[go: up one dir, main page]

JP6803547B2 - 高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6803547B2
JP6803547B2 JP2017078574A JP2017078574A JP6803547B2 JP 6803547 B2 JP6803547 B2 JP 6803547B2 JP 2017078574 A JP2017078574 A JP 2017078574A JP 2017078574 A JP2017078574 A JP 2017078574A JP 6803547 B2 JP6803547 B2 JP 6803547B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
cell system
reformer
air
operation type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017078574A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017201620A (ja
Inventor
晋 張
晋 張
脇田　英延
英延 脇田
将司 森田
将司 森田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of JP2017201620A publication Critical patent/JP2017201620A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6803547B2 publication Critical patent/JP6803547B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04738—Temperature of auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04949—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04953—Electric variables other electric variables, e.g. resistance or impedance of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1231—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本開示は、高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法に関する。
固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという場合がある）は、例えば、酸化物イオン導電性固体電解質と、その両側に配置された電極とを備え、一方の電極（アノード）に水素含有の改質ガス（水素）が供給され、他方の電極（カソード）に空気（酸素）が供給されることで高効率な発電が行われる。つまり、このようなＳＯＦＣでは、固体電解質を通過した酸素イオンと水素との反応により、水蒸気、二酸化炭素を生成して電気および熱を発生する。ＳＯＦＣで発生した電気はＳＯＦＣの外部に取り出して、例えば、家庭用の電気機器に使用される。ＳＯＦＣで発生した熱は給湯などに使用されるが、改質ガス、空気、水などの加熱にも使用される。
ＳＯＦＣの構成として、例えば、電解質の両側に電極を設けた円筒状のＳＯＦＣの単セルが複数、スタックとして電気的に直列に接合されている。単セルの内側には改質ガスが供給される。単セルの外側には発電用の空気が供給される。また、ＳＯＦＣの改質ガス経路の上流側には、原料を改質する改質器が設けられ、ＳＯＦＣの空気経路の上流側には、空気を予熱する空気予熱器が設けられている。
ＳＯＦＣの発電に利用されなかった改質ガスおよび空気は、ＳＯＦＣを通過した後に、燃焼器で燃焼される。そして、燃焼器で発生した高温の燃焼排ガスが、上記の改質器および空気予熱器の熱源として利用される構成を取ることが多い。
特許文献１では、このようなＳＯＦＣを備える燃料電池システムの一例が記載されている。そして、この特許文献１には、燃焼器の燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路に浄化器が設けられ、浄化器の燃焼触媒が燃焼排ガスの熱で適温にまで加熱されることで、燃焼排ガス中の一酸化炭素などの有害成分が浄化器により適切に除去されることが開示されている。また、燃料電池システムの起動時には、燃焼器の着火動作直後は、燃焼排ガスの温度が低い傾向にあるので、浄化器をヒータで加熱することが記載されている。
国際公開第２０１５／０９３０１０号
しかし、従来例は、燃料電池システムの停止時に、パージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合の起動時のパージ動作における問題については検討されていない。
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、停止時にパージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合において、起動時のパージ動作で、浄化器の燃焼触媒による有害成分除去を従来よりも適切に行い得る高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法を提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムは、空気および原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に前記空気を供給する空気供給器と、前記改質器からの改質ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された未利用の改質ガスおよび空気が燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路に設けられ、前記燃焼排ガス中に含まれる有害成分を浄化するための燃焼触媒を含む浄化器と、前記燃焼触媒を加熱する加熱器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知した場合、起動時に、所定温度にまで前記燃焼触媒を加熱するように前記加熱器を制御した後、前記改質器に空気を供給することで前記高温動作型燃料電池システムをパージするように空気供給器を制御する。
また、本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムの運転方法は、運転中、改質器において原料および空気を用いて改質ガスが生成され、燃料電池において前記改質ガスおよび空気を用いて発電が行われ、燃焼器において前記燃料電池から排出された未利用の改質ガスおよび空気の燃焼が行われ、前記燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路に設けられた浄化器の燃焼触媒を用いて、前記燃焼排ガス中に含まれる有害成分が浄化され、パージ動作が不可能な異常停止が検知された場合、起動時に、前記燃焼触媒が所定温度にまで加熱器により加熱された後、前記改質器に空気が供給されることで前記高温動作型燃料電池システムがパージされる。
本開示の一態様の高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法は、停止時にパージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合において、起動時のパージ動作で、浄化器の燃焼触媒による有害成分除去を従来よりも適切に行い得るという効果を奏する。
図１は、実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は、実施形態の高温動作型燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
燃料電池システムの停止時に、パージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合の起動時のパージ動作における問題について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
燃料電池システムの停止時に、燃料電池システム内のパージが不可能な異常状態に陥ると、燃料電池システム内に一酸化炭素および水分が残留する可能性が高い。例えば、燃料電池システムのパージに用いる原料の供給系統の異常が発生する場合、このような異常状態に陥る場合がある。このとき、燃料電池システムの起動時のパージにおいて、残留ガス中に一酸化炭素および水分が存在するため、燃焼器の着火が困難であるとともに、燃料電池システム外へ一酸化炭素などの有害成分がそのまま排出される可能性がある。
そこで、発明者らは、燃料電池システムの停止時にパージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合の起動時のパージ動作における上記問題を見出し、以下の本開示の一態様に到達した。
すなわち、本開示の第１の態様の高温動作型燃料電池システムは、空気および原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、改質器に空気を供給する空気供給器と、改質器からの改質ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池と、燃料電池から排出された未利用の改質ガスおよび空気が燃焼する燃焼器と、燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路と、燃焼排ガス経路に設けられ、燃焼排ガス中に含まれる有害成分を浄化するための燃焼触媒を含む浄化器と、燃焼触媒を加熱する加熱器と、制御器と、を備える高温動作型燃料電池システムであって、制御器は、高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知した場合、起動時に、所定温度にまで燃焼触媒を加熱するように加熱器を制御した後、改質器に空気を供給することで高温動作型燃料電池システムをパージするように空気供給器を制御する。
また、本開示の第１の態様の高温動作型燃料電池システムの運転方法は、運転中、改質器において原料および空気を用いて改質ガスが生成され、燃料電池において改質ガスおよび空気を用いて発電が行われ、燃焼器において燃料電池から排出された未利用の改質ガスおよび空気の燃焼が行われ、燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路に設けられた浄化器の燃焼触媒を用いて、燃焼排ガス中に含まれる有害成分が浄化され、パージ動作が不可能な異常停止が検知された場合、起動時に、燃焼触媒が所定温度にまで加熱器により加熱された後、改質器に空気が供給されることで高温動作型燃料電池システムがパージされる。
以上により、本態様の高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法では、停止時にパージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合において、起動時のパージ動作で、浄化器の燃焼触媒による有害成分除去を従来よりも適切に行い得る。これは以下の理由による。
高温動作型燃料電池システムの停止時にパージ動作が不可能な異常状態に陥った場合、上記のとおり、高温動作型燃料電池システム内に一酸化炭素および水分が残留する可能性が高い。また、高温動作型燃料電池システムの起動時には、浄化器の燃焼触媒は、燃焼排ガスの熱で十分な加熱が行われにくく、有害成分の除去性能が低いという傾向がある。さらに、燃焼排ガス中に水分があると、浄化器の燃焼触媒の吸湿が起こり、燃焼触媒の活性がさらに低下しやすい。このため、高温動作型燃料電池システムの起動時のパージにおいて、残留ガス中の一酸化炭素などの有害成分が除去されずに外部へ排出する可能性がある。
そこで、本態様の高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法では、高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止が検知された場合、高温動作型燃料電池システムの起動時のパージに先立って、浄化器の燃焼触媒が加熱器により有害成分除去性能を発揮し得る適温にまで加熱される。これにより、高温動作型燃料電池システムの起動時のパージにおいて、残留ガス中の一酸化炭素などの有害成分を浄化器で除去可能であるので、従来に比べ、このような有害成分が除去されずに外部へ排出する可能性を低減できる。
本開示の第２の態様の高温動作型燃料電池システムは、第１の態様の高温動作型燃料電池システムにおいて、燃焼器への着火動作を行うための着火器を備え、制御器は、改質器に空気が供給されることで高温動作型燃料電池システムをパージした後、改質器に原料を供給することで燃焼器への着火動作を行うように着火器を制御する。
また、本開示の第２の態様の高温動作型燃料電池システムの運転方法は、第１の態様の高温動作型燃料電池システムの運転方法において、改質器に空気が供給されることで高温動作型燃料電池システムがパージされた後、改質器に原料が供給されることで燃焼器への着火動作が行われる。
以上により、本態様の高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法では、高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止が検知された場合でも、高温動作型燃料電池システムの起動時のパージにおいて、残留ガス中の水分を除去できるので、燃焼器への着火動作を適切に行い得る。
本開示の第３の態様の高温動作型燃料電池システムは、第１の態様の高温動作型燃料電池システムにおいて、燃焼器への着火動作を行うための着火器を備え、制御器は、高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知しなかった場合、起動時に、加熱器による燃焼触媒の加熱を行わずに、改質器に原料を供給することで燃焼器への着火動作を行うように着火器を制御する。
また、本開示の第３の高温動作型燃料電池システムの運転方法は、第１の態様の高温動作型燃料電池システムの運転方法において、パージ動作が不可能な異常停止が検知されなかった場合、起動時に、加熱器による燃焼触媒の加熱が行われずに、改質器に原料が供給されることで燃焼器への着火動作が行われる。
以上により、本態様の高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法では、パージ動作が不可能な異常停止が検知されなかった場合、高温動作型燃料電池システムの停止時のパージにおいて、残留ガス中の一酸化炭素ガスおよび水分が除去されているので、加熱器による浄化器の燃焼触媒の加熱を必要とせずに、燃焼器への速やかな着火動作を行い得る。よって、加熱器の作動に伴うエネルギーを低減できる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、本開示の包括的または具体的な例を示すものである。つまり、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下の実施形態の構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したものである。また、以下の実施形態の動作においては、必要に応じて、各ステップの順序などを変更してもよいし、他の公知のステップを追加してもよい。
（実施形態）
［装置構成］
図１は、実施形態の高温動作型燃料電池システムの一例を示す図である。
以下、高温動作型燃料電池システムの具体例として、発電部に固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ４）を備える固体酸化物型燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム１００）を挙げて説明するが、これに限定されない。高温動作型燃料電池システムは、高温（例えば、６００℃以上）で動作する燃料電池システムであれば、どのような構成であっても構わない。例えば、高温動作型燃料電池システムは、以下に述べるＳＯＦＣシステム１００の他、発電部に溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）備える溶融炭酸塩型燃料電池システムなどであってもよい。
図１に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器３と、ＳＯＦＣ４と、燃焼器５と、浄化器６と、空気供給器７と、水供給器８と、着火器９と、燃焼排ガス経路１０と、加熱器１１と、制御器２０と、を備える。
改質器３は、空気および原料を用いて改質ガスを生成する。改質器３の容器には、改質反応を進行させるための図示しない改質触媒が充填されている。改質触媒の触媒金属として、例えば、Ｒｕ、Ｎｉなどを用いることができる。
改質器３の改質触媒において、原料が改質反応して、水素含有の改質ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応等が挙げられる。
ところで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、起動時に、改質器３において吸熱反応である水蒸気改質反応を行うためには熱エネルギーが不足する。そこで、改質器３を水蒸気改質反応だけでなく、発熱反応である部分酸化反応を行える仕様にしている。すると、ＳＯＦＣシステム１００の起動時、水供給器８から改質器３に水を供給させずに、空気供給器７から改質器３に導入した空気を利用することで、改質器３で部分酸化反応が行われ、水素ガスおよび一酸化炭素ガスなどを含む改質ガスが生成される。この部分酸化改質反応が進行することで、改質器３内の温度が上昇して所定温度（例えば、約５００℃）になると、水供給器８から改質器３に改質反応用の水が供給される。すると、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とが共存するオートサーマル反応が進行する。そして、改質器３内の温度がさらに上昇して、所定温度（例えば、約６００℃）になると、空気供給器７による改質器３への空気の供給が停止され、高効率に水素ガスを生成し得る水蒸気改質反応が進行し始め、ＳＯＦＣシステム１００の発電が開始する。なお、以上の所定温度は例示であって、本例に限定されない。
つまり、空気供給器７は、改質器３に空気を供給する。また、水供給器８は、改質器３に水を供給する。なお、空気供給器７は、改質器３に空気を供給できれば、どのような構成であってもよい。空気供給器７として、例えば、ブロア、ファンなどを例示できる。
また、水供給器８は、改質器３に水を供給できれば、どのような構成であってもよい。水供給器８として、例えば、容積型のポンプなどを例示できる。
改質反応用の原料としては、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素系の燃料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油などの炭化水素系の液体燃料を用いてもよい。
原料供給経路上には、図示しない脱硫器（例えば、常温脱硫器、水添脱硫器など）を設けてもよい。これにより、改質器３に供給される原料中の硫黄化合物が除去される。なお、原料供給経路の上流端には、図示しない原料供給器が設けられている。原料供給器は、改質器３に送る原料流量を調整する機器であり、例えば、昇圧器および流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、容積型のポンプを用いてもよいが、これに限定されない。原料は、原料供給源より原料供給器へ送られる。原料供給源は、所定の供給圧を備える。原料供給源として、例えば、原料ボンベ、原料インフラなどを例示できる。
ＳＯＦＣ４は、改質器３からの改質ガスおよび空気を用いて発電する。ＳＯＦＣ４のカソードには、図示しないブロアなどの空気供給器から空気供給経路を通じて空気（酸素）が供給され、ＳＯＦＣ４のアノードには、改質器３から改質ガス供給経路を通じて改質ガス(例えば、Ｈ２、ＣＯおよびＣＨ４などを含むガス)が供給される。これにより、ＳＯＦＣ４で発電反応が行われる。
ＳＯＦＣ４では、ＳＯＦＣ４の単セル（図示せず）を、例えば、複数個集合し、直列に接続している。ＳＯＦＣ４は、複数の平板形の単セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の単セルを集合して形成されていてもよい。なお、ＳＯＦＣシステム１００には、ＳＯＦＣ４の動作温度（例えば、６００℃以上）を検出する温度検知器（図示せず）、ＳＯＦＣ４の発電電流を取り出すための電極（図示せず）などが設けられている。ＳＯＦＣ４の構成は、一般的なＳＯＦＣと同様であるので詳細な説明は省略する。
燃焼器５は、ＳＯＦＣ４から排出された未利用の改質ガスおよび空気が燃焼する。具体的には、ＳＯＦＣ４の発電に使用しなかった改質ガス（アノードオフガス）が、アノードオフガス排出経路に流入し、このアノードオフガス排出経路を通過した後、燃焼器５へと送られる。また、ＳＯＦＣ４の発電に使用しなかった空気（カソードオフオフガス）が、カソードオフガス排出経路を通過した後、燃焼器５へと送られる。つまり、アノードオフガス排出経路およびカソードオフガス排出経路のそれぞれが燃焼器５に接続され、これにより、燃焼器５で拡散燃焼が行われる。
ここで、燃焼器５内には、着火器９および図示しない燃焼検知器などが設けられている。
着火器９は、燃焼器５への着火動作を行うための装置である。ＳＯＦＣシステム１００の起動時の場合、または、ＳＯＦＣシステム１００の運転中に何らかの状態変化で燃焼器５の火炎が消えた場合などにおいて、燃焼器５の内部が、燃焼条件を満たしていれば、着火器９により燃焼器５への着火動作が行われる。着火器９は燃焼器５への着火動作を行うことができれば、どのようなものであってもよい。着火器９として、例えば、電気ヒータ、点火プラグなどを例示できる。燃焼器５への着火動作が行われると、燃焼器５の燃焼空間（図示せず）において、高温の燃焼排ガスが発生する。
燃焼排ガス経路１０は、燃焼器５で発生した燃焼排ガスが流通する流路である。
燃焼排ガス経路１０を流通する燃焼排ガスは、改質器３の周囲、図示しない蒸発器の周囲、および、発電用の空気が通過する空気熱交換器（図示せず）の周囲などに送られる。これにより、改質器３の改質触媒が、燃焼排ガスの熱で改質反応に適した所定温度（例えば、約６００℃程度）に加熱される。また、蒸発器が、燃焼排ガスの熱により改質器３の改質反応に必要な水蒸気を生成する。さらに、空気熱交換器が、燃焼排ガスを加熱流体に用い、ＳＯＦＣ４のカソードへ供給する発電用の空気を予熱し得る。
浄化器６は、燃焼排ガス経路１０に設けられ、燃焼排ガス中に含まれる有害成分を浄化するための燃焼触媒を含む装置である。例えば、浄化器６は、改質触媒、水および空気などの加熱が行われた後の燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路１０上に設けられていてもよい。すると、浄化器６を、燃焼触媒による有害成分除去可能な所定温度（例えば、約２００℃程度）にまで加熱することができる。これにより、浄化器６の燃焼触媒の作用によって、燃焼排ガス中に含まれる一酸化炭素などの有害成分が燃焼、除去される。なお、この所定温度は例示であって、本例に限定されない。
浄化器６の燃焼触媒として、例えば、Ｐｔ系貴金属触媒を用いることができるが、これに限定されない。また、浄化器６を通過した燃焼排ガスは、ＳＯＦＣシステム１００外へ排出され、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器へと送られる。
加熱器１１は、浄化器６の燃焼触媒を加熱する装置である。特許文献１の如く、ＳＯＦＣシステム１００の起動時の場合などでは、燃焼器５の着火動作直後は、燃焼排ガスの温度が低い傾向にある。よって、この場合、加熱器１１により浄化器６を加熱してもよい。加熱器１１として、例えば、電気ヒータなどを例示できる。
ここで、一般的に、ＳＯＦＣシステム１００では、停止シーケンスにおいて、ＳＯＦＣ４のアノードを含む可燃ガス流路に原料を供給することで、パージ動作が行われる。
しかし、ＳＯＦＣシステム１００の停止時に、ＳＯＦＣシステム１００内のパージが不可能な異常状態に陥ると、ＳＯＦＣ４のアノードを含む可燃ガス流路内に一酸化炭素および水分が残留する可能性が高い。例えば、ＳＯＦＣシステム１００のパージに用いる原料の供給系統の異常が発生する場合、このような異常状態に陥る場合がある。このとき、ＳＯＦＣシステム１００の起動時のパージにおいて、残留ガス中に一酸化炭素および水分が存在するため、燃焼器の着火が困難であるとともに、ＳＯＦＣシステム１００外へ一酸化炭素などの有害成分がそのまま排出される可能性がある。
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、制御器２０は、ＳＯＦＣシステム１００のパージ動作が不可能な異常停止を検知した場合、起動時に、所定温度にまで浄化器６の燃焼触媒を加熱するように加熱器１１を制御する。
次いで、制御器２０は、改質器３に空気を供給することでＳＯＦＣシステム１００をパージするように空気供給器７を制御する。
その後、制御器２０は、改質器３に原料を供給することで燃焼器５への着火動作を行うように着火器９を制御する。逆に、制御器２０は、ＳＯＦＣシステム１００のパージ動作が不可能な異常停止を検知しなかった場合、起動時に、加熱器１１による燃焼触媒の加熱を行わずに、改質器３に原料を供給することで燃焼器５への着火動作を行うように着火器９を制御する。
制御器２０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器２０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリなどを例示できる。制御器２０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
［動作］
以下、実施形態のＳＯＦＣシステム１００の動作の一例について図面を参照しながら説明する。
図２は、実施形態の高温動作型燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下のフローチャートに示す動作は、例えば、制御器２０の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。ただし、以下の動作を制御器２０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部または全部の動作を行ってもよい。
ＳＯＦＣシステム１００の運転中（発電中）においては、改質器３において原料および空気を用いて改質ガスが生成される。また、ＳＯＦＣ４において改質ガスおよび空気を用いて発電が行われる。また、燃焼器５においてＳＯＦＣ４から排出された未利用の改質ガスおよび空気の燃焼が行われる。さらに、燃焼器５で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路１０に設けられた浄化器６の燃焼触媒を用いて、燃焼排ガス中に含まれる有害成分が浄化される。
ＳＯＦＣシステム１００の停止時（停止シーケンス）においては、上記のとおり、通常、ＳＯＦＣ４のアノードを含む可燃ガス流路に原料を供給することで、パージ動作が行われるが、ＳＯＦＣシステム１００内のパージが不可能な異常状態に陥った場合は、このようなパージ動作が不可能な異常停止であったことを示すフラグが、制御器２０の記憶回路に記億される。
そこで、ＳＯＦＣシステム１００の起動時（起動シーケンス）においては、ステップＳ１で、上記のパージ動作が不可能な異常停止が検知された否かが判定される。
ステップ１において、パージ動作が不可能な異常停止が検知された場合、ステップＳ２で、浄化器６の燃焼触媒が所定温度（例えば、約２００℃程度）にまで加熱器１１により加熱された後、ステップＳ３で、改質器３に空気が供給されることでＳＯＦＣシステム１００がパージされる。なお、ステップＳ２の所定温度は例示であって、本例に限定されない。
次いで、ステップＳ４で、改質器３に原料が供給されることで燃焼器５への着火動作が行われる。なお、このとき、ＳＯＦＣ４のカソードにも空気が供給される。
また、ステップ１において、パージ動作が不可能な異常停止が検知されなかった場合、加熱器１１による浄化器６の燃焼触媒の加熱が行われずに、ステップＳ４で、改質器３に原料が供給されることで燃焼器５への着火動作が行われる。
以上のとおり、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００およびＳＯＦＣシステム１００の運転方法では、停止時にパージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合において、起動時のパージ動作で、浄化器６の燃焼触媒による有害成分除去を従来よりも適切に行い得る。これは以下の理由による。
ＳＯＦＣシステム１００の停止時にパージ動作が不可能な異常状態に陥った場合、上記のとおり、ＳＯＦＣシステム１００内に一酸化炭素および水分が残留する可能性が高い。また、ＳＯＦＣシステム１００の起動時には、浄化器６の燃焼触媒は、燃焼排ガスの熱で十分な加熱が行われにくく、有害成分の除去性能が低いという傾向がある。さらに、燃焼排ガス中に水分があると、浄化器６の燃焼触媒の吸湿が起こり、燃焼触媒の活性がさらに低下しやすい。このため、ＳＯＦＣシステム１００の起動時のパージにおいて、残留ガス中の一酸化炭素などの有害成分が除去されずに外部へ排出する可能性がある。
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００およびＳＯＦＣシステム１００の運転方法では、ＳＯＦＣシステム１００のパージ動作が不可能な異常停止が検知された場合、ＳＯＦＣシステム１００の起動時のパージに先立って、浄化器６の燃焼触媒が加熱器１１により有害成分除去性能を発揮し得る適温にまで加熱される。これにより、ＳＯＦＣシステム１００の起動時のパージにおいて、残留ガス中の一酸化炭素などの有害成分を浄化器６で除去可能であるので、従来に比べ、このような有害成分が除去されずに外部へ排出する可能性を低減できる。
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００およびＳＯＦＣシステム１００の運転方法では、ＳＯＦＣシステム１００のパージ動作が不可能な異常停止が検知された場合でも、ＳＯＦＣシステム１００の起動時のパージにおいて、残留ガス中の水分を除去できるので、燃焼器５への着火動作を適切に行い得る。
さらに、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００およびＳＯＦＣシステム１００の運転方法では、パージ動作が不可能な異常停止が検知されなかった場合、ＳＯＦＣシステム１００の停止時のパージにおいて、残留ガス中の一酸化炭素ガスおよび水分が除去されているので、加熱器１１による浄化器６の燃焼触媒の加熱を必要とせずに、燃焼器５への速やかな着火動作を行い得る。よって、加熱器１１の作動に伴うエネルギーを低減できる。
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
本開示の一態様は、停止時にパージ動作が不可能な異常な状態に陥った場合において、起動時のパージ動作で、浄化器の燃焼触媒による有害成分除去を従来よりも適切に行い得る高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法に利用できる。
３ ：改質器
４ ：ＳＯＦＣ
５ ：燃焼器
６ ：浄化器
７ ：空気供給器
８ ：水供給器
９ ：着火器
１０ ：燃焼排ガス経路
１１ ：加熱器
２０ ：制御器
１００ ：ＳＯＦＣシステム

Claims (4)

  1. 空気および原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に前記空気を供給する空気供給器と、前記改質器からの改質ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された未利用の改質ガスおよび空気が燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路に設けられ、前記燃焼排ガス中に含まれる有害成分を浄化するための燃焼触媒を含む浄化器と、前記燃焼触媒を加熱する加熱器と、制御器と、前記燃焼器への着火動作を行うための着火器と、を備える高温動作型燃料電池システムであって、
    前記制御器は、前記高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知した場合、起動時に、所定温度にまで前記燃焼触媒を加熱するように前記加熱器を制御した後、前記改質器に空気を供給することで前記高温動作型燃料電池システムをパージするように空気供給器を制御し、
    前記高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知しなかった場合、起動時に、前記加熱器による前記燃焼触媒の加熱を行わずに、前記改質器に原料を供給することで前記燃焼器への着火動作を行うように前記着火器を制御する高温動作型燃料電池システム。
  2. 前記制御器は、前記改質器に空気が供給されることで前記高温動作型燃料電池システムをパージした後、前記改質器に前記原料を供給することで前記燃焼器への着火動作を行うように前記着火器を制御する請求項１に記載の高温動作型燃料電池システム。
  3. 空気および原料を用いて改質ガスを生成する改質器と、前記改質器に前記空気を供給する空気供給器と、前記改質器からの改質ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された未利用の改質ガスおよび空気が燃焼する燃焼器と、前記燃焼器で発生した燃焼排ガスが流通する燃焼排ガス経路と、前記燃焼排ガス経路に設けられ、前記燃焼排ガス中に含まれる有害成分を浄化するための燃焼触媒を含む浄化器と、前記燃焼触媒を加熱する加熱器と、前記燃焼器への着火動作を行うための着火器と、を備える高温動作型燃料電池システムの運転方法であって、
    前記高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知した場合、起動時に、所定温度にまで前記燃焼触媒を加熱するように前記加熱器を制御した後、前記改質器に空気を供給することで前記高温動作型燃料電池システムをパージするように前記空気供給器を制御し、
    前記高温動作型燃料電池システムのパージ動作が不可能な異常停止を検知しなかった場合、起動時に、前記加熱器による前記燃焼触媒の加熱を行わずに、前記改質器に原料を供給することで前記燃焼器への着火動作を行うように前記着火器を制御する高温動作型燃料電池システムの運転方法。
  4. 前記改質器に空気が供給されることで前記高温動作型燃料電池システムをパージした後、前記改質器に前記原料を供給することで前記燃焼器への着火動作を行うように前記着火器を制御する請求項３に記載の高温動作型燃料電池システムの運転方法。
JP2017078574A 2016-04-28 2017-04-12 高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法 Active JP6803547B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016090424 2016-04-28
JP2016090424 2016-04-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017201620A JP2017201620A (ja) 2017-11-09
JP6803547B2 true JP6803547B2 (ja) 2020-12-23

Family

ID=58579061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017078574A Active JP6803547B2 (ja) 2016-04-28 2017-04-12 高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20170317367A1 (ja)
EP (1) EP3240082B1 (ja)
JP (1) JP6803547B2 (ja)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4102085B2 (ja) * 2002-03-15 2008-06-18 株式会社日本自動車部品総合研究所 燃料電池システム
JP2006093023A (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム及びこれを用いた電力供給システム
JP5473351B2 (ja) * 2009-02-19 2014-04-16 京セラ株式会社 燃料電池装置
US8673222B2 (en) * 2009-06-11 2014-03-18 Panasonic Corporation Hydrogen generator and method for operating the same
WO2012128368A1 (ja) * 2011-03-24 2012-09-27 Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 燃料電池モジュール
RU2013111524A (ru) * 2011-03-31 2015-05-10 Панасоник Корпорэйшн Система топливных элементов и способ управления работой данной системы
JP6034511B2 (ja) 2013-12-19 2016-11-30 パナソニック株式会社 燃料電池システム
US10096849B2 (en) * 2014-04-25 2018-10-09 Panasonic Corporation Solid oxide fuel cell system
JP6350813B2 (ja) * 2014-08-08 2018-07-04 Toto株式会社 固体酸化物型燃料電池装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20170317367A1 (en) 2017-11-02
EP3240082A1 (en) 2017-11-01
EP3240082B1 (en) 2019-07-03
JP2017201620A (ja) 2017-11-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4750374B2 (ja) 燃料電池構造体の運転方法
JP6138378B2 (ja) 燃料電池システム
JP2010238623A (ja) 固体電解質型燃料電池
JP6072111B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5519357B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備えたコージェネレーションシステム
JP2010277843A (ja) 固体電解質型燃料電池
JP2020105024A (ja) 水素生成システム及びその運転方法
JP7162170B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
JP5886483B1 (ja) 固体酸化物形燃料電池システム及びその停止方法
JP6510262B2 (ja) 燃料電池モジュール及びその運転方法
JP2007128717A (ja) 燃料電池の運転方法
JP6374273B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2017103218A (ja) 固体酸化物型燃料電池システム
JP5248194B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池およびその起動方法
JP6960610B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法
JP5809841B2 (ja) 燃料電池システム
JP6803547B2 (ja) 高温動作型燃料電池システムおよび高温動作型燃料電池システムの運転方法
JP2019169256A (ja) 高温動作型燃料電池システム
US10700368B2 (en) High-temperature operation fuel cell system
JP6444197B2 (ja) 燃料電池モジュール
JPH08111228A (ja) 燃料電池発電プラント
JP2009081112A (ja) 燃料電池発電装置の運転方法及び燃料電池発電装置
JP5248068B2 (ja) 燃料電池システム
JP2004281299A (ja) 燃料電池発電システム
JP5314310B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191024

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200617

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200623

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200817

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20201110

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20201112

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6803547

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151