JP2017103218A - 固体酸化物型燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】浄化器が有する浄化触媒の耐久性の低下を抑制できる固体酸化物型燃料電池システムを提案する。
【解決手段】
アノードガスと酸素を含むカソードガスとから電気化学反応により発電する固体酸化物型燃料電池と、固体酸化物型燃料電池から排出されたアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、排ガスを生成する燃焼器と、燃焼器により生成された排ガスの有する熱により加熱されるとともに、排ガスに含まれる浄化すべき物質を除去するための浄化触媒を有した浄化器と、制御器と、少なくとも備え、制御器は、浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに関する。
分散型の発電装置として、燃料電池コージェネレーションシステムが注目されている。特に、発電効率が高い分散型の発電装置として、固体酸化物を電解質に用いて高温で作動する固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣ）の開発が進められている。
ところで、ＳＯＦＣを備えた固体酸化物型燃料電池システム（以下、ＳＯＦＣシステム）では、発電時において、一酸化炭素等の浄化すべき物質を含む排ガスを排出する。そこで、浄化すべき物質を除去するために浄化触媒（排気浄化触媒）を排気通路中に設けたＳＯＦＣシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、起動時において、浄化触媒を常温から活性温度まで昇温させる必要があるため、起動用ヒータを備えた構成となっている。特に、特許文献１では、起動時において、この起動用ヒータによって浄化触媒とともに蒸発器も一緒に加熱することができる。
特開２０１５−１８７５０号公報
本発明は、一例として、浄化器が有する浄化触媒の耐久性の低下を抑制できる固体酸化物型燃料電池システムを提案する。
本発明に係る固体酸化物型燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、供給された発電原料を改質し、アノードガスとして水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記アノードガスと、酸素を含むカソードガスとから電気化学反応により発電する固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池から排出されたアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、排ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器により生成された排ガスの有する熱により加熱されるとともに、該排ガスに含まれる浄化すべき物質を除去するための浄化触媒を有した浄化器と、制御器と、を備え、前記浄化器の温度は、運転時に、１５０℃以上２５０℃以下であり、前記制御器は、前記浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させる。
本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、浄化器が有する浄化触媒の耐久性の低下を抑制できるという効果を奏する。
本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムの構成の一例を示す図である。 ＳＯ２被毒前とＳＯ２被毒後との浄化触媒の活性状態の一例を示すグラフである。 ＳＯ２被毒後に所定温度まで浄化触媒を昇温させた場合の浄化触媒の活性状態の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態の実施例６に係るＳＯＦＣシステムの構成の一例を示す図である。
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、ＳＯＦＣシステムに関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。すなわち、ＳＯＦＣシステムは、例えば、５５０℃から７５０℃の高温で動作しており、発電時に発生する熱を有効利用することができる。すなわち、ＳＯＦＣシステムではＳＯＦＣのアノードから排出されたアノードオフガスに着火し、ＳＯＦＣのカソードから排出されたカソードオフガスとともに燃焼させて排ガスを生成している。ＳＯＦＣシステムでは、この排ガスが有する熱を有効利用し、エネルギー効率の高い発電システムを実現する。ただし、排ガスが有する熱を有効利用すればするほど、排気通路中の出口近傍に設けられた浄化器には温度低下した排ガスが供給されることとなる。例えば、排ガスの熱を、ＳＯＦＣに供給するカソードガスの予熱、発電原料の予熱、および蒸発器の加熱等に利用することができるが、このように排ガスの有する熱を有効利用すると、浄化器に供給される時点の排ガスの温度は、生成時の温度よりもかなり低い温度となる。
ここで浄化器が有する浄化触媒は、劣化すると低温での活性が低下し、例えば一酸化炭素などの浄化すべき物質に対する浄化特性が悪化することを見出した。このため、温度が低下した排ガスが浄化器に供給される場合、浄化触媒の浄化特性の悪化に伴って、系外に排気される排ガス中に含まれる浄化すべき物質の濃度が高くなることに気付いた。
さらにまた、ＳＯＦＣに供給されるカソードガス（例えば空気）には、不純物として微量のＳＯ２が含まれており、このため、排ガス中にも、ＳＯ２が含まれることに発明者らは着目した。そして、ＳＯ２に被毒することで浄化触媒が劣化させられる可能性に気付いた。また、発明者らは、浄化触媒がＳＯ２に被毒して劣化すると、上記したように浄化触媒は低温での活性が消失され、浄化触媒の耐久性の低下が懸念されることを見出した。
そこで、本発明者らは、運転中（ＳＯＦＣの発電中）において、浄化触媒の耐久性の低下を抑制できるＳＯＦＣシステムについて検討し、その結果、本発明に至った。そして本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。
本発明の第１の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、供給された発電原料を改質し、アノードガスとして水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器で生成された前記アノードガスと、酸素を含むカソードガスとから電気化学反応により発電する固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池から排出されたアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、排ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器により生成された排ガスの有する熱により加熱されるとともに、該排ガスに含まれる浄化すべき物質を除去するための浄化触媒を有した浄化器と、制御器と、を備え、前記浄化器の温度は、運転時に、１５０℃以上２５０℃以下であり、前記制御器は、前記浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させる。
上記構成によると、制御器が浄化器の温度を、例えば固体酸化物型燃料電池の運転時において、所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができるため、硫黄被毒により低下した浄化触媒の活性を回復させることができる。したがって、本発明の第１の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、浄化器が有する浄化触媒の耐久性の低下を抑制できるという効果を奏する。省エネルギーの観点から、発電時（例えば、定格運転時）に浄化器の温度を昇温させることが望ましい。
ここで、定格運転とは、固体酸化物型燃料電池システムにおいて、定格運転条件に従って固体酸化物型燃料電池の発電を行うことであり、定格運転条件とは、所定の発電量を得るために指定された運転条件である。
また、本発明の第２の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記固体酸化物型燃料電池に前記カソードガスを供給するためのカソードガス供給器を備え、前記制御器は、前記固体酸化物型燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を下げるように前記カソードガス供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる構成であってもよい。
上記構成によると制御器によってカソードガス供給器が供給するカソードガスの流量を下げるように制御することができる。このため、カソードガスによって奪われる排ガスの熱量を低減させることができ浄化器を加熱する排ガスの温度を昇温させることができる。よって、本発明の第２の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
また、本発明の第３の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記固体酸化物型燃料電池に前記カソードガスを供給するためのカソードガス供給器を備え、前記制御器は、前記固体酸化物型燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を上げるように前記カソードガス供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる構成であってもよい。
上記構成によると制御器によってカソードガス供給器が供給するカソードガスの流量を上げるように制御することができる。ここで、カソードガスの流量を上げると該カソードガスにより奪われる排ガスの熱量は増加するが、燃焼器において生成される排ガスの流量も増加させることができる。ここで、カソードガスにより奪われる排ガスの熱量よりも、排ガスの有する熱量の増加分の方が大きくなる場合、結果的には浄化器に供給する排ガスを昇温させることができる。よって本発明の第３の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
また、本発明の第４の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記制御器は、前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を下げるように制御し、前記浄化器の温度を昇温させる構成であってもよい。
上記構成によると制御器が固体酸化物型燃料電池の発電出力を下げるように制御するため、アノードオフガス中に含まれる発電に未利用のアノードガスの流量を増加させることができる。つまり、燃焼器の燃焼に利用できる発電に未利用のアノードガスの流量を増やすことができるため、燃焼器で生成される排ガスの温度を上昇させることができる。このため、結果的には浄化器に供給する際の排ガスの温度を上昇させることができ、浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
また、本発明の第５の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記改質器に前記発電原料を供給するための発電原料供給器を備え、前記制御器は、前記改質器に供給される前記発電原料の流量を上げるように前記発電原料供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる構成であってもよい。
上記構成によると制御器が改質器に供給する発電原料の流量を上げるように発電原料供給器を制御するため、燃焼器の燃焼に利用できる発電に未利用のアノードガスの流量を増やすことができる。よって、燃焼器で生成する排ガス温度を上昇させることができる。このため、結果的には浄化器に供給する際の排ガスの温度を上昇させることができ、浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
また、本発明の第６の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、上記した第１または第２の態様において、前記改質器における前記発電原料の改質に利用するための改質用水を供給する改質用水供給器と、前記改質用水供給器によって供給された前記改質用水を前記排ガスが有する熱を利用して気化させ、水蒸気を生成させる蒸発器と、を備え、前記制御器は、前記蒸発器に供給する前記改質用水の流量を下げるように前記改質用水供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる構成であってもよい。
上記構成によると制御器が蒸発器に供給する前記改質用水の流量を下げるように前記改質用水供給器を制御するため、蒸発器において改質用水を気化させるために利用する熱量を低減させることができる。このため、排ガスの温度を上昇させることができ、浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
また、本発明の第７の態様に係る固体酸化物型燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記浄化器の温度を検知する温度検知部と、前記浄化器を加熱する加熱器と、をさらに備え、前記制御器は、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記浄化器を昇温させた際に３００℃に満たないと判定した場合、前記加熱器を制御して、前記浄化器を加熱させる構成であってもよい。
上記構成によると加熱器を備えるため温度検知部の検知結果に基づき浄化器の温度が３００℃に満たない場合は、３００℃となるまで浄化器を加熱することができる。このため、確実に浄化器を３００℃以上に昇温させることができる。
以下、実施の形態の具体例について、図面を参照して説明する。
[実施の形態]
（ＳＯＦＣシステムの構成）
まず、図１を参照して実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の構成の一例を示す図である。
実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００は、図１に示すようにＳＯＦＣ１と、発電原料供給器２と、カソードガス供給器３と、改質用水供給器４と、改質器５と、燃焼器６と、空気熱交換器７と、蒸発器８と、制御器９と、を備えてなる構成である。
改質器５は、供給された発電原料を改質し、アノードガスとして水素含有ガスを生成する。すなわち、発電原料供給器２が発電原料を、原料供給路１１を通じて蒸発器８に供給する。また、改質用水供給器４が改質用水を、水供給路１３を通じて蒸発器８に供給する。なお、制御器９からの制御指示に応じて、発電原料供給器２は供給する発電原料の流量を調節できる構成となっている。また、制御器９からの制御指示に応じて、改質用水供給器４は供給する改質用水の流量を調節できる構成となっている。
蒸発器８は、供給された改質用水を気化させ、供給された発電原料と混合させて改質器５に供給する。そして、水蒸気と発電用原料との混合ガスが供給されると、改質器５では水蒸気改質反応により水素含有ガス（アノードガス）を生成する。そして、改質器５は、生成したアノードガスを、アノードガス経路１４を通じてＳＯＦＣ１に供給する。
なお、改質器５において実施される改質反応は、上述したように、水蒸気改質反応に限定されるものではない。例えば、図１では特に図示していないが改質器５に空気をさらに供給できる構成とする。そして、改質器５は、この供給された空気を利用してオートサーマル法などにより水素含有ガスを生成する構成であってもよい。
また、ＳＯＦＣシステム１００に供給される発電用原料は、少なくとも炭素および水素を構成元素とする有機化合物を含むものであればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧなど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ガス、炭化水素、あるいはメタノールなどのアルコールを例示することができる。そして、上記した改質器５は、発電用原料を、例えばＲｕ触媒やＮｉ触媒を用いて、水蒸気と反応（改質反応）させることによって水素含有ガスを生成させる。
また、発電用原料中に、付臭剤として硫黄化合物が添加されている場合、あるいは原料由来の硫黄化合物が含まれている場合、改質器５で用いられるＲｕ触媒やＮｉ触媒といった触媒を被毒劣化させたり、燃料電池のアノード（燃料極）を被毒し、燃料電池の性能低下を引き起こしたりする恐れがある。このため、発電用原料中に硫黄化合物が含まれる場合は、改質器５の前段において、発電用原料から硫黄化合物を除去するための脱硫器（不図示）をさらに備える構成としてもよい。
ＳＯＦＣ１は、改質器５で生成されたアノードガスと酸素を含むカソードガスとから電気化学反応により発電する。つまり、ＳＯＦＣ１のアノードにはアノードガス経路１４を通じて改質器５からアノードガスが供給される。一方、ＳＯＦＣ１のカソードには、カソードガス経路１２を通じてカソードガス供給器３からカソードガスが供給される。そして、ＳＯＦＣ１は、これら供給されたアノードガスおよびカソードガスを利用して発電を行う。ＳＯＦＣ１は、燃焼器６に、発電に未利用のアノードガスを含むアノードオフガスと、発電に未利用のカソードガスを含むカソードオフガスとを排出する。なお、制御器９からの制御指示に応じて、カソードガス供給器３は供給するカソードガスの流量を調節できる構成となっている。
燃焼器６は、不図示の着火器を備えており、着火器によってＳＯＦＣ１から排出されたアノードオフガスに着火し、ＳＯＦＣ１から排出されたカソードオフガスとともに燃焼させ、排ガスを生成する。燃焼器６によって生成された排ガスは、排気通路１５を流通し、浄化器１６を介して系外に排出される。
なお、燃焼器６で生成された排ガスは、改質器５、蒸発器８、および空気熱交換器７をそれぞれ流通し、排ガスが浄化器１６に至る前に排ガスの有する熱により改質器５および蒸発器８を所定温度となるように昇温する。また、排ガスは空気熱交換器７においてＳＯＦＣ１に供給される前のカソードガスと熱交換を行い、該カソードガスを予熱することができるように構成されている。
また、排ガスが有する熱を有効利用するために、ＳＯＦＣシステム１００は、図１に示すように、ＳＯＦＣ１、改質器５、燃焼器６、空気熱交換器７、蒸発器８それぞれを、断熱部材によって覆われた、いわゆるホットモジュールと称される筐体１０内に、収容した構成となっている。
浄化器１６は、排ガスの有する熱により加熱され、該排ガスに含まれる浄化すべき物質を除去するための浄化触媒を有する。浄化器１６は、排気通路１５の出口付近に設けられており、改質器５、空気熱交換器７、および蒸発器８等により保有する熱の一部が消費された排ガスが流通する。排ガスが流通する際に、該排ガスが有する熱により浄化触媒が昇温させられる一方、該浄化触媒によって排ガス中に含まれる浄化すべき物質を除去する。このため、浄化器１６の温度（浄化触媒の温度）は排ガス温度に比例する関係にあるといえる。本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、その運転条件、筐体１０からの放熱および伝熱など諸条件によって変動するが、定格運転条件下でのＳＯＦＣ１の発電中における浄化器１６の温度（浄化触媒の温度）は、約１５０℃以上、２５０℃以下の温度範囲内に収まる。なお、排ガス中に含まれる浄化すべき物質としては、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素、窒化酸素（ＮＯｘ）等が挙げられる。
（浄化触媒の活性状態）
ところで、上記したように排ガス中には微量の二酸化硫黄（ＳＯ２）が含まれているため、ＳＯ２により浄化触媒が劣化される可能性がある。ここで、図２を参照して、ＳＯ２被毒前後における浄化触媒の活性状態の相違について説明する。図２は、ＳＯ２被毒前とＳＯ２被毒後との浄化触媒の活性状態の一例を示すグラフである。図２では、横軸を浄化触媒温度（℃）とし、縦軸を排気通路１５の出口におけるＣＯ濃度（ｐｐｍ）とし、触媒温度に対するＣＯ濃度の変動（温度依存性）を示す。
ここでは、浄化触媒として４００ＣＰＳＩ（cells per square inch）のハニカムに担持したＰｔ／Ａｌ２Ｏ３触媒を用いた。また、空間速度（ＳＶ；Space Velocity）がＧＨＳＶ＝６００００ｈ−１で、ＣＯ−１０００ｐｐｍ，ＣＯ２−３．６％，Ｏ２−７．７％，Ｎ２−６５．９％，Ｈ２Ｏ−２２．６％を含む排ガスを流通させ、浄化触媒の上流に熱電対を設置し、浄化触媒の温度が２００℃以下となる場合におけるＣＯ濃度の温度依存性を調べた。その後、１３．５ｐｐｍのＳＯ２を浄化器１６に供給し、排ガス温度が２００℃の状態で４８時間反応させた後、ＳＯ２の供給を停止させた。そして、浄化触媒の温度が２００℃以下となる場合におけるＣＯ濃度の温度依存性を調べた。
図２に示すように、浄化触媒がＳＯ２に被毒する前は、触媒温度が２００℃以下となるいずれの温度帯でも、排気通路１５の入口におけるＣＯ濃度１０００ｐｐｍに対して、出口におけるＣＯ濃度は約０ｐｐｍを維持していた。すなわち、浄化触媒の活性が維持されていた。それに対して、浄化触媒がＳＯ２に被毒した後では、浄化触媒の温度が１８０℃以下ではＣＯ濃度が急激に大きくなり浄化触媒の活性が示されなくなったことを確認した。
続いて、浄化触媒がＳＯ２に被毒した後に、触媒反応条件下で浄化触媒を所定温度まで昇温した場合における浄化触媒の活性状態について図３を参照して説明する。所定温度としては３００℃以上、特には３５０℃まで浄化触媒を昇温した場合について説明する。図３は、ＳＯ２被毒後に所定温度まで浄化触媒を昇温させた場合の浄化触媒の活性状態の一例を示すグラフである。
図３では、図２と同様に横軸を触媒温度（℃）とし縦軸を排気通路１５の出口におけるＣＯ濃度（ｐｐｍ）とし、浄化触媒の温度に対するＣＯ濃度の変動（温度依存性）を示す。なお、ＳＯＦＣシステム１００における浄化触媒の昇温は、浄化器１６に供給される排ガスの有する熱を利用して行われる。したがって、浄化触媒を昇温させるためには浄化器１６に供給する排ガス温度を上昇させる必要がある。排ガス温度を上昇させる構成についての詳細は後述する。
図３に示すように、ＳＯ２被毒後に浄化触媒を所定温度として３００℃以上（ここでは３５０℃）まで昇温させ、その後の浄化触媒の温度低下と排気通路１５の出口におけるＣＯ濃度の変化とを観察した。図３に示すようにＳＯ２被毒後に浄化触媒を所定温度として３５０℃まで昇温した結果、浄化触媒の温度が１４０℃以下となると、排気通路１５の出口におけるＣＯ濃度が急激に大きくなっており浄化触媒の活性が示されなくなったことを確認した。一方、ＳＯ２被毒後に浄化触媒を２００℃まで昇温させた場合、すなわち定格運転条件下での運転中の触媒温度とした場合は、図３に示すように浄化触媒の温度が１８０℃以下となるとＣＯ濃度が急激に大きくなり浄化触媒の活性が示されなくなったことを確認した。これらの観察結果から、ＳＯ２被毒後に浄化触媒を所定温度として３００℃以上、特には３５０℃まで昇温した結果、浄化触媒は１４０℃に至るまで触媒活性を維持することができることが分かった。つまり、ＳＯ２被毒後の浄化触媒を昇温させ、所定温度（３００℃以上、特には３５０℃）とすることで、ＳＯ２被毒により低下した浄化触媒の活性を再生（回復）できることを確認した。
なお、浄化触媒の昇温は、定格運転時に限定されず、定格運転ではない運転時に行っても良い。停止時に行うことも可能である。
上記した結果に基づき、本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００では、該ＳＯＦＣシステム１００の定格運転条件下での運転中に、浄化器１６が有する浄化触媒を一時的に所定時間の間、所定温度まで昇温させることで、浄化触媒を再生（回復）させることができる構成とした。具体的には、ＳＯＦＣシステム１００では、以下の実施例１〜６のいずれかの構成により、所定のタイミングで排ガス温度を上昇させ、浄化器１６が有する浄化触媒を所定温度まで昇温させる。
また、本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００は、運転状況を表示する表示器２４を備えていてもよい。表示器２４は、たとえば、リモコン、本体ランプが挙げられる。浄化器１６が有する浄化触媒を所定温度まで昇温させるときは、表示器２４は触媒を昇温させる運転が行われていることを表示してもよい。具体的には、暖機中、クリーンアップ中などと表示する。
なお、本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００は、一例として、以下の定格運転条件により運転しているものとして説明する。すなわち、発電原料供給器２から供給される発電原料の流量が２．０８ＮＬＭ、カソードガス供給器３から供給されるカソードガスの流量が４９ＮＬＭであるとする。また、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する際の発電原料と水蒸気との量論比（Ｓ／Ｃ）＝２．５とし、ＳＯＦＣ１の発電出力を７００Ｗとする。また、筐体１０からの適切な放熱量および伝熱面積などを設定した結果、発電中において、浄化器１６に供給される排ガスの温度は２４０℃となるものとする。
（実施例１）
本実施の形態の実施例１に係るＳＯＦＣシステム１００では、上記した定格運転条件において、ＳＯＦＣシステム１００に供給するカソードガスの流量を低下させることで浄化器１６が有する浄化触媒を、一時的に、所定時間の間、所定温度まで昇温させる構成としてもよい。なお、所定時間とは例えば、３０分〜１時間とし、所定温度とは例えば、３００℃以上とすることができる。
すなわち、ＳＯＦＣシステム１００では、定格運転条件下での運転中（ＳＯＦＣ１の発電時）において、所定のタイミングで制御器９がＳＯＦＣ１に供給されるカソードガスの流量を低下させるようにカソードガス供給器３を制御し、排ガス温度を上昇させて浄化器１６を昇温させる。実施例１に係るＳＯＦＣシステム１００では、供給するカソードガスの流量を定格運転条件よりも小さくすることで、例えば、空気熱交換器７においてカソードガスと排ガスとの間で熱交換する熱量を低減させることができ、排ガスの温度を昇温させることができる。このため、浄化器１６が有する浄化触媒の温度を、所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
（実施例２）
本実施の形態の実施例２に係るＳＯＦＣシステム１００では、上記した定格運転条件において、ＳＯＦＣシステム１００に供給するカソードガスの流量を上げることで浄化器１６が有する浄化触媒を、一時的に、所定時間の間、所定温度まで昇温させる構成としてもよい。
すなわち、ＳＯＦＣシステム１００では、定格運転条件下での運転中において、所定のタイミングで制御器９がＳＯＦＣ１に供給するカソードガスの流量を上げるようにカソードガス供給器３を制御し、排ガス温度を上昇させて浄化器１６を昇温させる。実施例２に係るＳＯＦＣシステム１００では、供給するカソードガスの流量を定格運転条件よりも大きくさせるため、空気熱交換器７におけるカソードガスと排ガスとの熱交換では、排ガスからカソードガスに伝熱する熱量は増加する。しかしながら、供給するカソードガスの流量を大きくすることで燃焼器６において生成される排ガスの流量も増加させることができる。ここで、カソードガスにより奪われる排ガスの熱量よりも、排ガスの有する熱量の増加分の方が大きくなる場合、結果的には浄化器１６に供給する排ガスを昇温させることができる。このため、浄化器１６が有する浄化触媒の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
（実施例３）
本実施の形態の実施例３に係るＳＯＦＣシステム１００では、上記した定格運転条件において、ＳＯＦＣ１の発電出力を下げることで浄化器１６が有する浄化触媒を、一時的に、所定時間の間、所定温度まで昇温させる構成としてもよい。
すなわち、ＳＯＦＣシステム１００では、定格運転条件下での運転中において、所定のタイミングで制御器９がＳＯＦＣ１の発電出力を下げるように制御し、排ガス温度を上昇させて浄化器１６を昇温させる。なお、このとき、供給される発電原料およびカソードガスの流量は、定格運転条件のままであり、発電出力のみを下げる。このため、アノードオフガス中に含まれる発電に未利用のアノードガスの流量を増加させることができる。このように、燃焼器６の燃焼に利用できる、発電に未利用のアノードガスの流量を増やすことができるため、燃焼器６で生成される排ガスの温度を上昇させることができる。換言すると発電に利用される燃料利用率（ＵＦ）を下げ、発電に利用すべき燃料（アノードガス）の一部を燃焼器６における燃焼に用いて排ガスの有する熱量を増やしているといえる。このため、定格運転条件下での運転中よりも排ガスの温度を高くすることができ、結果として浄化器１６が有する浄化触媒の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させることができる。
（実施例４）
本実施の形態の実施例４に係るＳＯＦＣシステム１００では、改質器５に供給する発電原料の流量を上げることで浄化器１６が有する浄化触媒を、一時的に、所定時間の間、所定温度まで昇温させる構成としてもよい。
すなわち、ＳＯＦＣシステム１００では、定格運転条件下での運転中において、所定のタイミングで制御器９が改質器５に供給する発電原料の流量を上げるように、発電原料供給器２を制御し、排ガス温度を上昇させて浄化器１６を昇温させる。このため、燃焼器６の燃焼に利用できる、発電に未利用のアノードガスの流量を増やすことができる。よって、燃焼器６で生成する排ガス温度を上昇させることができる。つまり、発電に利用される発電原料（アノードガス）が占める割合を下げ、燃焼器６において燃焼させる発電原料（アノードガス）の割合を増加させている。換言すると実施例３と同様に、発電に利用される燃料利用率（ＵＦ）を下げ、発電に利用される燃料（アノードガス）のうち、燃焼器６での燃焼に用いられる割合を増やすことで排ガスの有する熱量を増やしているといえる。このため、定格運転条件下で運転している時よりも排ガスの温度を高くすることができ、結果として浄化器１６が有する浄化触媒を昇温させることができる。
なお、本発明者らは、定格運転条件における発電原料の流量（２．０８ＮＬＭ）を、例えば、４．０ＮＬＭまで上げることで、排ガスの温度を８００℃まで上昇させることができ、浄化器１６の浄化触媒を３５０℃以上に昇温させることができることを確認した。
（実施例５）
本実施の形態の実施例５に係るＳＯＦＣシステム１００では、蒸発器８で生成する水蒸気量を低下させ、Ｓ／Ｃの値を下げることで浄化器１６が有する浄化触媒を、一時、所定時間の間、所定温度まで昇温させる構成としてもよい。ここで、Ｓ／Ｃの値を下げるということは、蒸発器８に供給する改質用水の流量を減少させるということである。
そこで、ＳＯＦＣシステム１００では、定格運転条件下での運転中において、所定のタイミングで制御器９が蒸発器８に供給する改質用水の流量を下げるように改質用水供給器４を制御し、排ガス温度を上昇させて浄化器１６を昇温させる。つまり、Ｓ／Ｃの値を下げる、すなわち、改質用水の供給量を減少させることができるため、蒸発器８において改質用水を気化させるために利用する熱量を低減させることができる。このため、定格運転条件下での運転時よりも排ガスの温度を高くすることができ、結果として浄化器１６が有する浄化触媒を昇温させることができる。
なお、本発明者らは、定格運転条件のＳ／Ｃの値（Ｓ／Ｃ＝２．５）をＳ／Ｃ＝２．２まで下げることで、浄化器１６に供給される排ガスの温度を３５０℃以上に昇温させることができることを確認した。
（実施例６）
ところで、上記した実施例１〜５のうち実施例１〜３については、増減させるカソードガスの流量や低下させる発電出力の大きさによっては浄化器１６に供給する排ガスを、３５０℃まで昇温させることができない場合がある。例えば、実施の形態の実施例１に係るＳＯＦＣシステム１００のように、カソードガスの流量を定格運転条件の４９ＮＬＭから１０ＮＬＭまで下げた場合では、排ガス温度は約２７０℃まで昇温させることができるが、３５０℃には満たないことが確認できた。また、実施の形態の実施例２に係るＳＯＦＣシステム１００のように、カソードガスの流量を定格運転条件の４９ＮＬＭから７０ＮＬＭまで上げた場合では、排ガス温度は約２９０℃まで昇温させることができるが、３５０℃には満たないことが確認できた。さらにまた、実施の形態の実施例３に係るＳＯＦＣシステム１００のように、ＳＯＦＣ１の発電出力を定格運転条件の７００Ｗから２００Ｗまで下げた場合、排ガスの温度は約２５０℃まで昇温させることができるが、３５０℃には満たないことが確認できた。
そこで、実施の形態の実施例６に係るＳＯＦＣシステム１００では、図４に示すように、図１に示す実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００の構成においてさらに、浄化器１６の温度を検知する温度検知部２１と、浄化器１６を加熱する加熱器２２とを備えた構成としてもよい。図４は本発明の実施の形態の実施例６に係るＳＯＦＣシステム１００の構成の一例を示す図である。
なお、実施の形態の実施例６に係るＳＯＦＣシステム１００は、温度検知部２１と加熱器２２とをさらに備える点を除けば、図１に示す実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００と同じ構成である。このため、実施の形態の実施例６に係るＳＯＦＣシステム１００は、図１に示す実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００と同じ部材には同じ符号を付しその説明は省略する。なお、温度検知部２１としては、例えば、熱電対等を利用することができる。
まず、制御器９からの制御指示に応じて、例えば、カソードガス供給器３が供給するカソードガスの流量を上げる、あるいは下げることで浄化器１６の温度を上昇させたり、ＳＯＦＣ１の発電出力を低下させることで浄化器１６の温度を上昇させたりしたとする。そのとき制御器９は、浄化器１６に設けられた温度検知部２１の検知結果に基づき、浄化器１６が例えば３５０℃に満たないと判定した場合、加熱器２２を起動させて浄化器１６の温度が３５０℃に達するまで加熱させる。つまり、実施の形態の実施例６に係るＳＯＦＣシステム１００では、浄化器１６の温度不足分については加熱器２２により浄化器１６を加熱させることにより、３５０℃まで浄化器１６を加熱させることができる。
本発明は、排ガス中に含まれる浄化すべき物質を除去する浄化触媒を備えた固体酸化物型燃料電池システムにおいて広く利用できる。
２ 発電原料供給器
３ カソードガス供給器
４ 改質用水供給器
５ 改質器
６ 燃焼器
７ 空気熱交換器
８ 蒸発器
９ 制御器
１０ 筐体
１１ 原料供給路
１２ カソードガス経路
１３ 水供給路
１４ アノードガス経路
１５ 排気通路
１６ 浄化器
２１ 温度検知部
２２ 加熱器
２４ 表示器
１００ ＳＯＦＣシステム

Claims (8)

  1. 供給された発電原料を改質し、アノードガスとして水素含有ガスを生成する改質器と、
    前記改質器で生成された前記アノードガスと、酸素を含むカソードガスとから電気化学反応により発電する固体酸化物型燃料電池と、
    前記固体酸化物型燃料電池から排出されたアノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させ、排ガスを生成する燃焼器と、
    前記燃焼器により生成された排ガスの有する熱により加熱されるとともに、該排ガスに含まれる浄化すべき物質を除去するための浄化触媒を有した浄化器と、
    制御器と、を備え、
    前記浄化器の温度は、運転時に、１５０℃以上２５０℃以下であり、
    前記制御器は、前記浄化器の温度を所定時間の間、３００℃以上に昇温させる、固体酸化物型燃料電池システム。
  2. 前記固体酸化物型燃料電池に前記カソードガスを供給するためのカソードガス供給器を備え、
    前記制御器は、前記固体酸化物型燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を下げるように前記カソードガス供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
  3. 前記固体酸化物型燃料電池に前記カソードガスを供給するためのカソードガス供給器を備え、
    前記制御器は、前記固体酸化物型燃料電池に供給される前記カソードガスの流量を上げるように前記カソードガス供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
  4. 前記制御器は、前記固体酸化物型燃料電池の発電出力を下げるように制御し、前記浄化器の温度を昇温させる請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
  5. 前記改質器に前記発電原料を供給するための発電原料供給器を備え、
    前記制御器は、前記改質器に供給される前記発電原料の流量を上げるように前記発電原料供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
  6. 前記改質器における前記発電原料の改質に利用するための改質用水を供給する改質用水供給器と、
    前記改質用水供給器によって供給された前記改質用水を前記排ガスが有する熱を利用して気化させ、水蒸気を生成させる蒸発器と、を備え、
    前記制御器は、前記蒸発器に供給する前記改質用水の流量を下げるように前記改質用水供給器を制御し、前記浄化器の温度を昇温させる請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
  7. 前記浄化器の温度を検知する温度検知部と、
    前記浄化器を加熱する加熱器と、をさらに備え、
    前記制御器は、前記温度検知部の検知結果に基づき、前記浄化器を昇温させた際に３００℃に満たないと判定した場合、前記加熱器を制御して、前記浄化器を加熱させる、請求項２から４のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
  8. 燃料電池の運転状態を表示する表示器をさらに備え、
    前記表示器は、前記浄化器の温度を３００℃以上に昇温している間、当該動作中であることを表示する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
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