JP2008198485A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原燃料及び空気を導入して発電を行う燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by introducing raw fuel and air.
燃料電池システムの一つとして固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムがある。一般に固体酸化物形燃料電池システムは、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料(原燃料)を改質して水素含有ガス(改質ガス)を生成する改質器と、この改質器で得られた改質ガスと空気とを電気化学的に発電反応させる燃料電池スタックとを備えている。そのようなSOFCシステムとしては、例えば特許文献1に記載されているものが知られている。
しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、燃料電池システムの起動時には、改質器を所定温度まで昇温した後、改質器の触媒表面に炭素が析出しないように、改質器に原燃料を供給する前に水蒸気、必要に応じて空気等を改質器に供給する必要がある。このとき、昇温された改質器により温められた水蒸気や空気等のガスが燃料電池スタックに供給されるが、その時のガス伝熱によって燃料電池スタックの温度が上昇する。このため、燃料電池スタックのアノード(燃料極)が例えば水蒸気や空気等の酸化性ガス雰囲気下にある場合には、アノードが酸化劣化してしまう。 However, the following problems exist in the prior art. That is, when starting up the fuel cell system, after raising the reformer to a predetermined temperature, steam is required before supplying raw fuel to the reformer so that carbon does not precipitate on the catalyst surface of the reformer. Accordingly, it is necessary to supply air or the like to the reformer. At this time, gas such as water vapor or air heated by the heated reformer is supplied to the fuel cell stack, and the temperature of the fuel cell stack rises due to gas heat transfer at that time. For this reason, when the anode (fuel electrode) of the fuel cell stack is in an oxidizing gas atmosphere such as water vapor or air, the anode is oxidized and deteriorated.
本発明の目的は、燃料電池スタックのアノードの酸化劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing oxidative deterioration of an anode of a fuel cell stack.
本発明の燃料電池システムは、原燃料を改質して改質ガスを生成する改質器と、改質器と改質ガス流路を介して接続され、改質器で生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、改質ガス流路内を流れるガスを冷却する冷却手段とを備えることを特徴とするものである。 The fuel cell system of the present invention includes a reformer that reforms a raw fuel to generate a reformed gas, and a reformer that is connected to the reformer via a reformed gas flow path and is generated by the reformer. A fuel cell stack that generates power using gas and a cooling means that cools the gas flowing in the reformed gas flow path are provided.
このような本発明の燃料電池システムを起動させる場合には、改質器を所定温度まで昇温した後、例えば改質器に原燃料及び水蒸気を供給することで、改質器により原燃料を水蒸気改質反応させて改質ガスを生成する。このとき、改質器の触媒表面に炭素が析出しないように、原燃料を改質器に供給する前に水蒸気のみを改質器に供給する必要があるが、この場合には、改質器で温められた水蒸気が燃料電池スタックに向けて改質ガス流路内を流れるようになる。そこで、その改質ガス流路内を流れる水蒸気を冷却手段により冷却する。これにより、冷却手段によって冷やされた水蒸気が燃料電池スタックに供給されることとなるため、その後で改質ガスが燃料電池スタックに供給される前まで、燃料電池スタックの温度をアノードの酸化劣化点以下に保持することができる。その結果、アノードの酸化劣化を防止することができる。 When starting up the fuel cell system of the present invention, the temperature of the reformer is raised to a predetermined temperature, and then the raw fuel and steam are supplied to the reformer, for example, so that the raw fuel is supplied by the reformer. A reformed gas is generated by a steam reforming reaction. At this time, it is necessary to supply only steam to the reformer before supplying raw fuel to the reformer so that carbon does not deposit on the catalyst surface of the reformer. The water vapor warmed by the gas flows in the reformed gas flow path toward the fuel cell stack. Therefore, the water vapor flowing in the reformed gas channel is cooled by the cooling means. As a result, the water vapor cooled by the cooling means is supplied to the fuel cell stack. Therefore, until the reformed gas is supplied to the fuel cell stack, the temperature of the fuel cell stack is changed to the oxidation deterioration point of the anode. The following can be maintained. As a result, oxidative deterioration of the anode can be prevented.
また、本発明の燃料電池システムを停止させる場合には、アノードの酸化劣化を防止するために、アノードの酸化劣化点以下の温度まで燃料電池スタックを降温させた後、燃料電池スタックへの改質ガスの供給を停止する必要がある。しかし、燃料電池スタックの熱容量が比較的大きいことから、燃料電池スタックの冷却速度が遅くなるため、燃料電池スタックがアノードの酸化劣化点以下の温度まで降温されるまでの間、大量の改質ガスを燃料電池スタックに供給しなければならない。そこで、改質ガス流路内を流れる改質ガスを冷却手段で冷却する。これにより、冷却手段によって冷やされた改質ガスが燃料電池スタックに供給されることとなるため、燃料電池スタックの冷却速度が高くなる。従って、大量の改質ガスを燃料電池スタックに供給しなくて済むため、燃料電池スタックの降温時の消費エネルギーを削減することができる。 Further, when the fuel cell system of the present invention is stopped, in order to prevent the oxidative deterioration of the anode, the temperature of the fuel cell stack is lowered to a temperature below the oxidative deterioration point of the anode, and then reformed to the fuel cell stack. It is necessary to stop the gas supply. However, since the heat capacity of the fuel cell stack is relatively large, the cooling rate of the fuel cell stack becomes slow. Therefore, a large amount of reformed gas is required until the temperature of the fuel cell stack is lowered to a temperature below the oxidative deterioration point of the anode. Must be supplied to the fuel cell stack. Therefore, the reformed gas flowing in the reformed gas channel is cooled by the cooling means. Thereby, the reformed gas cooled by the cooling means is supplied to the fuel cell stack, so that the cooling rate of the fuel cell stack is increased. Accordingly, since it is not necessary to supply a large amount of reformed gas to the fuel cell stack, it is possible to reduce energy consumption when the temperature of the fuel cell stack is lowered.
好ましくは、改質器は、原燃料に水蒸気を加えて原燃料を改質反応させて、改質ガスを生成する。このような改質法としては、改質効率の高い水蒸気改質(Steam Reforming:SR)や自己熱改質(Autothermal Reforming:ATR)が挙げられる。この場合には、燃料電池スタックに改質ガスが供給される前に、改質ガス流路内を流れる水蒸気を冷却手段で冷却することで、上述したように燃料電池システムの起動時におけるアノードの酸化劣化を確実に防止することができる。 Preferably, the reformer generates reformed gas by adding steam to the raw fuel to cause a reforming reaction of the raw fuel. Examples of such reforming methods include steam reforming (SR) and autothermal reforming (ATR) with high reforming efficiency. In this case, before the reformed gas is supplied to the fuel cell stack, the water vapor flowing in the reformed gas flow path is cooled by the cooling means, so that the anode at the start-up of the fuel cell system as described above. Oxidative degradation can be reliably prevented.
また、好ましくは、冷却手段は、改質ガス流路に設けられた熱交換器と、熱交換器に冷却流体を供給する流体供給手段とを有する。この場合には、熱交換器に冷却流体を供給することで、改質ガス流路内を流れる水蒸気や改質ガス等が熱交換により冷却されるようになる。コストや、ハンドリング(操作)及び設置の容易さ等の観点からは、そのような熱交換器を冷却手段として使用するのが好適である。さらに、伝熱促進の観点から、熱交換器内の改質ガス流路、冷却流体流路に例えば金属粒子など熱伝導度の高い充填物を充填するのが好適である。 Preferably, the cooling means includes a heat exchanger provided in the reformed gas flow path, and a fluid supply means for supplying a cooling fluid to the heat exchanger. In this case, by supplying a cooling fluid to the heat exchanger, water vapor, reformed gas, and the like flowing in the reformed gas channel are cooled by heat exchange. From the viewpoint of cost, handling (operation), ease of installation, and the like, it is preferable to use such a heat exchanger as a cooling means. Furthermore, from the viewpoint of promoting heat transfer, it is preferable to fill the reformed gas channel and the cooling fluid channel in the heat exchanger with a filler having high thermal conductivity such as metal particles.
このとき、流体供給手段は、熱交換器に冷却流体として水を供給する手段と、熱交換器に冷却流体として空気を供給する手段とを有することが好ましい。燃料電池システムの起動時には、蒸発潜熱の大きな水を冷却流体として使用することが望ましく、この場合には改質ガス流路内を流れる水蒸気等を効率良く冷却することができる。一方、燃料電池システムの停止時には、例えば冷却流体の蒸発衝撃による影響等を考慮して、冷却流体として空気を使用することが望ましい。 At this time, the fluid supply means preferably has means for supplying water as a cooling fluid to the heat exchanger and means for supplying air as a cooling fluid to the heat exchanger. When starting the fuel cell system, it is desirable to use water with a large latent heat of vaporization as a cooling fluid. In this case, water vapor or the like flowing in the reformed gas channel can be efficiently cooled. On the other hand, when the fuel cell system is stopped, it is desirable to use air as the cooling fluid in consideration of the influence of evaporative impact of the cooling fluid, for example.
本発明によれば、燃料電池スタックのアノードの酸化劣化を防止することができる。これにより、燃料電池スタックの耐久性を向上させることが可能となる。 According to the present invention, oxidative deterioration of the anode of the fuel cell stack can be prevented. Thereby, it becomes possible to improve the durability of the fuel cell stack.
以下、本発明に係わる燃料電池システムの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a fuel cell system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係わる燃料電池システムの第1実施形態を示すシステム構成図である。同図において、本実施形態の燃料電池システム1は、改質原料(原燃料)を改質して改質ガスを生成する改質器2と、この改質器2で得られた改質ガスと空気とを用いて発電を行う固体酸化物形燃料電池(SOFC)スタック3とを備えている。改質器2及びSOFCスタック3は、モジュール容器4内に収容されてモジュール化されている。
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention. In the figure, the
また、燃料電池システム1は、原燃料及び水蒸気が混合された改質原料をモジュール容器4の外部から改質器2に供給するための原料供給系5を備えている。
The
原料供給系5は、改質器2と接続された原料導入管6と、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ7と、水蒸気の供給量を調整する電磁バルブ8とを有している。原燃料としては、例えば灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。原料供給系5は、例えば水気化器(図示せず)で得られた水蒸気に燃料気化器(図示せず)で得られた原燃料ガスを混合させて改質原料ガスを生成する。そして、その改質原料ガスが原料導入管6内を通って改質器2に導入される。
The raw
改質器2は、改質原料を改質触媒で水蒸気改質(SR)反応させて、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな吸熱反応であり、反応温度が550〜750℃程度と比較的高いので、高温の熱源が必要となる。このため、改質器2は、SOFCスタック3の近傍に配置され、SOFCスタック3からの輻射熱及びオフガス燃焼熱を利用して水蒸気改質反応を行う。
The
SOFCスタック3は、改質ガス流路を形成する改質ガス供給管9を介して改質器2と接続されている。また、SOFCスタック3には、モジュール容器4の外部から空気を導入するための空気導入管10が接続されている。空気導入管10には、空気の導入量を調整する電磁バルブ11が設けられている。
The SOFC
SOFCスタック3は、複数の電池セルが積み重ねられて構成されている。電池セルは、アノード(燃料極)3aと、カソード(空気極)3bと、アノード3aとカソード3bとの間に配置された電解質3cとを有している。アノード3aには改質ガスが導入され、カソード3bには空気が導入される。これにより、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。なお、SOFCスタック3は、通常550〜1000℃程度の高温で作動する。
The
改質ガス供給管9には、当該改質ガス供給管9内を流れるガスを冷却流体によって熱交換して冷却する熱交換器12が設けられている。熱交換器12には、冷却流体として冷却用水(液体)を熱交換器12に供給するため水供給管13と、冷却流体として冷却用空気(気体)を熱交換器12に供給するため空気供給管14とが並列に接続されている。水供給管13には、冷却用水の供給量を調整する電磁バルブ15が設けられ、空気供給管14には、冷却用空気の供給量を調整する電磁バルブ16が設けられている。
The reformed
改質ガス供給管9内を流れるガスの冷却手段として熱交換器12を用いることで、冷却手段の構造が簡単になると共に、設置や操作を比較的容易を行うことができ、更にコスト的にも有利となる。
By using the
また、燃料電池システム1は、改質ガス供給管9内の温度を検出する温度センサ17と、燃料電池システム1の運転時にシステム全体を制御する制御装置18とを備えている。温度センサ17は、例えば熱電対であり、改質ガス供給管9内において水溜まりが生じやすい箇所に適当な数だけ配置されている。
The
制御装置18は、電磁バルブ7,8を制御して原燃料及び水蒸気の導入量をそれぞれ制御し、電磁バルブ11を制御して空気の導入量を制御し、電磁バルブ15,16を制御して冷却用水及び冷却用空気の供給量をそれぞれ制御する。
The
図2は、燃料電池システム1の起動時に、制御装置18により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない起動スイッチが操作されることで開始される。以下、図2に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム1の起動時の運転方法について説明する。
FIG. 2 is a flowchart showing a control processing procedure executed by the
まず電磁バルブ15を制御して、熱交換器12に冷却用水を供給する(手順101)。そして、例えば改質器2の近傍に配置されたバーナやヒータ(図示せず)、或いは触媒燃焼熱等の熱源によって、改質器2を加熱する。
First, the
その後、改質器2が水蒸気を凝縮させない温度まで昇温されたら、電磁バルブ8を制御して、改質器2に水蒸気を供給する(手順102)。このように改質器2に原燃料を供給する前に、まず水蒸気のみを改質器2に供給することにより、改質反応時に改質器2の改質触媒表面に炭素が析出すること(コーキング)が防止されるため、改質触媒が詰まったり劣化して改質反応を阻害することが無くなる。
Thereafter, when the temperature of the
改質器2に水蒸気のみを供給すると、水蒸気がSOFCスタック3に向けて改質ガス供給管9内を流れるようになる。このとき、熱交換器12には冷却用水が流れているので、改質ガス供給管9内の水蒸気は、熱交換器12により冷却された状態でSOFCスタック3のアノード3aに供給されることとなる。
When only the steam is supplied to the
ここで、改質器2への水蒸気の供給を開始した後は、温度センサ17の検出信号に基づいて、改質ガス供給管9内を流れる水蒸気の温度が水の沸点(例えば100℃)以上で且つアノード3aの酸化劣化点(例えば400℃)以下に保持されるように電磁バルブ15を例えばPID制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管9内を流れる水蒸気の凝縮が抑制されるため、改質ガス供給管9内に水溜まりが生じることが防止される。
Here, after the supply of water vapor to the
その後、改質器2が改質可能な温度まで昇温されたら、電磁バルブ7を制御して、改質器2に向けて原燃料を供給する(手順103)。すると、改質器2により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管9を介してSOFCスタック3のアノード3aに供給される。
Thereafter, when the temperature of the
また、電磁バルブ11を制御して、SOFCスタック3のカソード3bに空気を供給する(手順104)。その後、SOFCスタック3が所定の温度まで昇温された後、SOFCスタック3から電流を取り出すことにより、SOFCスタック3による発電が開始される。なお、SOFCスタック3への空気の供給は、手順103の前または手順103と同時に実行しても良い。
Further, the
そして、改質ガスがSOFCスタック3に到達した後、電磁バルブ15を制御して、熱交換器12への冷却用水の供給を停止する(手順105)。
Then, after the reformed gas reaches the
その後、SOFCスタック3からのアノードオフガスの燃焼熱、或いはヒータ(図示せず)等によりモジュール容器4内が昇温される。そして、改質器2またはその近傍に設けられた熱源からの熱出力を停止する。
Thereafter, the temperature in the
このように燃料電池システム1の起動時には、改質ガス供給管9内を流れる水蒸気の温度がアノード3aの酸化劣化点以下に保持されるように、当該水蒸気を熱交換器12により冷却することにより、改質器2で生成された改質ガスがSOFCスタック3に供給され始める前まで、SOFCスタック3の温度がアノード3aの酸化劣化点以下に保持されることとなる。従って、アノード3aが例えば水蒸気や空気等の酸化性ガス雰囲気下にある場合であっても、アノード3aの酸化劣化を防止することができる。このとき、蒸発潜熱の大きな冷却用水を熱交換器12に供給するので、改質ガス供給管9内を流れる水蒸気を効率的に冷却することができる。
As described above, when the
図3は、燃料電池システム1の停止時に、制御装置18により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。本制御処理の実行は、例えば図示しない停止スイッチが操作されることで開始される。以下、図3に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム1の停止時の運転方法について説明する。
FIG. 3 is a flowchart showing a control processing procedure executed by the
まず電磁バルブ16を制御して、熱交換器12に冷却用空気を供給する(手順111)。続いて、電磁バルブ7,8を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、改質器2への改質原料の供給量を減らす。これにより、改質器2で生成される改質ガスの供給量が減少するため、SOFCスタック3からのアノードオフガス燃焼熱が減少する。さらに、例えば電磁バルブ11を制御して、SOFCスタック3のカソード3bに供給される空気量を増やす。これらにより、モジュール容器4内の降温が開始される(手順112)。
First, the
このとき、温度センサ17の検出信号に基づいて、改質ガス供給管9内を流れる改質ガスの温度が水の沸点以上で且つアノード3aの酸化劣化点以下に保持されるように電磁バルブ16を例えばPID制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管9内を流れる改質ガス中に含まれる水分の凝縮が抑制されるため、改質ガス供給管9内に水溜まりが生じることが防止される。
At this time, based on the detection signal of the
その後、SOFCスタック3の温度がアノード3aの酸化劣化点以下になったら、電磁バルブ7を制御して、改質器2への原燃料の供給を停止する(手順113)。これにより、改質器2からSOFCスタック3への改質ガスの供給が停止する。引き続いて電磁バルブ8を制御して、改質器2への水蒸気の供給を停止する(手順114)。
Thereafter, when the temperature of the
ここで、改質ガス供給管9内の改質ガスに比べて冷めにくいSOFCスタック3がアノード3aの酸化劣化点以下の温度まで降温するまでの間は、還元性を有する改質ガスをSOFCスタック3に供給し続けるので、アノード3aの酸化劣化が防止される。
Here, until the
そして、電磁バルブ16を制御して、熱交換器12への冷却用空気の供給を停止する(手順115)。
Then, the
このように燃料電池システム1の停止時には、改質ガス供給管9内を流れる改質ガスを熱交換器12により冷却するので、SOFCスタック3には、冷やされた改質ガスが供給されることとなる。これにより、熱容量が比較的大きく温度が下がりにくいSOFCスタック3の冷却速度が上がるため、SOFCスタック3がアノード3aの酸化劣化点以下の温度に降温されるまで大量の改質ガス及び空気をSOFCスタック3に供給する必要がなくなる。
Thus, when the
また、停止運転の開始直後は、モジュール容器4内の温度が高く、熱交換器12の配管等がある程度熱くなっているため、冷却用水を熱交換器12に供給すると、冷却用水の蒸発衝撃により熱交換器12の配管等が破損する可能性がある。本実施形態では、システム停止時には、冷却用空気を熱交換器12に供給するので、そのような蒸発衝撃を引き起こすこと無く、改質ガス供給管9内を流れる改質ガスを冷却することができる。
Further, immediately after the start of the stop operation, the temperature in the
以上のように本実施形態によれば、燃料電池システム1の起動及び停止時に、SOFCスタック3のアノード3aの酸化劣化を防止することができる。また、燃料電池システム1の停止時に、SOFCスタック3に供給する改質ガス及び空気の量を低減することができるため、消費エネルギーの削減を図ることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to prevent oxidative deterioration of the
図4は、本発明に係わる燃料電池システムの第2実施形態を示すシステム構成図である。図中、第1実施形態と同一または同等の部材及び要素には同じ符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 4 is a system configuration diagram showing a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In the figure, members and elements that are the same as or equivalent to those in the first embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
同図において、本実施形態の燃料電池システム20は、上記の改質器2及びSOFCスタック3に加えて、モジュール容器4内に配置され、起動・停止用改質原料(原燃料)を改質して改質ガスを生成する起動・停止用改質器21を備えている。本実施形態では、上記の改質器2は、発電用改質原料を改質して改質ガスを生成する発電用改質器を構成している。
In the figure, the
また、燃料電池システム20は、原燃料及び水蒸気が混合された起動・停止用改質原料をモジュール容器4の外部から起動・停止用改質器21に供給するための原料供給系22を備えている。
The
原料供給系22は、起動・停止用改質器21と接続された原料導入管23と、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ24と、水蒸気の供給量を調整する電磁バルブ25とを有している。原燃料としては、灯油や都市ガス等の炭化水素燃料が用いられる。これにより、発電用改質原料を作るための発電用原燃料と起動・停止用改質原料を作るための起動・停止用原燃料の供給源を共有化することができる。原料供給系22は、原料供給系6と同様に、例えば水気化器(図示せず)で得られた水蒸気に燃料気化器(図示せず)で得られた原燃料ガスを混合させて起動・停止用改質原料ガスを生成する。そして、その起動・停止用改質原料ガスが原料導入管23内を通って起動・停止用改質器21に導入される。
The raw
起動・停止用改質器21は、燃料電池システム20の起動・停止時に、起動・停止用改質原料を改質触媒で水蒸気改質反応させて、還元性を有する改質ガスを生成するものである。なお、起動・停止用改質器21は、特に発電に寄与するものでないので、発電用改質器2に比べて小容量であっても良い。
The start /
起動・停止用改質器21は、改質ガス流路を形成する改質ガス供給管26を介して原料導入管6と分岐接続されている。改質器21により生成された改質ガスは、改質ガス供給管26、原料導入管6、改質器2及び改質ガス供給管9を介してSOFCスタック3に供給される。ここでは、改質器21で生成された改質ガスによって改質器2の改質触媒を還元させるために、改質ガス供給管26を改質器2の入力側に分岐接続したが、改質ガス供給管26を改質器2の出力側(改質ガス供給管9)に接続しても良い。また、起動・停止用改質器21は、モジュール容器4の外部に設置されていても良い。
The start /
改質ガス供給管26には、当該改質ガス供給管26内を流れるガスを冷却流体によって熱交換して冷却する熱交換器27が設けられている。熱交換器27には、冷却流体として冷却用水を熱交換器27に供給するため水供給管28と、冷却流体として冷却用空気を熱交換器27に供給するため空気供給管29とが並列に接続されている。水供給管28には、冷却用水の供給量を調整する電磁バルブ30が設けられ、空気供給管29には、冷却用空気の供給量を調整する電磁バルブ31が設けられている。
The reformed
また、燃料電池システム20は、上述した制御装置18に代えて、制御装置32を備えている。制御装置32は、電磁バルブ7,8を制御して原燃料及び水蒸気の導入量をそれぞれ制御し、電磁バルブ24,25を制御して原燃料及び水蒸気の導入量をそれぞれ制御し、電磁バルブ11を制御して空気の導入量を制御し、電磁バルブ30,31を制御して冷却用水及び冷却用空気の供給量をそれぞれ制御する。
The
図5は、燃料電池システム20の起動時に、制御装置32により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図5に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム20の起動時の運転方法について説明する。
FIG. 5 is a flowchart showing a control processing procedure executed by the control device 32 when the
まず電磁バルブ30を制御して、熱交換器27に冷却用水を供給する(手順121)。そして、例えば起動・停止用改質器21の近傍に配置されたバーナやヒータ(図示せず)等によって改質器21を加熱する。
First, the
その後、起動・停止用改質器21が水蒸気を凝縮させない温度まで昇温されたら、電磁バルブ25を制御して、改質器21に水蒸気を供給する(手順122)。すると、水蒸気がSOFCスタック3に向けて改質ガス供給管26内を流れるようになる。このとき、熱交換器27には冷却用水が流れているので、改質ガス供給管26内の水蒸気は、熱交換器26により冷却された状態で発電用改質器2及び改質ガス供給管9を介してSOFCスタック3のアノード3aに供給されることとなる。
After that, when the start /
ここで、起動・停止用改質器21への水蒸気の供給を開始した後は、温度センサ17の検出信号に基づいて、改質ガス供給管26内を流れる水蒸気の温度が水の沸点以上で且つアノード3aの酸化劣化点以下に保持されるように電磁バルブ30を例えばPID制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管26内を流れる水蒸気の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
Here, after the supply of steam to the start /
起動・停止用改質器21が改質可能な温度まで昇温されたら、電磁バルブ24を制御して、改質器21に起動・停止用原燃料を供給する(手順123)。すると、改質器21により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管26、発電用改質器2及び改質ガス供給管9を介してSOFCスタック3のアノード3aに供給される。
When the temperature of the start /
また、電磁バルブ11を制御して、SOFCスタック3のカソード3bに空気を供給する(手順124)。なお、SOFCスタック3への空気の供給は、手順123の前または手順123と同時に実行しても良い。
Further, the
そして、改質ガスがSOFCスタック3に到達した後、電磁バルブ30を制御して、熱交換器27への冷却用水の供給を停止する(手順125)。
Then, after the reformed gas reaches the
その後、SOFCスタック3からのアノードオフガスの燃焼熱、或いはヒータ等によりモジュール容器4内の昇温が開始される。そして、発電用改質器2が所定の温度まで昇温されたら、電磁バルブ8を制御して、改質器2に水蒸気を供給する(手順126)。続いて、電磁バルブ7を制御して、改質器2に向けて発電用原燃料を供給する(手順127)。すると、改質器2により改質ガスが生成され、この改質ガスが改質ガス供給管9を介してSOFCスタック3のアノード3aに供給される。その後、SOFCスタック3が所定の温度まで昇温された後、SOFCスタック3から電流を取り出すことにより、SOFCスタック3による発電が開始される。
Thereafter, the temperature rise in the
続いて、電磁バルブ24を制御して、起動・停止用改質器21に向けての起動・停止用原燃料の供給を停止する(手順128)。これにより、改質器21により生成された改質ガスの供給が停止する。引き続いて改質器21への水蒸気の供給を停止する(手順129)。その後、起動・停止用改質器21またはその近傍に設けられた熱源からの熱出力を停止する。
Subsequently, the
このように燃料電池システム20の起動時には、改質ガス供給管26内を流れる水蒸気が熱交換器27により冷却され、この冷却された水蒸気がSOFCスタック3に供給されるので、起動・停止用改質器21で生成された改質ガスがSOFCスタック3に供給され始める前まで、SOFCスタック3の温度をアノード3aの酸化劣化点以下に保持することができる。これにより、アノード3aの酸化劣化を防止することができる。
As described above, when the
図6は、燃料電池システム20の停止時に、制御装置32により実行される制御処理手順を示すフローチャートである。以下、図6に示すフローチャートを用いて、燃料電池システム20の停止時の運転方法について説明する。
FIG. 6 is a flowchart showing a control processing procedure executed by the control device 32 when the
まず電磁バルブ31を制御して、熱交換器27に冷却用空気を供給する(手順131)。続いて、起動・停止用改質器21の近傍に配置されたヒータ(図示せず)等によって改質器21を加熱する。また、電磁バルブ7,8を制御して、原燃料及び水蒸気の供給量を減らすことにより、発電用改質器2への発電用改質原料の供給量を減らす。これにより、発電用改質器2で生成される改質ガスの供給量が減少する。
First, the
そして、電磁バルブ25を制御して、改質器21に少量の水蒸気を供給する(手順132)。そして、電磁バルブ24を制御して、改質器21に少量の起動・停止用原燃料を供給する(手順133)。すると、改質器21により生成された改質ガスが少量だけSOFCスタック3のアノード3aに供給される。
Then, the
続いて、電磁バルブ7を制御して、発電用改質器2への発電用原燃料の供給を停止する(手順134)。これにより、改質器2により生成された改質ガスの供給が停止する。引き続いて電磁バルブ8を制御して、改質器2への水蒸気の供給を停止する(手順135)。
Subsequently, the
続いて、例えば電磁バルブ11を制御して、SOFCスタック3のカソード3bに供給される空気量を増やす。これにより、SOFCスタック3への改質ガスの供給量を少量とすることでSOFCスタック3からのアノードオフガス燃焼熱が減少することと相俟って、モジュール容器4内の降温が開始される(手順136)。
Subsequently, for example, the
このとき、温度センサ17の検出信号に基づいて、改質ガス供給管26内を流れる改質ガスの温度が水の沸点以上で且つアノード3aの酸化劣化点以下に保持されるように電磁バルブ31を例えばPID制御するのが望ましい。これにより、改質ガス供給管26内を流れる改質ガス中に含まれる水分の凝縮による水溜まりの発生が防止される。
At this time, based on the detection signal of the
その後、SOFCスタック3の温度がアノード3aの酸化劣化点以下になったら、電磁バルブ24を制御して、起動・停止用改質器21への起動・停止用原燃料の供給を停止する(手順137)。これにより、起動・停止用改質器21への起動・停止用改質原料の供給が停止するため、改質器21により生成された改質ガスの供給が停止する。引き続いて電磁バルブ25を制御して、改質器21への水蒸気の供給を停止する(手順138)。
Thereafter, when the temperature of the
ここで、SOFCスタック3がアノード3aの酸化劣化点以下の温度まで降温する間は、改質器21で生成した改質ガスをSOFCスタック3に供給し続けるので、アノード3aの酸化劣化が防止される。
Here, while the
そして、電磁バルブ31を制御して、熱交換器27への冷却用空気の供給を停止する(手順139)。
Then, the
このように燃料電池システム20の停止時には、改質ガス供給管26内を流れる改質ガスが熱交換器27により冷却され、この冷却された改質ガスがSOFCスタック3に供給されるので、SOFCスタック3の冷却速度が上がる。これにより、SOFCスタック3がアノード3aの酸化劣化点以下の温度に降温されるまでの間にSOFCスタック3に供給する改質ガス及び空気の量を少なくできるため、消費エネルギーを削減することができる。
As described above, when the
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、システムの起動時には、冷却流体として水を供給するようにしたが、水以外の液体や空気等の気体を供給しても良い。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, water is supplied as a cooling fluid when the system is started. However, a liquid other than water or a gas such as air may be supplied.
また、上記実施形態では、SOFCスタック3に向けて改質ガス供給管内を流れる水蒸気や改質ガスを熱交換器で冷却するものとしたが、水蒸気や改質ガスを冷却する手段としては、特に熱交換器に限られず、ペルチェ吸熱素子等を使用しても良い。
In the above embodiment, the steam and reformed gas flowing in the reformed gas supply pipe toward the
また、上記実施形態では、改質原料を水蒸気改質(SR)反応させる改質器を備えているが、本発明は、改質原料を自己熱改質(ATR)反応させる改質器を備えるシステムにも適用可能である。このような自己熱改質では、まず最初に水蒸気のみを改質器に供給するため、上記実施形態と同様に改質ガス供給管内を流れる水蒸気を冷却する。また、改質原料を改質器に供給する前に、空気を改質器に供給する場合には、改質ガス供給管内を流れる水蒸気及び空気を冷却する。 Moreover, in the said embodiment, although the reformer which carries out the steam reforming (SR) reaction of the reforming raw material is provided, this invention is provided with the reformer which carries out the autothermal reforming (ATR) reaction of the reforming raw material. It is also applicable to the system. In such autothermal reforming, only the steam is first supplied to the reformer, so that the steam flowing in the reformed gas supply pipe is cooled as in the above embodiment. In addition, when air is supplied to the reformer before the reforming raw material is supplied to the reformer, the steam and air flowing in the reformed gas supply pipe are cooled.
さらに、上記実施形態は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)についてであるが、本発明は、例えばSOFCと同じ高温型燃料電池である溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)等にも適用可能である。 Furthermore, although the said embodiment is about a solid oxide fuel cell (SOFC), this invention is applicable also to the molten carbonate fuel cell (MCFC) etc. which are the same high temperature type fuel cells as SOFC, for example. is there.
1…燃料電池システム、2…改質器、3…固体酸化物形燃料電池(SOFC)スタック、3a…アノード、9…改質ガス供給管(改質ガス流路)、12…熱交換器(冷却手段)、13…水供給管(流体供給手段、冷却手段)、14…空気供給管(流体供給手段、冷却手段)、20…燃料電池システム、21…改質器、26…改質ガス供給管(改質ガス流路)、27…熱交換器(冷却手段)、28…水供給管(流体供給手段、冷却手段)、29…空気供給管(流体供給手段、冷却手段)。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記改質器と改質ガス流路を介して接続され、前記改質器で生成された前記改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタックと、
前記改質ガス流路内を流れるガスを冷却する冷却手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。 A reformer for reforming raw fuel to generate reformed gas;
A fuel cell stack connected to the reformer via a reformed gas flow path and generating power using the reformed gas generated by the reformer;
And a cooling means for cooling the gas flowing in the reformed gas flow path.
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