JP5299207B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。
燃料電池を備える燃料電池システムは、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得るシステムである。この燃料電池システムは、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
燃料電池で消費される水素は、例えば、改質器において生成される。改質器においては、炭化水素等の原燃料と改質水との水蒸気改質反応によって水素が生成される。水蒸気改質反応は化学反応のプロセスであるため、改質器に供給される原燃料および改質水の供給量が不安定になると生成水素量が不安定化する。そこで、特許文献1の技術では、水流量検出部によって検出された水供給量に基づいて、改質器用供給水量を制御する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、水流量を検出する流量計が必要となる。そのため、流量計に精度不良、故障等が生じると、誤った水量が検出されてしまうことになる。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて、供給量比を制御することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムにおいては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
温度センサは、燃焼室内に配置されていてもよい。この場合、改質器の熱容量が燃焼室内のガスの熱容量に比較して大きい場合に、温度変化を検出しやすくなる。
制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を制御目標値としてもよい。この場合、各機器のばらつき、経年変化等が生じても、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
制御部は、燃料電池セルの起動時に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を求めてもよい。この場合、燃料電池セルの起動ごとに、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
制御部は、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比を求めてもよい。この場合、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
本発明に係る他の燃料電池システムは、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、燃焼室内の温度を検出する温度センサと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、制御部は、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて、供給量比を制御することを特徴とするものである。本発明に係る他の燃料電池システムにおいては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度検出ステップと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの運転方法においては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
温度検出ステップは、燃焼室内の温度を検出するステップであってもよい。この場合、改質器の熱容量が燃焼室内のガスの熱容量に比較して大きい場合に、温度変化を検出しやすくなる。
制御ステップは、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を制御目標値とするステップであってもよい。この場合、各機器のばらつき、経年変化等が生じても、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
制御ステップは、燃料電池セルの起動時に、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を求めるステップであってもよい。この場合、燃料電池セルの起動ごとに、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
制御ステップは、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を増加させて温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比を求めるステップであってもよい。この場合、所定の時間周期で、原燃料の供給量に対する改質水の供給量の比を最適化することができる。
本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法は、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、燃焼室内の温度を検出する温度検出ステップと、改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の供給量比に基づいて供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムの他の運転方法においては、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
本発明によれば、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
(例1)
図1は、例1に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、制御部10、原燃料供給部20、改質水供給部30、酸化剤ガス供給部40、改質器50、燃焼室60、燃料電池セル70、温度センサ81、グロープラグ82、および熱交換器90を備える。
図1は、例1に係る燃料電池システム100の全体構成を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、制御部10、原燃料供給部20、改質水供給部30、酸化剤ガス供給部40、改質器50、燃焼室60、燃料電池セル70、温度センサ81、グロープラグ82、および熱交換器90を備える。
制御部10は、CPU(中央演算処理装置)、ROM(リードオンリメモリ)、RAM(ランダムアクセスメモリ)等から構成される。原燃料供給部20は、炭化水素等の原燃料を改質器50に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部30は、改質器50における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク31、改質水タンク31に貯蔵された改質水を改質器50に供給するための改質水ポンプ32等を含む。
酸化剤ガス供給部40は、燃料電池セル70のカソード71にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器50は、改質水を気化させるための気化部51、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部52を含む。燃料電池セル70は、カソード71とアノード72とによって電解質73が挟持された構造を有する。温度センサ81は、温度を検出するセンサであり、燃焼室60の内部に配置されている。グロープラグ82は、可燃成分に着火するための着火用グロープラグであり、燃焼室60の内部に配置されている。
続いて、図2〜図4を参照して、改質器50、燃焼室60、および燃料電池セル70の具体的な構成例について説明する。図2は、燃料電池セル70の断面を含む部分斜視図である。図2に示すように、燃料電池セル70は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体11の内部に、軸方向(長手方向)に沿って貫通する複数の燃料ガス通路12が形成されている。導電性支持体11の外周面における一方の平面上に、燃料極13、固体電解質14、および酸素極15がこの順に積層されている。酸素極15に対向する他方の平面上には、接合層16を介してインターコネクタ17が設けられ、その上に接触抵抗低減用のP型半導体層18が設けられている。燃料極13が図1のアノード72として機能し、酸素極15が図1のカソード71として機能する。
燃料ガス通路12に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極13に水素が供給される。一方、燃料電池セル70の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極15に酸素が供給される。それにより、酸素極15及び燃料極13において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、600℃〜1000℃で行われる。
酸素極:1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
燃料極:O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
酸素極:1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
燃料極:O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
酸素極15の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質14との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質14は、酸素極15から燃料極13へ酸素イオンO2−を移動させる機能を有する。固体電解質14は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質14は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化/還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極13は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ17は、燃料電池セル70同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。
例えば、酸素極15は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質14は、イオン導電性の高いY2O3を含有するZrO2(YSZ)等によって形成される。燃料極13は、電子導電性の高いNiとY2O3を含有するZrO2(YSZ)との混合物等によって形成される。インターコネクタ17は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したLaCrO3等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。
図3(a)は、燃料電池スタック装置200を示す斜視図である。図3(b)は、燃料電池スタック装置200の酸化剤ガス導入部材210を抜粋して示す斜視図である。図3(a)に示すように、燃料電池スタック装置200においては、マニホールド220の上に、2組の燃料電池スタック230(燃料電池セル70)が、互いの積層方向が略並行になるように並列配置されている。燃料電池スタック230は、固体酸化物形の燃料電池セル70が複数枚積層された構造を有する。
図3(a)のマニホールド220には、各燃料電池セル70の燃料ガス通路12に連通する孔が形成されている。それにより、マニホールド220を流動する燃料ガスが燃料ガス通路12に流入する。改質器50は、燃料電池スタック230のマニホールド220と反対側に配置されている。例えば、改質器50は、一方の燃料電池スタック230の積層方向に延び、一端側で折り返し、他方の燃料電池スタック230の積層方向に延びる構造を有する。
また、図3(b)に示すように、燃料電池スタック230同士の間には、酸化剤ガス導入部材210が配置されている。酸化剤ガス導入部材210には、酸化剤ガスが流動するための空間が形成されている。酸化剤ガス導入部材210のマニホールド220側端部には、孔211が形成されている。それにより、各燃料電池セル70の外側を酸化剤ガスが流動する。燃料電池セル70の燃料ガス通路12を燃料ガスが流動しかつ燃料電池セル70の外側を酸化剤ガスが流動することによって、燃料電池セル70において発電が行われる。
燃料電池セル70において発電に供された後の燃料ガス(燃料オフガス)と発電に供された後の酸化剤ガス(酸化剤オフガス)とは、各燃料電池セル70のマニホールド220と反対側の端部において合流する。燃料オフガスには未燃の水素等の可燃物が含まれていることから、燃料オフガスは、酸化剤オフガスに含まれる酸素を利用して燃焼する。本例においては、燃焼室60は、燃料電池セル70(燃料電池スタック230)の上端と改質器50との間において燃料オフガスが燃焼する空間のことをいう。
改質器50の上流側が気化部51として機能し、改質器50の下流側が改質部52として機能する。図3(c)に示すように、改質器50に炭化水素等の原燃料および改質水が供給されると、気化部51においては、改質水が蒸発して水蒸気が発生し、発生した水蒸気と炭化水素等の原燃料とが混合される。改質部52においては、触媒を介して水蒸気と炭化水素等の原燃料とが水蒸気改質反応を起こして燃料ガスが生成される。
続いて、図1〜図3を参照しつつ、燃料電池システム100の起動時の動作の概要を説明する。まず、酸化剤ガス供給部40は、制御部10の指示に従って、燃焼室60における燃焼に必要な酸化剤ガスを、燃料電池セル70のカソード71を経由して燃焼室60に供給する。次に、グロープラグ82は、制御部10の指示に従って、着火ヒータを加熱する。
着火ヒータの加熱後、原燃料供給部20は、制御部10の指示に従って、燃焼室60における燃焼に必要な原燃料ガスを、燃料電池セル70のアノード72を経由して燃焼室60に供給する。それにより、着火ヒータ近傍において、原燃料ガスが酸化剤ガスの酸素を利用して燃焼する。その結果、着火ヒータを基点として燃焼室60の全体に火炎が広がる。制御部10は、温度センサ81の検出結果に基づいて、改質部52の改質触媒温度を推定する。改質触媒の推定温度が水蒸気改質反応可能温度に到達した後、改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って改質水の供給を開始する。それにより、改質器50の改質部52は、燃焼室60で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池セル70のアノード72に供給される。それにより、燃料電池セル70において発電が開始される。
続いて、燃料電池システム100の通常発電時の動作の概要を説明する。原燃料供給部20は、制御部10の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質器50に供給する。改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って必要量の改質水を改質器50に供給する。改質器50において生成された燃料ガスは、燃料電池セル70のアノード72に供給される。
酸化剤ガス供給部40は、制御部10の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池セル70のカソード71に供給する。それにより、燃料電池セル70において発電が継続される。カソード71から排出された酸化剤オフガスおよびアノード72から排出された燃料オフガスは、燃焼室60に流入する。燃焼室60においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器50および燃料電池セル70に与えられる。このように、燃料電池システム100においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室60において燃焼させることができる。
熱交換器90は、燃焼室60から排出された排気ガスと熱交換器90内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク31に貯蔵される。温度センサ81は、燃焼室60の内部の温度を検知し、その結果を制御部10に与える。制御部10は、温度センサ81の結果に応じて、原燃料供給部20、改質水供給部30、および酸化剤ガス供給部40の少なくともいずれか1つを制御する。
ここで、改質部52への改質水の供給量について述べる。改質部52への改質水の供給量が過小になると、水蒸気に対して原燃料中のカーボン量が過剰になる。この場合、改質部52においてカーボンが析出しやすくなる。それにより、改質部52の改質機能が劣化する。一方で、改質部52への改質水の供給量が過剰になると、原燃料中のカーボン量に対して水蒸気量が過剰になる。この場合、改質部52の温度が低下する。それにより、改質効率が低下する。以上のことから、改質部52への改質水の供給量には適正な範囲が存在し、その範囲に改質水の供給量を制御することによって改質部52における改質効率低下を抑制することができる。適正な改質水量は、改質器50内の温度から得ることができる。この改質器50内の温度は、例えば、燃焼室60の温度から間接的に取得することができる。
しかしながら、燃焼室60の温度は、複数の要因で決定される。例えば、燃焼室60の温度は、改質水の気化部51における気化潜熱熱量、改質部52における水蒸気改質による吸熱反応熱量、燃焼室60における燃料オフガスの燃焼熱量、燃焼室60における燃焼効率、燃料電池セル70への供給熱量、燃料電池システム100の外部への放熱熱量等の要因が重畳して決定される。したがって、改質器50への改質水の供給量が過小または過剰であることは、燃焼室60内の温度変化からは検出しにくい。
図4は、改質水の供給を開始して改質水供給量をS/C比=2.5で一定に保つ場合の、燃焼室60の温度変化を示す図である。図4において、横軸は燃焼室60における燃焼開始後の時間経過を示し、縦軸は燃焼室60の内部の温度を示す。なお、S/C比の「S」は改質水ポンプ32によって供給される改質水のモル数を示し、「C」は原燃料供給部20によって供給される原燃料中の炭素のモル数を示す。
図4に示すように、燃焼開始によって燃焼室60の温度が上昇していく。しかしながら、改質水の供給が開始されると、燃焼室60の温度は、一時的に低下してその後上昇する。この温度変化の要因は上記のように多岐にわたることから、図4の温度変化からは、改質水供給量の過小または過剰は検出しにくい。
そこで、本例においては、改質水ポンプ32による改質水供給開始後、S/C比を徐々に増加させることによって、上記の温度変化の要因を分離する。具体的には、S/C比を徐増させることによって、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量の急増を抑制することができる。なお、S/C比は、改質水ポンプ32への制御値と原燃料供給部20への制御値とから算出することができる。
図5は、S/C比を徐々に増加させた場合の燃焼室60の温度および燃焼室60の温度の微分値を示す図である。図5において、横軸は時間を示し、左側の縦軸は燃焼室60の温度を示し、右側の縦軸はS/C比および燃焼室60の温度の微分値を示す。図5では、S/C比の増加速度を一例として0.25[S/C]/60秒に設定してある。
図5に示すように、S/C比が過小で水蒸気改質反応が改質水不足の状態で進行すると、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量は少ない。一方で、燃料オフガスの燃焼熱量は増加するので、燃焼室60の温度は上昇する。
S/C比が増加すると、改質水の気化潜熱熱量および水蒸気改質反応の吸熱熱量が増加し、水蒸気改質反応の吸熱熱量および改質水の気化潜熱熱量と燃料オフガスの燃焼熱量とが拮抗する。それにより、燃焼室60の温度上昇が停止する。この状態では、改質部52への改質水の供給量は過小でも過剰でもなくなる。それにより、改質部52におけるカーボン析出を抑制することができる。また、熱量損失の少ない制御が実現される。
さらにS/C比が増加すると、水蒸気改質反応の吸熱熱量および改質水の気化潜熱熱量が燃料オフガスの燃焼熱量に比較して多くなる。それにより、燃焼室60の温度は低下する。その後、S/C比を適当量で収束させると、燃焼室60の温度は、燃焼室60における燃焼熱量と放熱量との拮抗点まで再度上昇していく。
本例においては、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比を最適S/C比とし、最適S/C比を制御目標値として改質水供給量および原燃料ガス供給量を制御することによって、改質部52におけるカーボン析出を抑制できるとともに、熱量損失の少ない制御を実現することができる。このように、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
なお、最適S/C比として求めた値が最適値から変動することがある。例えば、燃料電池システム100内に原燃料ガス分配変化、酸化剤ガス分配変化、改質水分配変化、改質触媒性能劣化、各種機器のばらつき、経年変化等が生じた場合に、最適S/C比として求めた値が最適値から変動することがある。しかしながら、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比を最適S/C比として再度取得することによって、最適値を更新することができる。
例えば、燃料電池システム100の起動時に最適S/C比を検出することによって、燃料電池システム100の起動ごとにS/C比を最適化することができる。また、起動後においても、所定の時間周期でS/C比を低い値から徐増させて最適S/C比を検出することによって、燃料電池システム100の各種機器の経年変化に関わらずS/C比を最適化することができる。
なお、燃焼室60の温度微分値を用いることによって、最適S/C比を検出しやすくなる。具体的には、燃焼室60の温度微分値がプラスからマイナスに転じる場合のS/C比を最適S/C比として検出することができる。また、S/C比を徐増させる過程において一時的にカーボンが析出することも考えられるが、最適S/C比を得た後で、改質触媒が失活しない状態で改質水を供給することによって析出カーボンを酸化させることができる。
図6は、燃料電池セル70の起動時に最適S/C比を検出する際に実行されるフローチャートの一例を示す図である。図6に示すように、まず、制御部10は、燃焼室60における燃焼に必要な酸化剤ガスが燃料電池セル70のカソード71を経由して燃焼室60に供給されるように、酸化剤ガス供給部40を制御する(ステップS1)。次に、制御部10は、グロープラグ82の着火ヒータが加熱されるように、グロープラグ82を制御する(ステップS2)。
着火ヒータの加熱後、制御部10は、燃焼室60における燃焼に必要な原燃料ガスが燃料電池セル70のアノード72を経由して燃焼室60に供給されるように、原燃料供給部20を制御する(ステップS3)。それにより、着火ヒータ近傍において、原燃料ガスが酸化剤ガスの酸素を利用して燃焼する。その結果、着火ヒータを基点として燃焼室60の全体に火炎が広がる。
制御部10は、温度センサ81の検出結果を取得して、その検出結果に基づいて改質部52の改質触媒温度を推定する(ステップS4)。改質触媒の推定温度が水蒸気改質反応可能温度に到達した後、改質水ポンプ32は、制御部10の指示に従って改質水の供給を開始する(ステップS5)。それにより、改質器50の改質部52は、燃焼室60で発生する熱を利用した改質反応によって燃料ガスと改質水とから、水素を含む燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池セル70のアノード72に供給される。それにより、燃料電池セル70において発電が開始される。
次に、制御部10は、S/C比を徐々に増加させる(ステップS6)。次いで、制御部10は、温度センサ81の検出結果を取得して、その微分値Dがプラスからマイナスに転じたか否かを判定する(ステップS7)。ステップS7において微分値がプラスからマイナスに転じたと判定されなかった場合、制御部10は、ステップS6を再度実行する。
ステップS7において微分値Dがプラスからマイナスに転じたと判定された場合、制御部10は、現時点のS/C比を最適S/C比に設定する(ステップS8)。次に、制御部10は、S/C比が最適S/Cになるように改質水ポンプ32および原燃料供給部20を制御する(ステップS9)。その後、制御部10は、フローチャートの実行を終了する。
図6のフローチャートによれば、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化することができる。
なお、本実施例においては、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比を最適S/C比としているが、それに限られない。例えば、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比に基づいて、最適S/C比を導き出してもよい。具体的には、S/C比を徐増させた場合に燃焼室60の温度の上昇が正から負になる場合のS/C比に所定のオフセットを持たせた値を最適S/C比としてもよい。
(例2)
図7は、例2に係る燃料電池システム100aの全体構成を示す模式図である。図7に示すように、燃料電池システム100aにおいては、温度センサ81は、燃焼室60内ではなく改質器50内に配置されている。この構成によれば、温度センサ81は、改質器50内の温度を直接検出することができる。
図7は、例2に係る燃料電池システム100aの全体構成を示す模式図である。図7に示すように、燃料電池システム100aにおいては、温度センサ81は、燃焼室60内ではなく改質器50内に配置されている。この構成によれば、温度センサ81は、改質器50内の温度を直接検出することができる。
本実施例においても、S/C比を徐増させた場合に温度センサ81が検出する温度の上昇が正から負になる場合のS/C比に基づいて最適S/C比を取得とし、最適S/C比を制御目標値として改質水供給量および原燃料ガス供給量を制御することによって、改質部52におけるカーボン析出を抑制できるとともに、熱量損失の少ない制御を実現することができる。このように、水流量を検出する流量計等の検出器を用いずに、原燃料および改質水の供給量を最適化制御することができる。
なお、改質器50の気化部51において改質水が気化するため、改質部52よりも気化部51において改質水の気化潜熱が影響しやすい。したがって、温度センサ81は、気化部51内に配置されていることが好ましい。
また、燃焼室60内のガスの熱容量に比較して、改質器50の熱容量は大きい。そのため、S/C比変化に起因する温度変化は、改質器50に比較して燃焼室60において大きくなる。したがって、改質器50内の温度を直接検出するよりも、燃焼室60の温度を通じて改質器50内の温度を間接的に検出する方が、温度変化を検出しやすい。以上のことから、燃焼室60内に温度センサ81を配置することがより好ましい。
なお、上記各例は、固体高分子形、固体酸化物形、炭酸溶融塩形等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。
10 制御部
20 原燃料供給部
30 改質水供給部
31 改質水タンク
32 改質水ポンプ
40 酸化剤ガス供給部
50 改質器
51 気化部
52 改質部
60 燃焼室
70 燃料電池
71 カソード
72 アノード
73 電解質
81 温度センサ
82 グロープラグ
90 熱交換器
100 燃料電池システム
20 原燃料供給部
30 改質水供給部
31 改質水タンク
32 改質水ポンプ
40 酸化剤ガス供給部
50 改質器
51 気化部
52 改質部
60 燃焼室
70 燃料電池
71 カソード
72 アノード
73 電解質
81 温度センサ
82 グロープラグ
90 熱交換器
100 燃料電池システム
Claims (12)
- 水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、
酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、
前記改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度センサと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、前記供給量比を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記温度センサは、前記燃焼室内に配置されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を制御目標値とすることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記燃料電池セルの起動時に、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、所定の時間周期で、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池システム。
- 水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、
酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、
前記燃焼室内の温度を検出する温度センサと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度センサの検出温度上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて、前記供給量比を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記改質器の温度を直接的または間接的に検出する温度検出ステップと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて前記供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 - 前記温度検出ステップは、前記燃焼室内の温度を検出するステップであることを特徴とする請求項7記載の燃料電池システムの運転方法。
- 前記制御ステップは、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を制御目標値とするステップであることを特徴とする請求項7または8記載の燃料電池システムの運転方法。
- 前記制御ステップは、前記燃料電池セルの起動時に、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めるステップであることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
- 前記制御ステップは、所定の時間周期で、前記原燃料の供給量に対する前記改質水の供給量の比を増加させて前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比を求めるステップであることを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。
- 水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成する改質器と、酸化剤ガスと前記改質器で生成された燃料ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの燃料オフガスを燃焼させて前記改質器を加熱する燃焼室と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃焼室内の温度を検出する温度検出ステップと、
前記改質器への原燃料に対する改質水の供給量比を増加させた場合に前記温度検出ステップで検出される温度の上昇が正から負になる場合の前記供給量比に基づいて前記供給量比を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
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JP2009231903A JP5299207B2 (ja) | 2009-10-05 | 2009-10-05 | 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 |
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