WO2022091634A1 - 燃料電池モジュールユニット及び燃料電池装置 - Google Patents

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拓朗 鷲尾
一成 杉原
亨祐 山内
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京セラ株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a fuel cell module unit and a fuel cell device.
  • a fuel cell module including a fuel cell stack that generates power by an electrochemical reaction of fuel gas such as hydrogen and a reformer that generates fuel gas supplied to the fuel cell stack by a reforming reaction of raw fuel is known. There is. Since the reforming reaction is generally at a high temperature, it is necessary to raise the temperature of the reformer at startup (see Patent Document 1).
  • the fuel cell module unit is A fuel cell having a reformer that steam reforms raw fuel gas to generate fuel gas containing hydrogen, and a plurality of fuel cell cells that generate power by an electrochemical reaction between the fuel gas generated by the reformer and an oxidizing agent.
  • a control unit that raises the temperature of the reformer from the time of startup to the start of power generation in the fuel cell stack, and controls the temperature of the reformer to be lowered a plurality of times before the start of power generation in the fuel cell stack. It is equipped with a department.
  • the fuel cell device from the second viewpoint is A fuel cell having a reformer that steam reforms raw fuel gas to generate fuel gas containing hydrogen, and a plurality of fuel cell cells that generate power by an electrochemical reaction between the fuel gas generated by the reformer and an oxidizing agent.
  • a control unit for controlling the reformer and the fuel cell stack is provided.
  • the control unit is a control unit that raises the temperature of the reformer from the start to the start of power generation in the fuel cell stack, and lowers the temperature of the reformer a plurality of times before the start of power generation.
  • the fuel cell module unit 19 is included in the fuel cell device 11.
  • the fuel cell device 11 is a solid oxide fuel cell device, and operates at an operating temperature of, for example, 700 to 1000 ° C.
  • the fuel cell device 11 includes a fuel cell module unit 19, a first supply unit 15, a second supply unit 16, a third supply unit 17, and a fuel cell module such as a heat exchanger, a heat medium tank, and a reformed water tank.
  • Auxiliary equipment for unit 19 may be included.
  • the fuel cell module unit 19 has a fuel cell module 10 and a control unit 14.
  • the fuel cell module 10 has a reformer 12 and a cell stack (fuel cell cell stack) 13.
  • the control unit 14 may be structurally located inside the housing forming the fuel cell module 10 or may be located outside the housing as long as it can be controlled as described later.
  • the reformer 12 produces a fuel gas such as hydrogen by steam reforming a raw fuel gas such as a hydrocarbon gas with reformed water.
  • Raw fuel gas is supplied to the reformer 12 via the first supply unit 15.
  • the reformer 12 is supplied with reforming water via the second supply unit 16.
  • the cell stack 13 includes a plurality of fuel cell cells.
  • the fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidizing agent such as oxygen contained in air.
  • Fuel cell cells produce water through an electrochemical reaction.
  • the unreacted fuel and the unreacted oxidant discharged from the fuel cell are burned in the combustion unit 18 provided in the vicinity of the reformer 12.
  • the energy generated by combustion in the combustion unit 18 is used for the steam reforming reaction in the reformer 12.
  • the water discharged from the fuel cell is discharged from the fuel cell module 10 in the form of a high-temperature gaseous together with the combustion gas generated by the combustion of the unreacted fuel and the unreacted oxidant.
  • the control unit 14 includes one or more processors and a memory.
  • the processor may include a general-purpose processor that loads a specific program and performs a specific function, and a dedicated processor specialized for a specific process.
  • the dedicated processor may include an application specific integrated circuit (ASIC).
  • the processor may include a programmable logic device (PLD; Programmable Logic Device).
  • the PLD may include an FPGA (Field-Programmable Gate Array).
  • the control unit 14 may be either a System (System-on-a-Chip) in which one or a plurality of processors cooperate, or a SiP (System In a Package).
  • the control unit 14 directly or indirectly controls the fuel cell module 10 and each device for operating the fuel cell module 10.
  • the control unit 14 may control the temperature of the reformer 12, for example.
  • the control unit 14 may control the temperature of the reformer 12 based on, for example, the temperature at the inlet of the reformer 12 and the temperature in the vicinity of the cell stack 13.
  • the control unit 14 may acquire the inlet temperature of the reformer 12 from a temperature sensor provided near the inlet of the reformer 12.
  • control unit 14 adjusts the supply amount of the raw fuel gas and the reforming water to the reformer 12 and the supply amount of the oxidant to the cell stack 13 after the combustion unit 18 is ignited. Therefore, the temperature of the reformer 12 can be controlled.
  • the control unit 14 may adjust the supply amount of the raw material fuel gas to the reformer 12 by controlling the first supply unit 15.
  • the control unit 14 may adjust the supply amount of the reforming water to the reformer 12 by controlling the second supply unit 16.
  • the control unit 14 may adjust the supply amount of the oxidizing agent to the cell stack 13 by controlling the third supply unit 17.
  • the control unit 14 may control the supply amount of one of the raw material fuel gas and the reformed water based on the S / C ratio (Steam / Carbon Ratio). For example, the control unit 14 may control the second supply unit 16 so that the supply amount of the reforming water is set to the set S / C ratio with respect to the supply amount of the raw material fuel gas. Alternatively, the control unit 14 may control the first supply unit 15 so that the supply amount of the raw fuel gas to be set to the set S / C ratio with respect to the supply amount of the reforming water.
  • the control unit 14 raises the temperature of the reformer 12 from the start of the fuel cell module 10 to the start of power generation in the cell stack 13. Further, as shown in FIG. 2, the control unit 14 lowers the temperature of the reformer 12 a plurality of times until the start of power generation of the cell stack 13.
  • the temperature of the reformer 12 may mean the inlet temperature of the reformer 12. In the following description, the temperature of the reformer 12 is the inlet temperature of the reformer 12.
  • the control unit 14 may adjust the temperature of the reformer 12 so that the temperature drop of the second reformer 12 is larger than the temperature drop of the first reformer 12.
  • the temperature decrease width is the difference between the maximum value and the minimum value in the process of the temperature increase to the re-rise after the temperature decrease.
  • the control unit 14 may control the temperature so that the temperature decrease time of the second reformer 12 is longer than the temperature decrease time of the first time.
  • the temperature decrease time is the time from the time when the maximum value is reached to the time when the temperature rises by 5% from the minimum value reached in the temperature drop from that time point.
  • the control unit 14 starts the supply of raw fuel gas to the first supply unit 15 and the supply of the oxidant to the third supply unit 17. Further, the control unit 14 ignites the combustion unit 18 to start the temperature raising step of the reformer 12 and the cell stack 13.
  • the temperature raising step may include a reforming preparation step, a first steam reforming step, a second steam reforming step, and a third steam reforming step described below.
  • the reforming preparation step, the first steam reforming step, the second steam reforming step, and the third steam reforming step may be executed in order.
  • the supply amount of the raw fuel gas may be constant from the first steam reforming step to the third steam reforming step, and may be reduced in the reforming preparation step.
  • the supply amount of the oxidant may be constant from the first steam reforming step to the third steam reforming step, and may be reduced in the reforming preparation step.
  • the control unit 14 causes the second supply unit 16 to start supplying the reforming water.
  • the first reforming threshold value may be a temperature at which steam reforming can be performed, and may be, for example, 60 to 100 ° C., although it varies depending on the temperature measurement position.
  • the amount of reformed water supplied in the first steam reforming step may be a constant amount that does not cause misfire of the combustion unit 18. By starting the supply, the first steam reforming step is started.
  • the control unit 14 may adjust the supply amount of the reforming water to a constant value by adjusting the S / C ratio.
  • the control unit 14 determines the raw fuel gas. Increase the supply of reformed water while maintaining the supply.
  • the second reforming threshold may be a temperature at which the thermal decomposition of the raw fuel gas and the thermal deterioration of the reforming catalyst in the reformer 12 can be suppressed within the assumed range in operation, and it varies depending on the temperature measurement position. For example, it may be 210 to 320 ° C.
  • the first stack threshold value is a value obtained by multiplying the second stack threshold value, which will be described later, by a predetermined ratio such as 1/3, and may be, for example, 130 to 170 ° C.
  • the control unit 14 may increase the supply amount of reformed water by increasing the S / C ratio.
  • the control unit 14 starts the second steam reforming step by increasing the supply amount of the reformed water while maintaining the supply amount of the raw material and fuel gas.
  • the supply amount of reforming water increases while maintaining the supply amount of raw material and fuel gas, so that the temperature of the reformer 12 is increased. It drops once and then rises again.
  • the control unit 14 determines the raw fuel gas. Increase the supply of reformed water while maintaining the supply.
  • the third reforming threshold value may be a temperature at which the thermal decomposition of the raw material fuel gas and the thermal deterioration of the reforming catalyst in the reformer 12 can be suppressed within the assumed range in operation, and is the same as the second reforming threshold value. But it may be different.
  • the second stack threshold value is set so as to satisfy the correlation with the third reforming threshold value within a predetermined range such as 60 to 70% with respect to the stack temperature during the rated operation of the fuel cell module. It is a value to be determined, and may be, for example, 430 to 470 ° C.
  • the amount of increase in the supply of the reforming water may be an amount that causes the temperature drop to be larger than the temperature drop of the reformer 12 in the switch to the second steam reforming step. Further, the amount of increase in the supply of the reformed water may be an amount that makes the temperature decrease time longer than the temperature decrease time of the reformer 12 in the switching to the second steam reforming step.
  • the control unit 14 may increase the supply amount of reformed water by increasing the S / C ratio.
  • the control unit 14 starts the third steam reforming step by increasing the supply amount of the reformed water while maintaining the supply amount of the raw material and fuel gas.
  • the supply amount of reforming water increases while maintaining the supply amount of raw material and fuel gas, so that the temperature of the reformer 12 is increased. It drops once and then rises again.
  • the control unit 14 may output the electric power generated by the cell stack 13 when the temperature in the vicinity of the cell stack 13 exceeds the third stack threshold value.
  • the activation process executed by the control unit 14 in the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • the activation process is started, for example, when the input unit of the fuel cell device 11 detects a user input for activating the fuel cell device 11.
  • step S100 the control unit 14 controls the first supply unit 15 and the third supply unit 17 so as to start the supply of the raw material fuel gas and the oxidant. After the supply starts, the process proceeds to step S101.
  • step S101 the control unit 14 determines whether the temperature of the reformer 12 has reached the first reforming threshold value, in other words, whether or not it is equal to or higher than the first reforming threshold value. If the temperature of the reformer 12 is not equal to or higher than the first reforming threshold, the process returns to step S101. If the temperature of the reformer 12 is equal to or higher than the first reforming threshold, the process proceeds to step S102.
  • step S102 the control unit 14 controls the second supply unit 16 so as to start the supply of the reforming water. After the supply starts, the process proceeds to step S103.
  • step S103 the control unit 14 determines whether or not the temperature of the reformer 12 is equal to or higher than the second reforming threshold value and the temperature in the vicinity of the cell stack 13 is equal to or higher than the first stack threshold value. If the temperature of the reformer 12 is less than the second reforming threshold or the temperature near the cell stack 13 is less than the first stack threshold, the process returns to step S103. If the temperature of the reformer 12 is equal to or higher than the second reforming threshold and the temperature in the vicinity of the cell stack 13 is equal to or higher than the first stack threshold, the process proceeds to step S104.
  • step S104 the control unit 14 controls the second supply unit 16 so as to increase the supply amount of the reforming water by increasing the S / C ratio. After increasing the S / C, the process proceeds to step S105.
  • step S105 the control unit 14 determines whether or not the temperature of the reformer 12 is equal to or higher than the third reforming threshold value and the temperature in the vicinity of the cell stack 13 is equal to or higher than the second stack threshold value. If the temperature of the reformer 12 is below the third reforming threshold or the near temperature of the cell stack 13 is below the second stack threshold, the process returns to step S105. If the temperature of the reformer 12 is equal to or higher than the third reforming threshold and the temperature in the vicinity of the cell stack 13 is equal to or higher than the second stack threshold, the process proceeds to step S106.
  • step S106 the control unit 14 controls the second supply unit 16 so as to increase the supply amount of the reforming water by increasing the S / C ratio. After increasing the S / C, the start-up process ends.
  • the temperature of the reformer 12 is raised from the start to the start of power generation, and the temperature of the reformer 12 is lowered a plurality of times by the start of power generation.
  • the design reaction temperature is determined based on the equilibrium of the steam reforming reaction, the influence of thermal decomposition, deterioration of the catalyst, and the like.
  • the reaction temperature exceeds the design, the catalyst is deactivated due to carbon precipitation on the catalyst surface due to the progress of thermal decomposition of the raw material and fuel gas, the reforming efficiency is lowered due to the thermal deterioration of the catalyst, and the reformer 12 itself is deteriorated. ..
  • the fuel cell module 10 having the above configuration intentionally lowers the temperature of the reformer 12 a plurality of times before the start of power generation, reforming is performed in the process of raising the temperature of the reformer 12 until the start of power generation. It is possible to reduce the overheating in which the temperature of the vessel 12 exceeds the designed reaction temperature.
  • the fuel cell module 10 lowers the temperature of the reformer 12 a plurality of times, so that the certainty of suppressing the excessive temperature rise can be improved. Therefore, the fuel cell module 10 can extend the life of the reformer 12 together with the catalyst.
  • the temperature drop width of the reformer 12 at the second time is larger than the temperature drop width at the first time.
  • the temperature decrease time of the reformer 12 for the second time is longer than the temperature decrease time for the first time.
  • the fuel cell module 10 shortens the time required for the first temperature drop to be performed in the vicinity of the cell stack 13 or in a situation where the combustion unit 18 is not sufficiently heated. Therefore, the combustion unit 18 is used. Can reduce the possibility of misfire.
  • the supply amount of the raw fuel gas is maintained constant in the first steam reforming step to the third steam reforming step without reducing the supply amount.
  • the fuel cell module 10 can reduce the time required for raising the temperature of the cell stack 13 to the power generation operating temperature while reducing the excessive temperature rise of the reformer 12. Therefore, the fuel cell module 10 can shorten the start-up time.
  • each functional unit, each means, each step, etc. are added to other embodiments so as not to be logically inconsistent, or each functional unit, each means, each step, etc. of another embodiment, etc. Can be replaced with.
  • each of the above-described embodiments of the present disclosure is not limited to faithful implementation of each of the embodiments described above, and each of the features may be combined or partially omitted as appropriate. You can also do it.
  • control unit 14 temporarily lowers the temperature during the temperature rise of the reformer 12 from the start to the power generation twice, but may be three or more times.
  • Fuel cell module 11 Fuel cell device 12 Reformer 13 Cell stack 14 Control unit 15 First supply unit 16 Second supply unit 17 Third supply unit 18 Combustion unit 19 Fuel cell module unit

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Abstract

燃料電池モジュールユニット１９は燃料電池モジュール１０と制御部１４とを有する。燃料電池モジュール１０は改質器１２と燃料電池セルスタック１３とを有する。改質器１２は原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成する。燃料電池セルスタック１３は複数の燃料電池セルを有する。燃料電池セルは改質器１２が生成した燃料ガス及び酸化剤の電気化学反応により発電する。制御部１４は起動時から燃料電池セルスタック１３における発電の開始まで改質器１２を昇温させる。制御部１４は燃料電池セルスタック１３の発電の開始までに改質器１２の温度を複数回低下させる。

Description

燃料電池モジュールユニット及び燃料電池装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０２０年１０月３０日に日本国に特許出願された特願２０２０－１８３２５２の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　本開示は、燃料電池モジュールユニット及び燃料電池装置に関する。
　水素などの燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックに供給する燃料ガスを原燃料の改質反応により生成する改質器とを含む燃料電池モジュールが知られている。改質反応は一般的に高温であるため、起動時に改質器を昇温する必要がある（特許文献１参照）。
特開２００７－１０３１９４号公報
　本開示の第１の観点による燃料電池モジュールユニットは、
　原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器が生成した燃料ガス及び酸化剤の電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、を有する燃料電池モジュールと、
　起動時から前記燃料電池セルスタックにおける発電の開始まで前記改質器を昇温させる制御部であって、前記燃料電池セルスタックの発電の開始までに前記改質器の温度を複数回低下させる制御部と、を備える。
　第２の観点による燃料電池装置は、
　原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器が生成した燃料ガス及び酸化剤の電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、を有する燃料電池モジュールと、
　前記改質器及び前記燃料電池セルスタックを制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、起動時から前記燃料電池セルスタックにおける発電の開始まで前記改質器を昇温させる制御部であって、発電の開始までに前記改質器の温度を複数回低下させる。
本実施形態に係る燃料電池モジュールユニットを含む燃料電池装置の概略構成を示す機能ブロック図である。 図１の制御部により温度制御される改質器の起動後から発電を開始するまでの間の温度を示すグラフである。 図１の制御部が実行する起動処理を説明するためのフローチャートである。
　以下、本開示を適用した燃料電池モジュールユニットの実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１に示すように、本開示の一実施形態に係る燃料電池モジュールユニット１９は燃料電池装置１１に含まれる。燃料電池装置１１は、固体酸化物形燃料電池装置であって、例えば、７００～１０００℃の動作温度で稼働する。燃料電池装置１１は、燃料電池モジュールユニット１９、第１の供給部１５、第２の供給部１６、第３の供給部１７及び熱交換器、熱媒タンク、改質水タンクなどの燃料電池モジュールユニット１９の補器を含んでよい。
　燃料電池モジュールユニット１９は、燃料電池モジュール１０と、制御部１４とを有する。燃料電池モジュール１０は、改質器１２及びセルスタック（燃料電池セルスタック）１３を有する。制御部１４は、後述する制御を行える構成であれば、構造上、燃料電池モジュール１０を形成する筐体内に位置してよく、筐体外に位置してよい。
　改質器１２は、炭化水素ガスなどの原燃料ガスを、改質水を用いて水蒸気改質することにより、水素などの燃料ガスを生成する。改質器１２には、第１の供給部１５を介して原燃料ガスが供給される。改質器１２には、第２の供給部１６を介して改質水が供給される。
　セルスタック１３は、複数の燃料電池セルを含む。燃料電池セルは、燃料ガス、及び空気に含まれる酸素などの酸化剤の電気化学反応により発電する。燃料電池セルは、電気化学反応により水を生成する。燃料電池セルから排出される未反応燃料及び未反応酸化剤は、改質器１２近傍に設けられる燃焼部１８において燃焼される。燃焼部１８における燃焼により生じるエネルギーは、改質器１２における水蒸気改質反応に用いられる。燃料電池セルから排出される水は、未反応燃料及び未反応酸化剤の燃焼による燃焼ガスとともに高温のガス状で燃料電池モジュール１０から排出される。
　制御部１４は、１以上のプロセッサ及びメモリを含む。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、及び特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ；Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅ）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）を含んでよい。制御部１４は、１つまたは複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－Ｃｈｉｐ）、及びＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎ　ａ　Ｐａｃｋａｇｅ）のいずれかであってもよい。
　制御部１４は、燃料電池モジュール１０及び燃料電池モジュール１０を運転するための各機器を直接的または間接的に制御する。制御部１４は、例えば、改質器１２の温度制御を行ってよい。制御部１４は、例えば、改質器１２の入口などにおける温度及びセルスタック１３近傍の温度に基づいて、改質器１２の温度制御を行ってよい。制御部１４は、改質器１２の入口温度を、改質器１２の入口近傍に設けられる温度センサから取得してよい。
　制御部１４は、具体的には、燃焼部１８の着火後の、原燃料ガス及び改質水の改質器１２への供給量、並びにセルスタック１３への酸化剤の供給量を調整することにより、改質器１２の温度を制御可能である。制御部１４は、第１の供給部１５を制御することにより、原燃料ガスの改質器１２への供給量を調整してよい。制御部１４は、第２の供給部１６を制御することにより、改質水の改質器１２への供給量を調整してよい。制御部１４は、第３の供給部１７を制御することにより、酸化剤のセルスタック１３への供給量を調整してよい。
　制御部１４は、原燃料ガス及び改質水の一方の供給量を、Ｓ／Ｃレシオ（Ｓｔｅａｍ／Ｃａｒｂｏｎ　Ｒａｔｉｏ）に基づいて制御してよい。例えば、制御部１４は、原燃料ガスの供給量に対して、設定したＳ／Ｃレシオにさせる改質水の供給量となるように第２の供給部１６を制御してよい。又は、制御部１４は、改質水の供給量に対して、設定したＳ／Ｃレシオにさせる原燃料ガスの供給量となるように第１の供給部１５を制御してよい。
　制御部１４は、燃料電池モジュール１０の起動時からセルスタック１３における発電の開始まで改質器１２を昇温させる。また、制御部１４は、図２に示すように、セルスタック１３の発電の開始まで、改質器１２の温度を複数回低下させる。なお、改質器１２の温度は、改質器１２の入口温度を意味してよい。以下の説明において、改質器１２の温度は、改質器１２の入口温度である。制御部１４は、２回目の改質器１２の温度の低下幅を、１回目の温度低下幅よりも大きくなるように、改質器１２の温度調整を行ってよい。温度低下幅は、温度上昇から温度低下後の再上昇の過程における極大値と極小値の差である。制御部１４は、２回目の改質器１２の温度低下時間を、１回目の温度低下時間より長くなるように温度制御してよい。温度低下時間は、極大値となる時点から、当該時点からの温度降下において到達する極小値から温度が５％上昇した時点までの時間である。以下に、本実施形態における制御部１４による、より具体的な温度制御方法を説明する。
　制御部１４は、起動開始後、原燃料ガスの供給を第１の供給部１５に、酸化剤の供給を第３の供給部１７に開始させる。また、制御部１４は、燃焼部１８を着火させることにより、改質器１２及びセルスタック１３の昇温工程を開始させる。昇温工程は、以下に説明する、改質準備工程、第１の水蒸気改質工程、第２の水蒸気改質工程、及び第３の水蒸気改質工程を含んでよい。昇温工程においては、改質準備工程、第１の水蒸気改質工程、第２の水蒸気改質工程、及び第３の水蒸気改質工程が順番に実行されてよい。原燃料ガスの供給量は、第１の水蒸気改質工程から第３の水蒸気改質工程までの間一定であってよく、改質準備工程において低下させてよい。酸化剤の供給量は、第１の水蒸気改質工程から第３の水蒸気改質工程までの間一定であってよく、改質準備工程において低下させてよい。
　制御部１４は、改質準備工程中に改質器１２の温度が第１の改質閾値に到達する場合、改質水の供給を第２の供給部１６に開始させる。第１の改質閾値は、水蒸気改質が行われ得る温度であってよく、温度の測定位置によっても変わるが、例えば、６０～１００℃であってよい。第１の水蒸気改質工程における改質水の供給量は、燃焼部１８の失火を生じさせない一定の量であってよい。供給を開始することにより、第１の水蒸気改質工程は開始する。制御部１４は、Ｓ／Ｃレシオを調整することにより、改質水の供給量を一定の値に調整してよい。
　制御部１４は、第１の水蒸気改質工程中に改質器１２の温度が第２の改質閾値以上且つセルスタック１３の近傍温度が第１のスタック閾値以上である場合、原燃料ガスの供給量を維持したまま改質水の供給量を増加させる。第２の改質閾値は、改質器１２内における原燃料ガスの熱分解及び改質触媒の熱劣化を運転上の想定範囲に抑え得る温度であってよく、温度の測定位置によっても変わるが、例えば、２１０～３２０℃であってよい。第１のスタック閾値は、後述する第２のスタック閾値に対して１／３等の所定の割合を乗じた値であり、例えば１３０～１７０℃であってよい。
　制御部１４は、Ｓ／Ｃレシオを増加することにより、改質水の供給量を増加させてよい。制御部１４は、原燃料ガスの供給量を維持したまま改質水の供給量を増加させることにより、第２の水蒸気改質工程を開始させる。第１の水蒸気改質工程から第２の水蒸気改質工程への切替わりにおいて、原燃料ガスの供給量を維持したまま、改質水の供給量が増加するので、改質器１２の温度は一旦低下してから、再度上昇する。
　制御部１４は、第２の水蒸気改質工程中に改質器１２の温度が第３の改質閾値以上且つセルスタック１３の近傍温度が第２のスタック閾値以上である場合、原燃料ガスの供給量を維持したまま改質水の供給量を増加させる。第３の改質閾値は、改質器１２内における原燃料ガスの熱分解及び改質触媒の熱劣化を運転上の想定範囲に抑え得る温度であってよく、第２の改質閾値と同じでも異なってもよい。第２のスタック閾値は、燃料電池モジュールの定格運転時のスタック温度に対して、例えば、６０～７０％などの所定の範囲内で、第３の改質閾値との相関関係を満たすように定められる値であり、例えば４３０～４７０℃であってよい。改質水の供給の増加量は、第２の水蒸気改質工程への切替わりにおける改質器１２の温度低下幅よりも大きな温度低下幅にさせる量であってよい。又、改質水の供給の増加量は、第２の水蒸気改質工程への切替わりにおける改質器１２の温度低下時間より長い温度低下時間にさせる量であってよい。
　制御部１４は、Ｓ／Ｃレシオを増加することにより、改質水の供給量を増加させてよい。制御部１４は、原燃料ガスの供給量を維持したまま改質水の供給量を増加させることにより、第３の水蒸気改質工程を開始させる。第２の水蒸気改質工程から第３の水蒸気改質工程への切替わりにおいて、原燃料ガスの供給量を維持したまま、改質水の供給量が増加するので、改質器１２の温度は一旦低下してから、再度上昇する。
　制御部１４は、セルスタック１３の近傍温度が第３のスタック閾値を超える場合、セルスタック１３が発電する電力を出力させてよい。
　次に、本実施形態において制御部１４が実行する、起動処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。起動処理は、例えば、燃料電池装置１１を起動させるユーザ入力を、燃料電池装置１１の入力部が検出するとき開始する。
　ステップＳ１００において、制御部１４は、原燃料ガス及び酸化剤の供給を開始するように、第１の供給部１５及び第３の供給部１７を制御する。供給開始後、プロセスはステップＳ１０１に進む。
　ステップＳ１０１では、制御部１４は、改質器１２の温度が第１の改質閾値に到達しているか、言い換えると第１の改質閾値以上であるか否かを判別する。改質器１２の温度が第１の改質閾値以上で無い場合、プロセスはステップＳ１０１に戻る。改質器１２の温度が第１の改質閾値以上である場合、プロセスはステップＳ１０２に進む。
　ステップＳ１０２では、制御部１４は、改質水の供給を開始するように、第２の供給部１６を制御する。供給開始後、プロセスはステップＳ１０３に進む。
　ステップＳ１０３では、制御部１４は、改質器１２の温度が第２の改質閾値以上、且つセルスタック１３の近傍温度が第１のスタック閾値以上であるか否かを判別する。改質器１２の温度が第２の改質閾値未満、又はセルスタック１３の近傍温度が第１のスタック閾値未満である場合、プロセスはステップＳ１０３に戻る。改質器１２の温度が第２の改質閾値以上且つセルスタック１３の近傍温度が第１のスタック閾値以上である場合、プロセスはステップＳ１０４に進む。
　ステップＳ１０４では、制御部１４は、Ｓ／Ｃレシオを増加させることにより、改質水の供給量を増加させるように第２の供給部１６を制御する。Ｓ／Ｃの増加後、プロセスはステップＳ１０５に進む。
　ステップＳ１０５では、制御部１４は、改質器１２の温度が第３の改質閾値以上、且つセルスタック１３の近傍温度が第２のスタック閾値以上であるか否かを判別する。改質器１２の温度が第３の改質閾値未満、又はセルスタック１３の近傍温度が第２のスタック閾値未満である場合、プロセスはステップＳ１０５に戻る。改質器１２の温度が第３の改質閾値以上且つセルスタック１３の近傍温度が第２のスタック閾値以上である場合、プロセスはステップＳ１０６に進む。
　ステップＳ１０６では、制御部１４は、Ｓ／Ｃレシオを増加させることにより、改質水の供給量を増加させるように第２の供給部１６を制御する。Ｓ／Ｃの増加後、起動処理は終了する。
　以上のような構成の本実施形態の燃料電池モジュール１０では、起動時から発電の開始まで改質器１２を昇温させ、発電の開始までに改質器１２の温度を複数回低下させる。水蒸気改質反応では、水蒸気改質反応の平衡、熱分解の影響、触媒の劣化などに基づいて、設計上の反応温度が定められる。設計上の反応温度を超えると、原燃料ガスの熱分解が進むことによる触媒表面の炭素析出による触媒の失活、触媒の熱劣化による改質効率の低下、改質器１２自体の劣化が生じる。一方、上述の構成を有する燃料電池モジュール１０は、発電の開始までに改質器１２の温度を意図的に複数回低下させるので、発電開始までの改質器１２の昇温過程において、改質器１２の温度が設計上の反応温度を超えた過昇温を低減し得る。特に本実施形態においては、燃料電池モジュール１０は、改質器１２の温度を複数回にわたり低下させるので、過昇温の抑制の確実性を向上し得る。したがって、燃料電池モジュール１０は、触媒とともに改質器１２の寿命を延ばし得る。
　また、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、２回目の改質器１２の温度低下幅は、１回目の温度低下幅より大きい。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、セルスタック１３の近傍又は燃焼部１８が十分に昇温されていない状況で行う１回目の温度低下の低下幅を抑えるので、燃焼部１８の失火の可能性を低減し得る。
　また、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、２回目の改質器１２の温度低下時間は、１回目の温度低下時間より長い。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、セルスタック１３の近傍又は燃焼部１８が十分に昇温されていない状況で行う１回目の温度低下の低下時間を短くしているので、燃焼部１８の失火の可能性を低減し得る。
　また、本実施形態の燃料電池モジュール１０では、第１の水蒸気改質工程から第３の水蒸気改質工程において原燃料ガスの供給量を低下させることなく一定に維持する。このような構成により、燃料電池モジュール１０は、改質器１２の過昇温を低減しながらも、セルスタック１３の発電動作温度までの昇温にかかる時間を短縮し得る。したがって、燃料電池モジュール１０は、起動時間を短縮化し得る。
　本開示の内容は、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことができる。したがって、これらの変形および修正は本開示の範囲に含まれる。例えば、各実施形態において、各機能部、各手段、各ステップなどは論理的に矛盾しないように他の実施形態に追加し、若しくは、他の実施形態の各機能部、各手段、各ステップなどと置き換えることが可能である。また、各実施形態において、複数の各機能部、各手段、各ステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。
　例えば、本実施形態において、制御部１４は、起動から発電までの間の改質器１２の昇温中の一時的な降温の回数は２回であるが、３回以上であってよい。
　１０　燃料電池モジュール
　１１　燃料電池装置
　１２　改質器
　１３　セルスタック
　１４　制御部
　１５　第１の供給部
　１６　第２の供給部
　１７　第３の供給部
　１８　燃焼部
　１９　燃料電池モジュールユニット

Claims (5)

  1. 　原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器が生成した燃料ガス及び酸化剤の電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、を有する燃料電池モジュールと、
    　起動時から前記燃料電池セルスタックにおける発電の開始まで前記改質器を昇温させる制御部であって、前記燃料電池セルスタックの発電の開始までに前記改質器の温度を複数回低下させる制御部と、を備える
    　燃料電池モジュールユニット。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池モジュールユニットにおいて、
    　前記制御部による２回目の前記改質器の温度低下幅は、１回目の温度低下幅より大きい
    　燃料電池モジュールユニット。
  3. 　請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールユニットにおいて、
    　前記制御部による２回目の前記改質器の温度低下時間は、１回目の温度低下時間より長い
    　燃料電池モジュールユニット。
  4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池モジュールユニットと、
    　補器と、を備える
    　燃料電池装置。
  5. 　原燃料ガスを水蒸気改質して水素を含む燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器が生成した燃料ガス及び酸化剤の電気化学反応により発電する複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、を有する燃料電池モジュールと、
    　前記改質器及び前記燃料電池セルスタックを制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、起動時から前記燃料電池セルスタックにおける発電の開始まで前記改質器を昇温させる制御部であって、発電の開始までに前記改質器の温度を複数回低下させる
    　燃料電池装置。
    　
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007103194A (ja) 2005-09-06 2007-04-19 Toto Ltd 固体酸化物形燃料電池を備えた電源
JP2016207308A (ja) * 2015-04-16 2016-12-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システムおよびその起動方法
JP2019212466A (ja) * 2018-06-04 2019-12-12 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム、起動制御プログラム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007103194A (ja) 2005-09-06 2007-04-19 Toto Ltd 固体酸化物形燃料電池を備えた電源
JP2016207308A (ja) * 2015-04-16 2016-12-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 固体酸化物形燃料電池システムおよびその起動方法
JP2019212466A (ja) * 2018-06-04 2019-12-12 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム、起動制御プログラム

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