JP5078698B2 - 燃料電池システムの負荷追従運転方法 - Google Patents
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Description
予め、該燃料電池の複数の電気出力Pi(iは1以上M以下の整数、ただしMは2以上の整数)と、各Piに対応する炭化水素系燃料の流量Fiと、を設定しておき、
ただし、各Fiは対応する電気出力Piを燃料電池で出力するために改質触媒層に供給することが必要な炭化水素系燃料の流量であり、各Piは0以上であってiの増加に伴ってPiが増加し、各Fiは0より大きく、
iがMである場合のPiであるPMは燃料電池の最大電気出力であり、
全てのFiのうちの最小値をFminと表し、
かつ、予め、改質触媒層の複数の温度Tj(jは1以上N以下の整数、ただしNは2以上の整数)と、各Tjに対応する炭化水素系燃料の流量Gjと、を設定しておき、
ただし、各Gjは対応する改質触媒層温度Tjにおいて改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量であり、各Gjは0より大きく、jの増加に伴ってGjは同じ値であるか増加し、
A)改質触媒層の温度Tを測定する工程、
B)温度Tの改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量である改質可能流量FRとして、前記温度T以下で最も大きいTjに対応するGjを採用する工程、
C)前記改質可能流量FRが、前記最小値Fminより小さい場合、燃料電池における発電を停止する工程、
D)前記改質可能流量FRが、前記最小値Fmin以上である場合に、
燃料電池出力要求値PDが、前記最大電気出力PM以下であれば工程d1を行ない、燃料電池出力要求値PDが、前記最大電気出力PMを超えていれば工程d2を行なう工程、
d1)全Piのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPiがあれば、PDに等しいPiに対応するFiをFDSとし、
全Piのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPiがなければ、PDを超える最も小さいPiに対応するFiと、PD未満で最も大きいPiに対応するFiと、のうちの小さくない方をFDSとし、
FDSが前記改質可能流量FR以下である場合、燃料電池の電気出力をPDとするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFDSとし、
FDSが前記改質可能流量FRを超えている場合、
燃料電池出力要求値PD未満かつFR以下のFiに対応するPiがあれば、燃料電池の電気出力を、PD未満かつFR以下のFiに対応するPiのうちの最大値とするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、この最大値に対応するFiとし、
燃料電池出力要求値PD未満かつFR以下のFiに対応するPiが無ければ、燃料電池の発電を停止するとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとする工程、
d2)最大電気出力PMに対応するFiであるFMが、前記改質可能流量FR以下である場合、燃料電池の電気出力をPMとするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFMとし、
最大電気出力PMに対応するFiであるFMが、前記改質可能流量FRを超えている場合、
FR以下のFiに対応するPiがあれば、燃料電池の電気出力を、FR以下のFiに対応するPiのうちの最大値とするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、この最大値に対応するFiとし、
FR以下のFiに対応するPiが無ければ、燃料電池の発電を停止するとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとする工程、
を有する燃料電池システムの負荷追従運転方法が提供される。
図1に、本発明を実施することのできる間接内部改質型SOFCの一形態を模式的に示す。ここでは、間接内部改質型SOFCシステムについて説明するが、本発明は外部改質型SOFCシステムあるいはMCFCシステムについても適用可能である。
本発明では、予め、燃料電池の複数の電気出力Pi(iは1以上M以下の整数、ただしMは2以上の整数)と、各Piに対応する炭化水素系燃料の流量Fiとを、設定しておく。
実際に負荷変動運転を行なう際には、改質触媒層の温度を測定する工程Aを行なう。この測定は、負荷追従運転を行う間継続して行なうことができる。
工程Bでは、温度T(工程Aで測定した温度)の改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量(改質可能流量FR)として、温度T以下で最も大きいTjに対応するGjを採用する。つまり、予め設定したTjのうち、測定した温度T以下の範囲で最も大きいTjを選ぶ。そして、予め設定したTjとGjとの対応関係から、選んだTjに対応するGjを求め、このGjを改質可能流量FRとする。
工程Bで求めた改質可能流量FRが、前記最小値Fminより小さい場合、燃料電池における発電を停止する。つまり、FR<Fminのとき、最低限必要な改質ガスを改質できないことになるので、燃料電池の電気出力をゼロにする。このとき、少なくともFR≧Fminとなるまで、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質触媒層を昇温することができる。FR≧Fminとなったら、工程D以降を行うことができる。
工程Bで算出した改質可能流量FRが、前記最小値Fmin以上である場合に、工程Dを行なう。
工程d1では、まず、さらなる判断を行なうためにFDSという値を求める。ここで、FDSは、安全側に改質可否を判断するために求められる、燃料電池出力要求値PDに近いPiに対応する炭化水素系燃料の流量という意味合いを持つ。
FDSが改質可能流量FR以下である場合、燃料電池の電気出力をPDとするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFDSとする。FDS≦FRは、流量FDSの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質可能であることを意味する。
FDSが前記改質可能流量FRを超えている場合は次の(1)または(2)の工程を行なう。FDS>FRは、流量FDSの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質しきれないことを意味する。
この場合、燃料電池の電気出力を、そのPi(PD未満かつFR以下のFiに対応するPi)のうちの最大値とするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、この最大値に対応するFiとする。この操作は、できるだけの電気出力を燃料電池で出力することを意図している。
この場合、燃料電池の発電を停止するとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとする。ここで改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとするのは、運転継続のためである。この操作の後、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質器(改質触媒層)を昇温して、FRが大きくなる(FDS≦FRとなる)のを待つことができる。FDS≦FRとなったら、工程D以降を行うことができる。
前述のように、工程d2は、燃料電池出力要求値PDに対して、燃料電池の電気出力が不足すると判断される場合に行なう。
FMが前記改質可能流量FR以下である場合、燃料電池の電気出力をPMとするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFMとする。FM≦FRは、流量FMの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質可能であることを意味する。
FMが前記改質可能流量FRを超えている場合、次の(3)または(4)の工程を行なう。FM>FRは、流量FMの炭化水素系燃料を、改質触媒層において改質しきれないことを意味する。
この場合、燃料電池の電気出力を、FR以下のFiに対応するPiのうちの最大値とするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、この最大値に対応するFiとする。この操作は、できるだけの電気出力を燃料電池で出力することを意図している。
この場合、燃料電池の発電を停止するとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとする。ここで改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとするのは、運転継続のためである。この操作の後、改質器に付設されたヒータやバーナなどで改質器(改質触媒層)を昇温して、FRが大きくなる(FDS≦FRとなる)のを待つことができる。FDS≦FRとなったら、工程D以降を行うことができる。
以下、或る一つの燃料電池システムの負荷追従運転を行なう際に、様々な条件において、どのように運転するかについて具体例を挙げて説明する。ただし、本発明はこれによって限定されるものではない。
・Tjの設定の仕方
触媒層の測定温度TがTjのうちの最小値より小さい場合、工程Bが実施不可能となるため、Tjの最小値は、できるだけ小さい方がより好ましく、例えば、改質可能な炭化水素系燃料の流量がゼロを超える温度のうちの最低温度することができる。
Gjは対応する改質触媒層温度Tjにおいて改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量である。したがって、改質触媒層の温度が温度Tjのときの、改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量Gjを予め求め、TjとGjとの対応関係を予め設定する。以下、Gjの求め方について、説明する。
負荷追従運転の間、必ずしも同じ種類の改質を行う必要はない。より詳しくは、負荷追従運転の間、炭化水素系燃料の流量を段階的に変更して改質を行なうことができるが、各段階において必ずしも同じ種類の改質を行なう必要はない。
炭化水素系燃料としては、改質ガスの原料として高温型燃料電池の分野で公知の、分子中に炭素と水素を含む(酸素など他の元素を含んでもよい)化合物もしくはその混合物から適宜選んで用いることができ、炭化水素類、アルコール類など分子中に炭素と水素を有する化合物を用いることができる。例えばメタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、LPG(液化石油ガス)、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等の炭化水素燃料、また、メタノール、エタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル等である。
本発明は、炭素析出による流路閉塞やアノード劣化が生じる可能性のある高温型燃料電池を備えるシステムに好適に適用することができる。このような燃料電池としては、SOFCやMCFCがある。
高温型燃料電池のなかでも、間接内部改質型SOFCはシステムの熱効率を高めることができる点で優れている。間接内部改質型SOFCは、水蒸気改質反応を利用して炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する改質器と、SOFCとを有する。この改質器では、水蒸気改質反応を行うことができ、また、水蒸気改質反応に部分酸化反応が伴うオートサーマルリフォーミングを行ってもよい。SOFCの発電効率の観点からは起動完了後、部分酸化反応は起きない方が好ましい。オートサーマルリフォーミングにおいても、起動完了後は水蒸気改質が支配的になるようにされ、従って改質反応はオーバーオールで吸熱になる。そして、改質反応に必要な熱がSOFCから供給される。改質器とSOFCが一つのモジュール容器に収容されモジュール化される。改質器はSOFCから熱輻射を受ける位置に配される。こうすることによって、発電時にSOFCからの熱輻射によって改質器が加熱される。また、SOFCから排出されるアノードオフガスをセル出口で燃焼させることにより、SOFCを加熱することもできる。
改質器は、炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスを製造する。
改質器で用いる水蒸気改質触媒、部分酸化改質触媒、オートサーマル改質触媒のいずれも、それぞれ公知の触媒を用いることができる。部分酸化改質触媒の例としては白金系触媒、水蒸気改質触媒の例としてはルテニウム系およびニッケル系、オートサーマル改質触媒の例としてはロジウム系触媒を挙げることができる。
以下、水蒸気改質、オートサーマル改質、部分酸化改質のそれぞれにつき、改質器における負荷追従運転時の条件について説明する。
本発明で用いる高温型燃料電池システムにおいて、高温型燃料電池システムの公知の構成要素は、必要に応じて適宜設けることができる。具体例を挙げれば、炭化水素系燃料に含まれる硫黄分を低減する脱硫器、液体を気化させる気化器、各種流体を加圧するためのポンプ、圧縮機、ブロワなどの昇圧手段、流体の流量を調節するため、あるいは流体の流れを遮断/切り替えるためのバルブ等の流量調節手段や流路遮断/切り替え手段、熱交換・熱回収を行うための熱交換器、気体を凝縮する凝縮器、スチームなどで各種機器を外熱する加熱/保温手段、炭化水素系燃料や可燃物の貯蔵手段、計装用の空気や電気系統、制御用の信号系統、制御装置、出力用や動力用の電気系統などである。
2 水気化器に付設された電気ヒータ
3 改質器
4 改質触媒層
5 熱電対
6 SOFC
7 イグナイター
8 モジュール容器
9 改質器に付設された電気ヒータ
Claims (4)
- 炭化水素系燃料を改質して水素を含有する改質ガスを製造する、改質触媒層を有する改質器と、該改質ガスを用いて発電を行う高温型燃料電池とを有する燃料電池システムの負荷追従運転方法であって、
予め、該燃料電池の複数の電気出力Pi(iは1以上M以下の整数、ただしMは2以上の整数)と、各Piに対応する炭化水素系燃料の流量Fiと、を設定しておき、
ただし、各Fiは対応する電気出力Piを燃料電池で出力するために改質触媒層に供給することが必要な炭化水素系燃料の流量であり、各Piは0以上であってiの増加に伴ってPiが増加し、各Fiは0より大きく、
iがMである場合のPiであるPMは燃料電池の最大電気出力であり、
全てのFiのうちの最小値をFminと表し、
かつ、予め、改質触媒層の複数の温度Tj(jは1以上N以下の整数、ただしNは2以上の整数)と、各Tjに対応する炭化水素系燃料の流量Gjと、を設定しておき、
ただし、各Gjは対応する改質触媒層温度Tjにおいて改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量であり、各Gjは0より大きく、jの増加に伴ってGjは同じ値であるか増加し、
A)改質触媒層の温度Tを測定する工程、
B)温度Tの改質触媒層において改質可能な炭化水素系燃料の流量である改質可能流量FRとして、前記温度T以下で最も大きいTjに対応するGjを採用する工程、
C)前記改質可能流量FRが、前記最小値Fminより小さい場合、燃料電池における発電を停止する工程、
D)前記改質可能流量FRが、前記最小値Fmin以上である場合に、
燃料電池出力要求値PDが、前記最大電気出力PM以下であれば工程d1を行ない、燃料電池出力要求値PDが、前記最大電気出力PMを超えていれば工程d2を行なう工程、
d1)全Piのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPiがあれば、PDに等しいPiに対応するFiをFDSとし、
全Piのうちに、燃料電池出力要求値PDに等しいPiがなければ、PDを超える最も小さいPiに対応するFiと、PD未満で最も大きいPiに対応するFiと、のうちの小さくない方をFDSとし、
FDSが前記改質可能流量FR以下である場合、燃料電池の電気出力をPDとするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFDSとし、
FDSが前記改質可能流量FRを超えている場合、
燃料電池出力要求値PD未満かつFR以下のFiに対応するPiがあれば、燃料電池の電気出力を、PD未満かつFR以下のFiに対応するPiのうちの最大値とするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、この最大値に対応するFiとし、
燃料電池出力要求値PD未満かつFR以下のFiに対応するPiが無ければ、燃料電池の発電を停止するとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとする工程、
d2)最大電気出力PMに対応するFiであるFMが、前記改質可能流量FR以下である場合、燃料電池の電気出力をPMとするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量をFMとし、
最大電気出力PMに対応するFiであるFMが、前記改質可能流量FRを超えている場合、
FR以下のFiに対応するPiがあれば、燃料電池の電気出力を、FR以下のFiに対応するPiのうちの最大値とするとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、この最大値に対応するFiとし、
FR以下のFiに対応するPiが無ければ、燃料電池の発電を停止するとともに、改質触媒層に供給する炭化水素系燃料の流量を、改質可能流量FRとする工程、
を有する燃料電池システムの負荷追従運転方法。 - 負荷追従運転の間、前記工程A〜Dを繰り返して行なう請求項1記載の方法。
- 前記炭化水素系燃料が、炭素数が2以上の炭化水素系燃料を含む請求項1または2記載の方法。
- 前記改質ガス中の、炭素数2以上の化合物の濃度が、質量基準で50ppb以下である請求項3記載の方法。
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