にすることで低減する。
第4の流路18は、第3の流路16から分岐し、CO除去器19に連通する。第4の流路18を通じて、酸化ガス供給器15はCO除去器19に酸化ガスを供給する。つまり、酸化ガス供給器15より送出された酸化ガスは、第3の流路16及び第4の流路18のそれぞれに分流するよう構成されている。
これにより、起動時におけるCO除去器19への酸化ガス供給機能と、分岐部10aより下流の第1の流路10への酸化ガス供給機能が兼用され、好ましい。
なお、本実施の形態の燃料電池システムは、起動時だけでなく発電運転時においても、同様に酸化ガス供給器15を動作させ、CO除去器19への酸化ガス供給と燃料電池1に供給される水素含有ガスへの酸化ガス供給(エアブリード)とを実行する形態を採用しても構わない。
これにより、1つの酸化ガス供給器15を用いて、発電運転時の水素含有ガス中の一酸化炭素低減と、燃料電池のアノードへの一酸化炭素吸着に伴う発電性能の低下抑制の両方の効果が得られる。
なお、供給される酸化ガスの流量は、改質器3で生成される水素含有ガスの量に応じて設定されるのが好ましい。これは、改質器3で生成される水素含有ガス量に比例して水素含有ガスに含まれる一酸化炭素量も変化するからである。具体的には、改質器3への原料の供給量が増加すると、上記酸化ガスの供給量も増加させ、改質器3への原料の供給量が減少すると上記酸化ガスの供給量も減少させる。
[変形例1]
次に、実施の形態2の燃料電池システムの変形例1について説明する。図4は、本変形例の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図4に示されるように本変形例の燃料電池システムは、第4の流路18への分岐部よりも上流の第3の流路16に第3の開閉弁20が設けられ、この第3の開閉弁20を開放することで、第3の流路16及び前記第4の流路18が導通するよう構成されていることを特徴とする。そして、酸化ガス供給器15より酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20が開放される。
次に、実施の形態2の燃料電池システムの変形例1について説明する。図4は、本変形例の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図4に示されるように本変形例の燃料電池システムは、第4の流路18への分岐部よりも上流の第3の流路16に第3の開閉弁20が設けられ、この第3の開閉弁20を開放することで、第3の流路16及び前記第4の流路18が導通するよう構成されていることを特徴とする。そして、酸化ガス供給器15より酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20が開放される。
[変形例2]
次に、実施の形態2の燃料電池システムの変形例2について説明する。図5(a)−(c)は、本変形例の燃料電池システムの特徴的な構成の概略の一例を示す図である。本変形例の燃料電池システムは、変形例1の燃料電池システムと異なり、第3の流路16を連通/遮断する第3の開閉弁20と、第4の流路18を連通/遮断する第4の開閉弁21とを備えることを特徴とする。第3の開閉弁20及び第4の開閉弁21の具体的な構成については、図5(a)−(c)に示される通りである。
次に、実施の形態2の燃料電池システムの変形例2について説明する。図5(a)−(c)は、本変形例の燃料電池システムの特徴的な構成の概略の一例を示す図である。本変形例の燃料電池システムは、変形例1の燃料電池システムと異なり、第3の流路16を連通/遮断する第3の開閉弁20と、第4の流路18を連通/遮断する第4の開閉弁21とを備えることを特徴とする。第3の開閉弁20及び第4の開閉弁21の具体的な構成については、図5(a)−(c)に示される通りである。
図5(a)において、第3の開閉弁20は、第3の流路16において、第4の流路18への分岐部よりも下流側(第1の流路10側)に設けられている。第4の開閉弁21は、第3の流路16において、第4の流路18への分岐部よりも上流側(酸化ガス供給器15側)に設けられている。第3の流路16、第4の流路18の両方に酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20、第4の開閉弁21をともに開放する。第4の流路18のみに酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20を閉止し、かつ第4の開閉弁21を開放する。
図5(b)において、第3の開閉弁20は、第3の流路16において、第4の流路18への分岐部よりも上流側(酸化ガス供給器15路側)に設けられている。第4の開閉弁21は、第4の流路18に設けられている。第3の流路16、第4の流路18の両方に酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20、第4の開閉弁21をともに開放する。第3の流路16のみに酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20を開放し、かつ第4の開閉弁21を閉止する。
図5(c)において、第3の開閉弁20は、第3の流路16において、第4の流路18への分岐部よりも下流側(第1の流路10側)に設けられている。第4の開閉弁21は、第4の流路18に設けられている。第3の流路16、第4の流路18の両方に酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20、第4の開閉弁21をともに開放する。第3の流路16のみに酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20を開放し、かつ第4の開閉弁21を閉止する。第4の流路18のみに酸化ガスを供給する場合には、第3の開閉弁20を閉止し、かつ第4の開閉弁21を開放する。
以上のように本変形例は、変形例1に比べ、第3の流路16及び第4の流路に設けられる開閉弁の数が増加するが、制御器200により第3の開閉弁20及び第4の開閉弁21の開閉動作をそれぞれ独立して制御することで第3の流路16及び第4の流路の少なくともいずれか一方の流路について酸化ガスの供給/遮断を独立して制御することが可能になる点で、変形例1に比べより好ましい。
[変形例3]
次に、実施の形態2の燃料電池システムの変形例3について説明する。図6は、本変形例の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図6に示すように本変形例の燃料電池システムは、変形例1と同様に第4の流路18への分岐部よりも上流の第3の流路16に第3の開閉弁20が設けられ、この第3の開閉弁20を開放することで、第3の流路16及び第4の流路18が導通するよう構成されている。これに加え、水素生成器2に対して、燃料電池1が上方に位置するように構成されている。よって、水素生成器の水素含有ガスの出口よりも燃料電池の水素含有ガスの入口が上方になるよう構成されている。より具体的には、第2の流路8への分岐部10aより下流の第1の流路10が分岐部10aより上がり勾配になるよう構成されている点が実施の形態2及び他の変形例の燃料電池システムと異なる。このように、分岐部10aより下流の第1の流路10が上がり勾配になるよう構成されると、仮に起動時において、水素生成器2より送出された水素含有ガスが分岐部10aより下流の第1の流路10に拡散流入して凝縮水が生じると、この凝縮水が逆流して高温のCO除去器19に流入して突沸を起こすことがある。突沸が起こると燃焼器5の流入する水素含有ガスの流量が大きく変動し、燃焼器5が失火や不完全燃焼を起こす場合がある。
次に、実施の形態2の燃料電池システムの変形例3について説明する。図6は、本変形例の燃料電池システムの概略構成の一例を示す図である。図6に示すように本変形例の燃料電池システムは、変形例1と同様に第4の流路18への分岐部よりも上流の第3の流路16に第3の開閉弁20が設けられ、この第3の開閉弁20を開放することで、第3の流路16及び第4の流路18が導通するよう構成されている。これに加え、水素生成器2に対して、燃料電池1が上方に位置するように構成されている。よって、水素生成器の水素含有ガスの出口よりも燃料電池の水素含有ガスの入口が上方になるよう構成されている。より具体的には、第2の流路8への分岐部10aより下流の第1の流路10が分岐部10aより上がり勾配になるよう構成されている点が実施の形態2及び他の変形例の燃料電池システムと異なる。このように、分岐部10aより下流の第1の流路10が上がり勾配になるよう構成されると、仮に起動時において、水素生成器2より送出された水素含有ガスが分岐部10aより下流の第1の流路10に拡散流入して凝縮水が生じると、この凝縮水が逆流して高温のCO除去器19に流入して突沸を起こすことがある。突沸が起こると燃焼器5の流入する水素含有ガスの流量が大きく変動し、燃焼器5が失火や不完全燃焼を起こす場合がある。
ここで、本変形例の燃料電池システムは、変形例1の燃料電池システムと同様に、起動時に分岐部10aより下流の第1の流路10が遮断される一方、第2の流路が導通されている状態で水素生成器2において水素含有ガスが生成している時に、第3の開閉弁を開放するとともに酸化ガス供給器15を動作させる。これにより、凝縮水による第1の流路10の流路閉塞が抑制されるとともにCO除去器19へ逆流した凝縮水の突沸に伴う燃焼器5の燃焼安定性の低下が抑制される。
なお、本変形例では、第2の流路8に気液分離器22を設け、分岐部10aより気液分離器22に至るまでの第2の流路8を下り勾配になるよう構成している。これは、第2の流路8内で生じた凝縮水がCO除去器19に逆流することなく気液分離器22へ排出させるためである。
[変形例4]
変形例4の燃料電池システムは、実施の形態2及びその変形例1−3のいずれかの燃料電池システムにおいて、第3の流路と第4の流路が共通化されておらず、独立して設けられているとともに、エアブリード用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器とCO除去器19での酸化反応用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器とを別個に設けられている。
[変形例4]
変形例4の燃料電池システムは、実施の形態2及びその変形例1−3のいずれかの燃料電池システムにおいて、第3の流路と第4の流路が共通化されておらず、独立して設けられているとともに、エアブリード用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器とCO除去器19での酸化反応用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器とを別個に設けられている。
上記特徴以外は、実施の形態2及びその変形例1−3のいずれかの燃料電池システムと同様に構成されていてもよい。
次に、本変形例の燃料電池システム100の詳細について説明する。
図7は、本変形例の燃料電池システム100の概略構成の一例を示す図である。
図7に示すように、本変形例の燃料電池システム100は、第3の流路16と第4の流路18とが、それぞれ独立して設けられているとともに、エアブリード用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器15とCO除去器19での酸化反応用の酸化ガスを供給する酸化ガス供給器23とを備えている。
本発明に係る燃料電池システムは、起動時に、分岐部より下流の燃料ガス流路に水素含有ガスが拡散流入して生成した凝縮水により流路閉塞を起こす可能性が従来よりも抑制されるので、燃料電池システム等として有用である。
100,700 燃料電池システム
1 燃料電池
2 水素生成器
3 改質器
3a 温度検知器
5 燃焼器
6 第2の開閉弁
7a,7b 第1の開閉弁
8 第2の流路
10 第1の流路
10a 分岐部
10b,10c 合流部
14 酸化剤ガス供給器
15 酸化ガス供給器
16 第3の流路
18 第4の流路
19 CO除去器
20 第3の開閉弁
21 第4の開閉弁
22 気液分離器
200 制御器
1 燃料電池
2 水素生成器
3 改質器
3a 温度検知器
5 燃焼器
6 第2の開閉弁
7a,7b 第1の開閉弁
8 第2の流路
10 第1の流路
10a 分岐部
10b,10c 合流部
14 酸化剤ガス供給器
15 酸化ガス供給器
16 第3の流路
18 第4の流路
19 CO除去器
20 第3の開閉弁
21 第4の開閉弁
22 気液分離器
200 制御器
Claims (8)
-
原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、前記改質器に前記改質反応のための熱を供給する燃焼器と、
前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが流れる第1の流路と、
前記第1の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に供給される水素含有ガスが流れる第2の流路と、
前記第2の流路への分岐部と前記燃料電池との間の前記第1の流路に供給される酸化ガスが流れる第3の流路と、
前記第1の流路と前記第3の流路との合流部よりも下流の前記第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、
前記第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、
前記第3の流路に設けられた酸化ガス供給器と、
起動時において、前記第1の開閉弁が閉止されるとともに前記第2の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第3の流路を通じて前記分岐部より下流の前記第1の流路に酸化ガスを供給する制御器とを備える、
燃料電池システム。 -
前記制御器は、発電運転時において、前記酸化ガス供給器より前記第3の流路を通じて前記燃料電池に供給される水素含有ガスに酸化ガスを供給する、
請求項1記載の燃料電池システム。 -
前記水素生成器は、前記改質器より送出される前記水素含有ガス中の一酸化炭素を酸化反応により低減するためのCO除去器と、前記第3の流路より分岐し、前記CO除去器に供給される酸化ガスが流れる第4の流路とを備え、
前記制御器は、起動時において、前記第1の開閉弁が閉止されるとともに前記第2の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記酸化ガス供給器供給するより送出された酸化ガスが分流し、前記第3の流路及び前記第4の流路のそれぞれを流れるよう構成されている、
請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記第4の流路への分岐部よりも上流の前記第3の流路に設けられた第3の開閉弁を備え、
前記第3の開閉弁を開放することで、前記第3の流路及び前記第4の流路が導通するよう構成され、
前記制御器は、起動時において、前記第1の開閉弁が閉止されるとともに前記第2の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記第3の開閉弁を開放するとともに前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第3の流路と前記第4の流路とに酸化ガスを供給する、
請求項3記載の燃料電池システム。 -
前記第3の流路を連通/遮断する第3の開閉弁と、前記第4の流路を連通/遮断する第4の開閉弁とを備え、
前記制御器は、起動時において、前記第1の開閉弁が閉止されるとともに前記第2の開閉弁が開放され、前記水素生成器より前記水素含有ガスが送出されている時に、前記第3の開閉弁及び前記第4の開閉弁を開放するとともに前記酸化ガス供給器を動作させ、前記第3の流路と前記第4の流路とに酸化ガスを供給する、
請求項3記載の燃料電池システム。 -
前記水素生成器の水素含有ガスの出口よりも前記燃料電池の水素含有ガスの入口が上方になるよう構成されている、
請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記第2の流路への分岐部よりも下流の第1の流路が上り勾配になるよう構成されている、
請求項6記載の燃料電池システム。 -
原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する改質器を有する水素生成器と、
前記改質器に前記改質反応のための熱を供給する燃焼器と、
前記水素生成器から供給される水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
前記水素生成器より送出され前記燃料電池を通過する水素含有ガスが流れる第1の流路と、
前記第1の流路より分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に水素含有ガスを供給する第2の流路と、
前記第2の流路への分岐部と前記燃料電池との間の前記第1の流路に供給される酸化ガスが流れる第3の流路と、
前記第1の流路と前記第3の流路との合流部より下流の前記第1の流路に設けられた第1の開閉弁と、
前記第2の流路に設けられた第2の開閉弁と、
前記第3の流路に設けられた酸化ガス供給器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、
起動時において、前記第1の開閉弁を閉止するとともに前記第2の開閉弁を開放し、前記水素生成器より前記水素含有ガスを送出するステップ(a)と、
ステップ(a)において前記酸化ガス供給器が動作し、前記第3の流路を通じて前記分岐部より下流の前記第1の流路に酸化ガスを供給するステップ(b)とを備える、燃料電池システムの運転方法。
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