JP5422780B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
燃料電池システム(100)は、燃料電池(60)、改質部(43)およびCO低減部(44,45)を含む燃料処理器(41)、燃焼器(42)、第1空気供給器(46)、電気ヒータ(50)、電力供給器(200)、停電検知器(11)および制御器(10)を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている。
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、系統電源や電力供給器からの電力により起動する燃料電池システムに関する。
燃料電池システムでは、一般的に、連系する系統電源から電力を受けて、制御装置や補機を駆動し、燃焼器や電気ヒータなどで各部位を昇温することにより起動した上で、燃料電池の発電を行っている。このため、系統電源の停電時に起動できない状態を回避するため、たとえば、特許文献1に示す非常時対応型燃料電池システムは発電装置を備え、停電時には発電装置の電力を用いて起動している。
さらに、この起動時の電力を低減するため、たとえば、特許文献2の燃料電池システムはバーナおよび電気ヒータを備え、停電時には電気ヒータを作動させずにバーナを作動させている。これにより、電気ヒータの消費電力を削減しながら、バーナのみで水素製造装置を加熱している。
ただし、特許文献2の燃料電池システムでは、停電時にバーナのみで水素製造装置を加熱することにより、水素製造装置の各部を適温に昇温することが難しい。たとえば、水素製造装置内において、バーナの近い位置に改質部が設けられ、バーナから離れた位置にシフト部および選択酸化部が設けられている。これらをバーナのみで加熱すると、シフト部および選択酸化部の温度が適温に達する前に改質部の温度が高くなり過ぎたり、改質部の温度が適温に達した際にシフト部および選択酸化部の温度が低すぎたりする。
これにより、改質部が過熱状態になれば、改質部に供給されるガスに含まれる炭化水素成分が分解し、この分解した炭素が改質触媒に析出して、改質触媒が劣化してしまう。一方、シフト部および選択酸化部が適温に達しなければ、燃料電池に供給される改質ガス中の一酸化炭素を十分に除去することができず、改質ガスに残存する一酸化炭素により燃料電池が劣化してしまう。
このような各部の劣化を防止するため、各部を適温に昇温するような形状に水素製造装置をすると、その形状は複雑化し、費用が嵩んでしまう。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、停電時における起動電力の低減を図りつつ、各部の劣化および費用の上昇を抑えた燃料電池システムを提供することを目的としている。
本発明のある態様に係る、燃料電池システムは、系統電源と連系する燃料電池システムであって、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、炭化水素成分を含む原料と改質水とを反応させて前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減部と、を備えている燃料処理器と、供給された可燃性ガスを燃焼して前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する第1空気供給器と、前記CO低減部を加熱する電気ヒータと、前記電気ヒータに電力を供給する電力供給器と、前記系統電源から前記燃料電池システムに電力が供給されない停電を検知する停電検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている。
本発明は、以上に説明した構成を有し、停電時における起動電力の低減を図りつつ、各部の劣化および費用の上昇を抑えた燃料電池システムを提供することができるという効果を奏する。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
第1の本発明に係る燃料電池システムは、系統電源と連系する燃料電池システムであって、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、炭化水素成分を含む原料と改質水とを反応させて前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減部と、を備えている燃料処理器と、供給された可燃性ガスを燃焼して前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器に燃焼用空気を供給する第1空気供給器と、前記CO低減部を加熱する電気ヒータと、前記電気ヒータに電力を供給する電力供給器と、前記系統電源から前記燃料電池システムに電力が供給されない停電を検知する停電検知器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている。
第2の本発明に係る燃料電池システムは、第1の発明において、前記改質部の温度を検知する第1温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記第1温度検知器による第1検知温度が第1所定温度以上である場合には、前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、前記電気ヒータの加熱量を増大させる、ように構成されていてもよい。
第3の本発明に係る燃料電池システムは、第1または第2の発明において、前記CO低減部の温度を検知する第2温度検知器をさらに備え、前記制御器は、前記第2温度検知器による第2検知温度が第2所定温度以下である場合には、前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、前記電気ヒータの加熱量を増大させる、ように構成されていてもよい。
第4の本発明に係る燃料電池システムは、第1〜第3のいずれかの発明において、前記改質部の温度を検知する第1温度検知器と、前記CO低減部の温度を検知する第2温度検知器と、をさらに備え、前記制御器は、前記第1温度検知器による第1検知温度が前記第2温度検知器による第2検知温度より高く、かつ、前記第1検知温度と前記第2検知温度との差が第3所定温度以上である場合には、前記燃焼用空気の供給量の増大、前記可燃性ガスの供給量の減少、および前記電気ヒータの加熱量の増大のうちの少なくとも一つを行うように構成されていてもよい。
第5の本発明に係る燃料電池システムは、第1〜第4のいずれかの発明において、前記制御器は、前記燃焼器が燃焼を開始してからの経過時間が所定時間に達した場合には、前記電気ヒータの加熱量を増大させるように構成されていてもよい。
第6の本発明に係る燃料電池システムは、第1〜第5のいずれかの発明において、前記改質部の温度を検知する第1温度検知器と、前記CO低減部の温度を検知する第2温度検知器と、前記改質水を前記燃料処理器へ供給する水供給器と、前記CO低減部と熱交換して、前記改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、をさらに備え、前記第2温度検知器による第2検知温度が第4所定温度未満である場合には、前記制御器は、前記給電状態より前記改質水の供給量を低減させるように構成されていてもよい。
第7の本発明に係る燃料電池システムは、第6の発明において、前記制御器は、前記第2検知温度が前記第4所定温度以上である場合には、前記改質水の供給量を増やすように構成されていてもよい。
第8の本発明に係る燃料電池システムは、第6または第7の発明において、前記制御器は、前記第2検知温度が前記第4所定温度以上であり、かつ、前記第1温度検知器による第1検知温度が第5所定温度以上である場合には、前記改質水の供給量を前記給電状態に戻すように構成されていてもよい。
第9の本発明に係る燃料電池システムは、第1〜第8のいずれかの発明において、前記CO低減部は、一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素を低減する変性部と、一酸化炭素と酸素とを反応させて一酸化炭素を低減する選択酸化部と、を備えており、前記選択酸化部へ空気を供給する第2空気供給器をさらに備え、前記制御器は、前記給電状態より前記選択酸化部への空気の供給量を増やして前記第2空気供給器に前記空気を供給させるように構成されていてもよい。
第10の本発明に係る燃料電池システムは、第1〜第9のいずれかの発明において、前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに除去する第1脱硫器と、前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させて除去する第2脱硫器と、をさらに備え、前記電気ヒータは、前記CO低減部と共に、前記第2脱硫器を加熱し、前記制御器は、前記給電状態より、前記第2脱硫器による前記硫黄の除去量に対する前記第1脱硫器による前記硫黄の除去量の割合を増やすように構成されていてもよい。
第11の本発明に係る燃料電池システムは、第1〜第10のいずれかの発明において、前記燃料処理器は、前記燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスは、前記改質部を加熱した後に、前記CO低減部を加熱するように構成されていてもよい。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。
なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電し、その際に発生する排熱を利用してお湯を生成するシステムである。燃料電池システム100は、電力負荷14、系統電源15および電力供給器200と配線により相互に接続されている。燃料電池システム100は、燃料電池スタック(燃料電池)60を有し、燃料電池スタック60で発電した電力を系統電源15および電力供給器200と連系して電力負荷14に供給する。電力負荷14は、電力を消費する機器であって、たとえば、冷蔵庫やテレビなどの家庭で用いられる電化製品である。
図1は、実施の形態1に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。図1に示すように、燃料電池システム100は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電し、その際に発生する排熱を利用してお湯を生成するシステムである。燃料電池システム100は、電力負荷14、系統電源15および電力供給器200と配線により相互に接続されている。燃料電池システム100は、燃料電池スタック(燃料電池)60を有し、燃料電池スタック60で発電した電力を系統電源15および電力供給器200と連系して電力負荷14に供給する。電力負荷14は、電力を消費する機器であって、たとえば、冷蔵庫やテレビなどの家庭で用いられる電化製品である。
発電工程では、燃料電池システム100は、電力負荷14の消費電力量に追従して発電し、消費電力量に応じた電力を電力負荷14に供給している。ただし、消費電力量が燃料電池システム100の定格出力より大きい場合には、燃料電池システム100は定格出力を電力負荷14に供給し、不足する電力を電力供給器200または系統電源15が供給する。
起動工程では、燃料電池システム100は、系統電源15または電力供給器200から電力の供給を受けて、補機を駆動することにより、発電の準備を整える。この起動工程において、系統電源15からの給電が停止している停電状態であれば、燃料電池システム100は、電力供給器200からの電力により補機を駆動する。この電力供給器200は、電力負荷14および燃料電池システム100に電力を供給する、系統電源15とは異なる電力供給源であって、たとえば、蓄電池、太陽電池、ガスエンジン発電機が用いられる。電力供給器200に蓄電池が用いられる場合、燃料電池システム100が発電した電力のうち余剰分を電力供給器200に充電することができる。
図2は、燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図2に示すように、燃料電池システム100は、燃料電池スタック60を備える。燃料電池スタック60では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが電気化学的に反応して直流電力が生成される。この発電した電力を出力するための配線により燃料電池スタック60はインバータ62に接続されている。インバータ62は、燃料電池スタック60から出力された直流電力を、系統電源15(図1)の交流電力の周波数と同じ周波数を持つ交流電力に変換する。インバータ62は、電力負荷14(図1)や電力供給器200(図1)に繋がる配線に接続され、交流電力を配線を介して電力負荷14や電力供給器200に供給する。
燃料電池スタック60は複数のセルの積層体であって、各セルは、アノード、カソード、およびこれらの間に挟まれる高分子電解質膜を有している。各セルの間にセパレータが配置されており、セパレータに通路が形成されている。この通路としては、燃料ガスが流通する燃料ガス通路、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路、および、冷却水が循環する冷却水経路72の一部が挙げられる。燃料ガス通路は、その上流端が燃料ガス供給経路に接続され、下流端が燃料ガス排出経路に接続されている。酸化剤ガス通路は、その上流端が酸化剤ガス供給経路に接続され、下流端が酸化剤ガス排出経路に接続されている。
燃料ガス供給経路は、燃料処理器41および燃料電池スタック60を接続し、燃料処理器41から燃料電池スタック60へ燃料ガスを供給する。燃料処理器41には水供給経路の下流端および原料供給経路の下流端が接続され、燃料処理器41に水供給経路を介して水(改質水)が供給され、原料ガス(原料)が原料供給経路を介して供給される。燃料処理器41は、原料ガスおよび改質水を改質触媒下で改質反応させることにより燃料ガスを生成する。燃料ガスは、燃料電池スタック60による電気化学反応に必要な、たとえば、水素である。燃料処理器41には、後述するように、CO低減部が設けられ、第2空気供給器47が接続されており、第2空気供給器47からの空気(酸化用空気)は燃料処理器41内のCO低減部に供給される。また、燃料処理器41の近傍に燃焼器42および電気ヒータ50が配置されており、燃焼器42および電気ヒータ50により燃料処理器41は加熱される。
水供給経路は、改質水供給器5および燃料処理器41を接続している。改質水供給器5は、燃料処理器41における改質反応に必要な改質水の供給源であって、改質水を液体状態または気体状態で燃料処理器41に供給し、その流量を調整している。改質水としては、たとえば、燃料電池システム100内の回収水、イオン交換処理がなされてシステム外部から供給されるイオン交換水、蒸留処理がなされた蒸留水などが用いられる。
原料供給経路は、原料供給器4および燃料処理器41を接続し、原料供給経路の途中には第1脱硫器2が設けられている。原料供給器4は、原料ガスを燃料処理器41に供給する供給源であって、その供給量を調整している。原料供給器4としては、たとえば、都市ガスの配管やLPG(Liquefied petroleum gas)ボンベが挙げられる。原料ガスは、改質反応に必要な炭化水素を含む気体または液体であって、たとえば、メタンを含む都市ガス、プロパンを含むLPGなどが用いられる。第1脱硫器2は、原料ガスに含まれるに硫黄成分を除去する。
燃焼器42には、燃料ガス排出経路を介して燃料電池スタック60が接続され、燃料ガス排出経路により燃料電池スタック60からオフ燃料ガスが可燃性ガスとして供給される。燃焼器42には、第1空気供給器46が接続されており、第1空気供給器46は空気(燃焼用空気)を燃焼器42に供給し、その供給量を調整している。燃焼器42として、後述するように、可燃性ガスおよび燃焼用空気を燃焼することにより熱を燃料処理器41に供給する、たとえば、バーナなどが用いられる。オフ燃料ガスとして、たとえば、燃料処理器41により改質されなかった原料ガス、および、燃料電池スタック60で電気化学反応に用いられなかった燃料ガスが挙げられる。なお、燃焼器42には、オフ燃料ガスが供給されるが、原料ガスが直接供給されるような構成にすることもできる。また、第1空気供給器46は第2空気供給器47と兼用であってもよい。
燃焼器42には燃焼排ガス経路の上流端が接続され、この燃焼排ガス経路の下流端は第1排気口67に接続されている。第1排気口67は、燃料電池システム100の構成部を収納している筺体に設けられている。燃焼器42において可燃性ガスが燃焼された後の燃焼排ガスは第1排気口67から筺体外に排気される。
電気ヒータ50には、電力供給経路が接続され、電力供給経路に燃料電池スタック60、系統電源15(図1)および電力供給器200(図1)などの電力供給源が接続されている。電気ヒータ50は、電力供給源から電力を受けて熱を発生し、熱を燃料処理器41に供給する。なお、電力供給経路は、電気ヒータ50以外の補機にも接続されており、補機はこれらの電力供給源からの電力により駆動する。また、系統電源15と繋がる電力供給経路に停電検知器11が設けられている。停電検知器11は、電気ヒータ50などの補機へ系統電源15から供給される電力、電力の電圧または電流を計測し、その計測結果に基づいて電力の供給が停止された停電状態を検知し、停電状態を示す停電情報を制御器10へ出力する。
酸化剤ガス供給経路は、酸化剤ガス供給器61および燃料電池スタック60を接続し、酸化剤ガス供給器61からの空気を酸化剤ガスとして燃料電池スタック60に供給し、その供給量を調整している。酸化剤ガス供給器61として、たとえば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。なお、空気の他に酸素なども酸化剤ガスとして用いることができ、この場合、酸化剤ガス供給器61には酸素ボンベなどが用いられる。
酸化剤ガス排出経路は、燃料電池スタック60および第2排気口70を接続している。この第2排気口70は、燃料電池システム100の構成部を収納している筺体に設けられている。そして、燃料電池60から排出されるオフ酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路を通って、第2排気口70から大気中に排出される。
冷却水経路72は、燃料電池スタック60、冷却水循環器73、熱交換器77および冷却水タンク71を水(冷却水)が循環するようにこれらを接続している。熱交換器77には、冷却水経路72に加えて、貯湯循環経路75が貫通している。貯湯循環経路75は、熱交換器77と貯湯タンク74との間を水(貯湯水)が循環するようにこれらを接続している。この冷却水タンク71から供給される冷却水は、冷却水循環器73により冷却水経路72を循環し、燃料電池スタック60の熱を吸収して高温になり、熱交換器77に至る。熱交換器77において、冷却水経路72内の高温の冷却水と貯湯循環経路75内の低温の貯湯水との間で熱交換が行われる。これにより、熱を奪われて低温になった冷却水は、冷却水経路72を通って、冷却水タンク71へ戻り、再び燃料電池スタック60に向かって流れる。一方、熱を得て高温になった貯湯水は、貯湯水経路75を通って、貯湯タンク74に流入し、ここで貯留される。
制御器10は、燃料電池システム100の構成部と信号線で接続され、構成部と信号を送受信することによりこれらを制御している。たとえば、制御器10は、停電検知器11からの停電情報に基づいて、燃焼器42の燃焼量および電気ヒータ50の加熱量を調整するように、原料供給器4、酸化剤ガス供給器61、電気ヒータ50などの補機を制御する。制御器10は、単独の制御器で集中制御を行うように構成されていてもよく、複数の制御器で分散制御を行うように構成されていてもよい。制御器10は、制御機能を有すればよく、たとえば、マイクロコンピュータ、プロセッサ、論理回路等で構成される。
上記構成の燃料電池システム100では、後述する発電工程において、原料ガスが原料供給器4から第1脱硫器2に流入し、第1脱硫器2において原料ガス中の硫黄成分が除去される。この脱硫された原料ガスは原料ガス供給経路を通って燃料処理器41に供給され、また、燃料処理器41には改質水供給器5から水供給経路を通って改質水が供給される。そして、燃料処理器41が電気ヒータ50や燃焼器42で加熱されて適温になると、燃料処理器41で原料ガスが改質水で改質されて、燃料ガスが生成する。この燃料ガスが燃料ガス供給経路を通って燃料電池スタック60に供給されると共に、燃料電池スタック60には酸化剤ガス供給器61から酸化剤ガス供給経路を通って酸化剤ガスが供給される。燃料電池スタック60では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが電気化学反応することにより、直流電力が生成される。この直流電力はインバータ62により交流電力に変換された上、昇圧されて電力負荷14(図1)に供給されて、使用者によりテレビや洗濯機などの家庭内電力負荷に利用される。なお、電力供給器200(図1)が蓄電池である場合、インバータ62からの電力は電力供給器200へ供給されて貯蓄される。
燃料電池スタック60の燃料ガス通路から排出されるオフ燃料ガスは燃料ガス排出経路を通って、燃焼器42に供給される。オフ燃料ガスが、第1空気供給器から供給される燃焼用空気で燃焼されて、熱を生成し、この熱を燃料処理器41に供給する。また、燃料電池スタック60の酸化剤ガス通路から排出されるオフ酸化剤ガスは第2排気口70から大気に放出される。
燃料電池スタック60において発電時に生成される熱は、冷却水循環経路72を流れる冷却水に与えられる。これにより、高温になった冷却水は、冷却水循環器73により循環されて、熱交換器77に至る。この熱交換器77において、高温の冷却水と、貯湯タンク74から貯湯循環経路75を介して循環している貯湯水とが熱交換する。そして、加熱された貯湯水がお湯として貯湯タンク74に貯められ、使用者により貯湯タンク74のお湯が風呂やキッチンなどで利用される。
図3は、燃料処理器41を示す断面図である。図3に示すように、燃料処理器41は、容器41a、容器41aの中に位置する外筒41b、および外筒41bの中に位置する内筒41cを有している。容器41aは、略円筒状の側壁と、側壁の下端開口を塞ぐ底部と、により形成されている。容器41aは、その側壁と外筒41bとの間において側壁の上端開口が天部で覆われており、側壁に酸化用空気入口41a1、燃料ガス出口41a2が開口している。酸化用空気入口41a1は第2空気供給器47に接続されており、燃料ガス出口41a2は燃料ガス供給経路により燃料電池スタック60に接続されている。
外筒41bは、略円筒状の側壁と、側壁の下端開口を塞ぐ底部と、側壁の上部に設けられた大径部と、大径部の上端開口を覆う天部と、により形成されている。外筒41bは、その天部に原料ガス入口41b1および改質水入口41b2が開口し、底部に連通口41b3が開口している。原料ガス入口41b1には第1脱硫器2を介して原料供給器4が原料ガス供給経路により接続され、改質水入口41b2には改質水供給器5が水供給経路により接続されている。
内筒41cは、略円筒状の側壁と、側壁の下端開口を塞ぐ底部と、により形成されている。内筒41cは、その側壁に燃焼排ガス出口41c1が開口し、上端開口が燃焼器42によって塞がれている。燃焼排ガス出口41c1に第1排気口67が接続されている。燃焼器42には、オフ燃料ガス通路65が接続され、オフ燃料ガス通路65を通じて燃料電池スタック60から排出されるオフ燃料ガスが燃焼器42に供給される。また、燃焼器42に第1空気供給器46が接続され、第1空気供給器46から燃焼用空気が燃焼器42に供給される。燃焼器42は下方に延び、燃焼器42の下端に吹き出し口42aが設けられている。なお、燃焼器42が燃料処理器41の外部に配置されている構成とすることもできる。
外筒41b内に内筒41cが配され、これらの間の筒状空間に内側ガス流通路が形成されている。内側ガス流通路は、破線で示すように、原料ガス入口41b1から連通口41b3へ原料ガスおよび燃料ガスを流通させる経路である。内側ガス流通路の上部は、原料ガス入口41b1からの原料ガスおよび改質水入口41b2からの改質水を予熱する蒸発空間を構成している。内側ガス流通路の下部に改質部43が設けられており、改質部43には改質反応を促進する改質触媒が収容されている。改質部43は、燃焼器42の吹き出し口42aより下方であって、吹き出し口42aから吹き出す炎を囲むように配されている。
容器41a内に外筒41bが配され、これらの間の筒状空間に外側ガス流通路が形成されている。外側ガス流通路は、連通口41b3から燃料ガス出口41a2へ燃料ガスを流通させる経路であって、この外側ガス流通路において燃料ガス出口41a2は酸化用空気入口41a1より下流側に設けられている。外側ガス流通路に、水性シフト反応を促進する変成触媒を含む変成部44と、選択酸化反応を促進する選択酸化触媒を含む選択酸化部45とがCO低減部として設けられている。変成部44は、外筒41bの連通口41b3と容器41aの酸化用空気入口41a1との間に配されている。選択酸化部45は、容器41aの酸化用空気入口41a1と燃料ガス出口41a2との間に配されている。変成部44および選択酸化部45は、改質部43より上方であって、燃焼器42を囲むように配されている。選択酸化部45は変成部44より下流側に配され、これらの間に酸化用空気入口41a1が配されている。変成部44および選択酸化部45が配置されている容器41aの周りは電気ヒータ50で囲まれている。
上記構成の燃料処理器41では、内筒41c内において、燃焼器42がオフ燃料ガスを燃焼用空気で燃焼すると、炎が吹き出し口42aから吹き出す。このときに生じる高温の燃焼排ガスは、吹き出し口42aから内筒41cの底部に向かって流れ、底部に当たって反転し、一点鎖線で示す燃焼排ガス流路に従って上方へ流れ、燃焼排ガス出口41c1から排出される。
そして、原料ガス入口41b1からの原料ガスおよび改質水入口41b2からの改質水が、図3の点線に従って、外筒41bと内筒41cとの間の内側ガス流通路へ流入する。原料ガスおよび改質水は燃焼排ガスにより蒸発空間で予熱されて、改質水は水蒸気になり、改質部43に流入する。この改質部43では、燃焼排ガスの伝熱を利用して、改質触媒が良好に機能する適温、たとえば、550℃以上、好ましくは、600〜650℃に加熱され活性化する。この改質触媒下で原料ガスおよび改質水が水蒸気改質反応することにより、水素を含有する燃料ガスが生成する。この燃料ガスは、改質部43の下流端から外筒41bの底部に開口する連通口41b3へ流れる。
燃料ガスは、連通口41b3から、容器41aと外筒41bとの間の外側ガス流通路へ流入し、容器41aの底部に底板の底壁に当たって転向する。そして、燃料ガスは、図3の点線に従って、変成部44へ流れる。変成部44内の変成触媒は、内筒41c内を流れる燃焼排ガスからの熱により暖められる。この際、変成部44は改質部43より燃焼排ガス流通路の下流側に位置し(燃料排ガス流通路の流れを示す一点鎖線を参照)、燃焼排ガスは改質部43の改質触媒に熱を与えた後に変成部44に至るため、燃焼排ガスの温度は少し低くなっている。このため、改質部43の温度より低い、変成部44内の変成触媒が良好に機能する適温、たとえば、180〜300℃、好ましくは、200℃に加熱されて活性化する。なお、必要に応じて電気ヒータ50が点けられ、変成触媒は電気ヒータ50により加熱される。そして、燃料ガスが変成部44を流通する間に、燃料ガス中の一酸化炭素と水とが変成反応して、二酸化炭素と水素が生成され、一酸化炭素が燃料ガスから除去される。この一酸化炭素が低減された燃料ガスは、変成部44と選択酸化部45との間の空気混合部に流出する。
空気混合部25には、燃料ガスに加えて、酸化用空気が酸化用空気入口41a1から流入し、これらが混合して選択酸化部45に流入する。そして、選択酸化部45内の選択酸化触媒は、燃焼排ガスからの熱により暖められる。この際、選択酸化部45は変成部44よりさらに燃焼排ガス流通路の下流側に位置しているため(一点鎖線を参照)、選択酸化部45を加熱する燃焼排ガスの温度は低くなっている。このため、変成部44の温度より低い、選択酸化部45内の選択酸化触媒が良好に機能する適温、たとえば、100〜180℃、好ましくは、170℃に加熱されて活性化する。なお、必要に応じて電気ヒータ50が点けられ、選択酸化触媒は電気ヒータ50により加熱される。そして、燃料ガスが変成部44を流通する間に、燃料ガス中の一酸化炭素と酸化用空気中の酸素とが反応して、燃料ガス中の一酸化炭素濃度が数ppmまで低減される。このように一酸化炭素が除去された燃料ガスは、燃料ガス出口41a2から流出し、燃料ガス供給経路を通って、燃料電池スタック60に供給される。
次に、上記燃料電池システム100の動作(運転方法)を説明する。図4は、燃料電池システム100の運転工程と燃料処理器41の温度との関係を概略的に示すグラフである。このグラフの縦軸は燃料処理器41の温度(燃料処理器41を代表する適宜箇所の温度)を示し、横軸は時間を示している。この時間は、給電状態および停電状態における運転工程(待機工程、起動工程、発電工程、停止工程)に対応している。グラフにおける実線は給電状態の燃料処理器41の温度を示し、点線は停電状態の燃料処理器41の温度を示している。給電状態は、系統電源15から燃料電池システム100へ電力が供給されている状態である。なお、運転工程のうち、給電状態における起動工程、給電状態および停電状態における停止工程および待機工程は従来と同様の工程であるため、その説明を省略する。
図4に示すように、燃料電池システム100では、使用者が燃料電池システム100のリモコンや本体の操作部を操作することにより、起動指示が制御器10へ出力されると、燃料電池スタック60の発電に対する準備を行う起動工程が実行される。給電状態の起動工程では、燃焼器42および電気ヒータ50により燃料処理器41は加熱されて、グラフの実線に示すように昇温する。一方、停電状態の起動工程では、後述するように、まず燃焼器42が作動された後に、必要に応じて電気ヒータ50が作動される。このため、グラフの点線で示すように、燃料処理器41の昇温速度は給電状態に比べて低くなり、これに応じて、停電状態の起動工程の時間は給電状態に比べて長くなる。
燃料処理器41が所定温度に達し、燃料電池スタック60の発電が可能な所定発電条件を満たすと、発電工程が実行される。この発電工程では、上述するように燃料処理器41の各部43〜45内の触媒が適温になるように温度が維持される。
再び、使用者が燃料電池システム100の操作部を操作し、停止指示が制御器10へ出力されると、燃料電池スタック60による発電を停止する停止工程が実行される。これにより、燃焼器42や電気ヒータ50による加熱も停止され、燃料処理器41の温度は低下していく。そして、停止工程から起動工程までの間は、待機工程となる。
このように、発電工程で出力される電力は電力負荷14(図1)に供給される。この電力負荷14に供給されずに残った電力は、たとえば、電力供給器200(図1)に蓄電池が用いられる場合、電力供給器200に蓄えられる。図5は、電力供給器200である蓄電池における電力の割合を示すグラフである。この電力供給器200には、図5の矢印400に示すように、電力供給器200が0〜100%の電力を蓄えることができる。この図5の場合、たとえば、矢印402に示す割合の電力(電力402)が電力供給器200に残っている。ここで、停電状態になると、系統電源15から燃料電池システム100へ電力が供給されないため、燃料電池システム100は電力供給器200からの電力を用いて起動する。電力供給器200に残っている電力402のうち、矢印401に示す割合の電力(電力401)が、燃料電池システム100の起動に必要な電力である。
このように、電力402が電力401より大きい場合、燃料電池システム100は電力供給器200の電力を用いて起動することができる。そして、電力401を起動で使用しても、矢印403に示す割合の電力(電力403)が残るため、この電力403を他の用途に使用することができる。しかし、停電時には使用することができる電力が少ないため、この残る電力403は大きい方がよい。また、電力402が電力401より小さい場合には、燃料電池システム100は電力供給器200の電力を用いて起動することができなくなる。よって、電力401が小さいほど、このような起動できない事態を回避することができる。したがって、どちらの場合においても停電時には起動に必要な電力401を低減することが望まれる。この電力401のうちで電気ヒータの電力が多くを占めるため、後述する処理に従って燃焼器42と電気ヒータ50との使用割合を調整することにより、起動を行いつつ、起動に必要な電力401を抑えることができる。
なお、電力供給器200に蓄えられている電力402に応じて停電状態の起動工程または給電状態の起動工程を実行することができる。たとえば、電力402が起動に必要な電力401より大きい場合、停電状態であっても、給電状態の起動工程に従って、燃料電池システム100を起動してもよい。
図6は、停電状態における燃料電池システム100の起動工程の一例を示すフローチャートである。図6に示すように、起動開始時および起動中を含む起動工程では、まず、制御器10は停電状態か否かを判定する(ステップS101)。制御器10は、停電検知器11から停電情報が入力されていない間(ステップS101:NO)、停電検知器11が停電を検知していない給電状態であると判定する。この給電状態では、系統電源15から燃料電池システム100へ電力が供給されるため、制御器10は、燃焼器42および電気ヒータ50で燃料処理器41を加熱する通常の起動工程を実行する。
一方、制御器10は、停電検知器11から停電情報の入力があると、停電状態であると判定する(ステップS101:YES)。制御器10は、給電状態に比べて、電気ヒータ50の加熱量を低減させる(ステップS102)。この電気ヒータ50の加熱量を低減させるとは、電気ヒータ50が停止させること、および、電気ヒータ50から発生する熱量(または、電気ヒータ50での消費電力)が給電状態より低くすることを含む。すなわち、停電状態において、電気ヒータ50を停止していてもよいし、電気ヒータ50を作動させていてもよい。ただし、電気ヒータ50を作動させている場合、電気ヒータ50の加熱量を給電状態より低減し、電気ヒータ50の消費電力を給電状態より低くする。
制御器10は、第1空気供給器46からの燃焼用空気の供給量を給電状態より増大して、燃焼器42を作動する(ステップS103)。この際、原料供給器4からの原料ガスの供給量を給電状態より増やすことにより、燃料電池スタック60を介して供給されるオフ燃料ガス(可燃性ガス)を増大させてもよい。これにより、燃焼器42の発熱量が増え、燃焼器42により加熱される燃焼排ガスの温度が高くなる。この高温の燃焼排ガスは、改質部43の改質触媒、変成部44の変成触媒および選択酸化部45の選択酸化触媒をこの順で加熱していく。このとき、燃焼排ガスの量が多いため、オフ燃料ガスから変成触媒や選択酸化触媒へ供給される熱量も増える。これにより、電気ヒータ50の加熱量が少なくても、燃料処理器41の形状を複雑にすることなく、燃料処理器41の各触媒をそれぞれの適温に加熱することができる。この結果、消費電力およびコストの増加を抑えながら、各触媒がそれぞれの機能を十分に発揮することにより燃料電池システム100の劣化を防止することができる。
この一連の動作(ステップS101〜S103)は、所定の間隔で繰り返し行われる。そして、必要に応じて、または、各触媒が適温に達すると、制御器10は、改質水供給器5を作動させたり、燃焼器42の加熱量を減らして電気ヒータ50を作動させたりする。これにより、燃料処理器41では、改質部43において燃料ガスが生成され、変成部44および選択酸化部45において燃料ガス中の一酸化炭素が除去されて、燃料電池スタック60に供給される。そして、酸化剤ガス供給器61が作動されて、所定発電条件が満たされると、起動工程から発電工程へ移る。
なお、燃焼用空気の供給量を増大する(ステップS103)に伴い、オフ燃料ガス(可燃性ガス)を増大させなくてもよい。これにより、燃焼排ガスの温度が低いため、加熱時間は長くなるが、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止することができる。また、燃焼排ガスの量が増えることにより、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで燃焼排ガスにより十分に加熱することができる。したがって、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(変形例1)
実施形態1の変形例1に係る燃料電池システム100では、燃焼器42を作動する際に(ステップS103)、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させる。これにより、燃焼器42の発熱量が減少し、燃焼排ガスの温度が給電状態より低くなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の温度が高くなりすぎることが防止される。また、時間が経過するに伴い、改質触媒、変成触媒や選択酸化触媒の温度が上がり、適温に達することができる。これにより、電気ヒータ50の加熱量が少なくても、各触媒が機能することにより燃料電池システム100の劣化させる状態を回避することができる。
実施形態1の変形例1に係る燃料電池システム100では、燃焼器42を作動する際に(ステップS103)、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させる。これにより、燃焼器42の発熱量が減少し、燃焼排ガスの温度が給電状態より低くなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の温度が高くなりすぎることが防止される。また、時間が経過するに伴い、改質触媒、変成触媒や選択酸化触媒の温度が上がり、適温に達することができる。これにより、電気ヒータ50の加熱量が少なくても、各触媒が機能することにより燃料電池システム100の劣化させる状態を回避することができる。
(変形例2)
図7は、実施形態1の変形例2に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図7に示すように、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器42を作動する(ステップS103)。この燃焼器42で加熱された燃焼排ガスにより各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路に上流側に位置する改質触媒に比べて、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒の温度が高くなり難い。このため、燃焼器42の燃焼開始からの経過時間が所定時間に達すると(ステップS104:YES)、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS105)。この電気ヒータ50の加熱量を増大させるとは、停止している電気ヒータ50を作動させること、および、ステップS102において給電状態より低くした電気ヒータ50の発熱量を高めることを含む。
図7は、実施形態1の変形例2に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図7に示すように、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器42を作動する(ステップS103)。この燃焼器42で加熱された燃焼排ガスにより各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路に上流側に位置する改質触媒に比べて、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒の温度が高くなり難い。このため、燃焼器42の燃焼開始からの経過時間が所定時間に達すると(ステップS104:YES)、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS105)。この電気ヒータ50の加熱量を増大させるとは、停止している電気ヒータ50を作動させること、および、ステップS102において給電状態より低くした電気ヒータ50の発熱量を高めることを含む。
これにより、改質触媒に比べて温度上昇が遅れていた変成触媒および選択酸化触媒が電気ヒータ50により加熱される。このため、燃料処理器41における各触媒が適温になり、各触媒が機能することにより燃料電池システム100の劣化を防止することができる。また、所定時間に達するまで電気ヒータ50の加熱量を低減することより、消費電力の低減が図られる。
(変形例3)
図8は、実施形態1の変形例3に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図8に示すように、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器42を作動する(ステップS103)。この燃焼器42で加熱された燃焼排ガスにより各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路に上流側に位置する改質触媒に比べ、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒の温度は上昇し難い。このため、制御器10は、給電状態より選択酸化部45への空気の供給量を増やすように第2空気供給器47を制御する(ステップS106)。これにより、選択酸化部45において発熱反応である選択酸化反応が盛んに起こり、この反応で生じた熱によって選択酸化部45内の選択酸化触媒の温度が上昇する。そして、燃料処理器41における各触媒を適温になって、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
図8は、実施形態1の変形例3に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図8に示すように、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器42を作動する(ステップS103)。この燃焼器42で加熱された燃焼排ガスにより各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路に上流側に位置する改質触媒に比べ、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒の温度は上昇し難い。このため、制御器10は、給電状態より選択酸化部45への空気の供給量を増やすように第2空気供給器47を制御する(ステップS106)。これにより、選択酸化部45において発熱反応である選択酸化反応が盛んに起こり、この反応で生じた熱によって選択酸化部45内の選択酸化触媒の温度が上昇する。そして、燃料処理器41における各触媒を適温になって、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
(実施の形態2)
図9は、実施の形態2に係る燃料電池システム100に用いられる燃料処理器41を示す断面図である。図9に示すように、燃料処理器41は、改質部43の温度を検知する第1温度検知器48と、CO低減部(変成部44、選択酸化部45)の温度を検知する第2温度検知器49と、をさらに備えている。なお、第1温度検知器48のみを使用して、第2温度検知器49を設けなくてもよい。また、第2温度検知器49のみを使用して、第1温度検知器48を設けなくてもよい。
図9は、実施の形態2に係る燃料電池システム100に用いられる燃料処理器41を示す断面図である。図9に示すように、燃料処理器41は、改質部43の温度を検知する第1温度検知器48と、CO低減部(変成部44、選択酸化部45)の温度を検知する第2温度検知器49と、をさらに備えている。なお、第1温度検知器48のみを使用して、第2温度検知器49を設けなくてもよい。また、第2温度検知器49のみを使用して、第1温度検知器48を設けなくてもよい。
第1温度検知器48は、改質部43の下方において連通口41b3に対向するように、容器41aの底部の中央に配置されている。第1温度検知器48は、改質部43を通流した燃料ガスの温度を検知し、検知した温度を改質部43内の改質触媒の温度として制御器10に出力する。なお、第1温度検知器48の位置は改質部43の下方に限定されず、改質部43の上方、内部または改質触媒内に設けられてもよい。
第2温度検知器49が、選択酸化部45の上方において燃料ガス出口41a2に配置されている。第2温度検知器49は、選択酸化部45を通流した燃料ガスの温度を検知し、検知した温度をCO低減部44、45内の触媒の温度として制御器10に出力する。なお、第2温度検知器49の位置は選択酸化部45の上方に限定されず、選択酸化部45の内部、下方または選択酸化触媒内、あるいは、変成部44の上方、内部、下方または変成触媒内に設けられてもよい。
図10は、停電状態における燃料電池システム100の起動工程の一例を示すフローチャートである。なお、図10のステップS201〜S203は、図6のステップS101〜S103のそれぞれの処理と同様であるため、これらの処理は簡単に説明する。
図10に示すように、停電状態では(ステップS201:YES)、制御器10は、給電状態に比べて、電気ヒータ50の加熱量を低減させる(ステップS202)。そして、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させるようにして、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器42を作動する(ステップS203)。この燃焼器42による燃焼排ガスによって各触媒が加熱されるが、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の温度は、下流側に位置する変成触媒や選択酸化触媒に比べて上昇し易い。このため、制御器10は、第1温度検知器48による第1検知温度が第1所定温度以上であるか否かを判定する(ステップS203)。この第1所定温度は、改質触媒の適温、たとえば、550℃以上、好ましくは、600〜650℃に予め設定されている。
第1検知温度が第1所定温度以上になれば(ステップS204:YES)、燃焼用空気の供給量を増大するように、第1空気供給器46を制御する(ステップS205)。ここで、ステップS203における燃焼器42の作動時に、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させている場合、この増大させた供給量よりさらに供給量を増やす。また、ステップS203における燃焼器42の作動時に、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させている場合、燃焼用空気の供給量を給電状態より増やす。
これにより、燃焼排ガスが増え、燃焼排ガスの流速が大きくなる。これにより、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止すると共に、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで燃焼排ガスにより熱を届けることができる。したがって、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(変形例1)
図11は、実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図11に示すように、第1検知温度が第1所定温度以上になれば(ステップS204:YES)、改質触媒は適温に達したため、制御器10は、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS1204)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まるため、改質触媒だけでなく、変成触媒および選択酸化触媒も適温に達することができる。
図11は、実施形態2の変形例1に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図11に示すように、第1検知温度が第1所定温度以上になれば(ステップS204:YES)、改質触媒は適温に達したため、制御器10は、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS1204)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まるため、改質触媒だけでなく、変成触媒および選択酸化触媒も適温に達することができる。
(変形例2)
図12は、実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図12に示すように、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒の温度は、上流側に位置する改質触媒に比べて上がり難い。このため、制御器10は、第2温度検知器49による第2検知温度が第2所定温度以下であるか否かを判定する(ステップS1204)。この第2所定温度は、変成触媒の適温、たとえば、180〜300℃、好ましくは、200℃、または、選択酸化触媒の適温、たとえば、100〜180℃、好ましくは、170℃に予め設定されている。
図12は、実施形態2の変形例2に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図12に示すように、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒の温度は、上流側に位置する改質触媒に比べて上がり難い。このため、制御器10は、第2温度検知器49による第2検知温度が第2所定温度以下であるか否かを判定する(ステップS1204)。この第2所定温度は、変成触媒の適温、たとえば、180〜300℃、好ましくは、200℃、または、選択酸化触媒の適温、たとえば、100〜180℃、好ましくは、170℃に予め設定されている。
第2検知温度が第2所定温度以下であれば(ステップS1204:YES)、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させる(ステップS205)。これにより、燃焼排ガスが増えて、燃焼排ガスの流速が大きくなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで十分に加熱することができる。したがって、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(変形例3)
図13は、実施形態2の変形例3に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図13に示すように、第2検知温度が第2所定温度以下であれば(ステップS1204:YES)、変成触媒および選択酸化触媒の温度上昇が改質触媒に比べて遅れているため、制御器10は、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS1205)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
図13は、実施形態2の変形例3に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図13に示すように、第2検知温度が第2所定温度以下であれば(ステップS1204:YES)、変成触媒および選択酸化触媒の温度上昇が改質触媒に比べて遅れているため、制御器10は、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS1205)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(変形例4)
図14は、実施形態2の変形例4に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図14に示すように、制御器10は、第1検知温度が第2検知温度より高く、かつ、第1検知温度と第2検知温度との差が第3所定温度以上であるか否かを判定する(ステップS2204)。この第3所定温度は、改質触媒の適温と変成触媒または選択酸化触媒の適温との差である。
図14は、実施形態2の変形例4に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図14に示すように、制御器10は、第1検知温度が第2検知温度より高く、かつ、第1検知温度と第2検知温度との差が第3所定温度以上であるか否かを判定する(ステップS2204)。この第3所定温度は、改質触媒の適温と変成触媒または選択酸化触媒の適温との差である。
第1検知温度が第2検知温度より高く、その差が第3所定温度以上であれば(ステップS2204:YES)、改質触媒の温度が変成触媒および選択酸化触媒の温度に比べて非常に高くなっている。このため、制御器10は、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させ(ステップS205)、燃焼排ガスを増やして、燃焼排ガスの流速を上昇させる。これにより、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒まで十分に加熱することができる。したがって、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(変形例5)
図15は、実施形態2の変形例5に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図15に示すように、第1検知温度が第2検知温度より高く、その差が第3所定温度以上であれば(ステップS2204:YES)、制御器10は、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させる(ステップS2205)。これにより、燃焼排ガスの温度が低くなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒を加熱することができる。したがって、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
図15は、実施形態2の変形例5に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図15に示すように、第1検知温度が第2検知温度より高く、その差が第3所定温度以上であれば(ステップS2204:YES)、制御器10は、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させる(ステップS2205)。これにより、燃焼排ガスの温度が低くなるため、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒の過熱を防止しながら、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒を加熱することができる。したがって、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(変形例6)
図16は、実施形態2の変形例6に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図16に示すように、第1検知温度が第2検知温度より高く、その差が第3所定温度以上であれば(ステップS2204:YES)、制御器10は、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS1205)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
図16は、実施形態2の変形例6に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図16に示すように、第1検知温度が第2検知温度より高く、その差が第3所定温度以上であれば(ステップS2204:YES)、制御器10は、電気ヒータ50の加熱量を増大する(ステップS1205)。これにより、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
(実施の形態3)
図17は、実施の形態3に係る燃料電池システム100に用いられる燃料処理器41を示す断面図である。図17に示すように、燃料処理器41は、CO低減部(変成部44、選択酸化部45)と熱交換して、改質水から水蒸気を生成する蒸発部51をさらに備える。この蒸発部51は、螺旋状の棒であって、棒の端に改質水供給器5に接続されており、隣接する棒の間に改質水の流路が形成される。蒸発部51は、外筒41bと内筒41cとの間の内側ガス流通路の上部に位置する蒸発空間に配置されている。改質水供給器5から供給された改質水は、蒸発部51を流れている間に、燃焼排ガスにより加熱されて水蒸気になる。この水蒸気は原料供給器4から供給された原料ガスと混合して改質部43に流入して、ここで、燃焼ガスが生成される。
図17は、実施の形態3に係る燃料電池システム100に用いられる燃料処理器41を示す断面図である。図17に示すように、燃料処理器41は、CO低減部(変成部44、選択酸化部45)と熱交換して、改質水から水蒸気を生成する蒸発部51をさらに備える。この蒸発部51は、螺旋状の棒であって、棒の端に改質水供給器5に接続されており、隣接する棒の間に改質水の流路が形成される。蒸発部51は、外筒41bと内筒41cとの間の内側ガス流通路の上部に位置する蒸発空間に配置されている。改質水供給器5から供給された改質水は、蒸発部51を流れている間に、燃焼排ガスにより加熱されて水蒸気になる。この水蒸気は原料供給器4から供給された原料ガスと混合して改質部43に流入して、ここで、燃焼ガスが生成される。
図18は、停電状態における燃料電池システム100の起動工程の一例を示すフローチャートである。なお、図18のステップS301〜S303は、図6のステップS101〜S103とそれぞれ同様の処理であるため、これらの処理は簡単に説明する。
図18に示すように、停電状態では(ステップS301:YES)、制御器10は、給電状態に比べて、電気ヒータ50の加熱量を低減させる(ステップS302)。そして、燃焼用空気の供給量を給電状態より増大させる、または、可燃性ガスの供給量を給電状態より減少させるようにして、燃焼器42を作動する(ステップS303)。この燃焼器42で加熱された燃焼排ガスが各触媒を加熱するが、燃焼排ガス流通路の上流側に位置する改質触媒に比べて、燃焼排ガス流通路の下流側に位置する変成触媒および選択酸化触媒の温度は上昇し難い。特に、蒸発部51が変成触媒および選択酸化触媒より燃焼排ガス流通路側に位置しているため、燃焼排ガスの熱が蒸発部51の改質水に奪われてしまう。このため、制御器10は、第2温度検知器49による第2検知温度が第4所定温度未満であるか否かを判定する(ステップS304)。この第4所定温度は、変成触媒の適温、たとえば、180〜300℃、好ましくは、200℃、または、選択酸化触媒の適温、たとえば、100〜180℃、好ましくは、170℃に予め設定されている。
第2検知温度が第4所定温度未満であれば(ステップS304:YES)、制御器10は、給電状態より改質水の供給量を給電状態より低減させる(ステップS305)。これにより、改質水の蒸発に使用される燃焼排ガスの熱量が減るため、燃焼排ガスから変成触媒および選択酸化触媒に多くの熱が与えられる。よって、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高まり、燃料処理器41における各触媒を適温にすることができる。
なお、第2検知温度が、第4所定温度またはこれより低い所定温度に達すると、低減していた改質水の供給量を給電状態と同レベルに戻してもよい。
(変形例1)
図19は、実施形態3の変形例1に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図19に示すように、第2検知温度が第4所定温度以上であれば(ステップS1304:YES)、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高くなっているため、制御器10は、改質水の供給量を増大させる(ステップS1305)。これにより、燃焼排ガス、変成触媒および選択酸化触媒から熱を改質水が奪うため、変成触媒および選択酸化触媒の温度が低下し、各触媒が適温になって、燃料処理器41は、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
図19は、実施形態3の変形例1に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図19に示すように、第2検知温度が第4所定温度以上であれば(ステップS1304:YES)、変成触媒および選択酸化触媒の温度が高くなっているため、制御器10は、改質水の供給量を増大させる(ステップS1305)。これにより、燃焼排ガス、変成触媒および選択酸化触媒から熱を改質水が奪うため、変成触媒および選択酸化触媒の温度が低下し、各触媒が適温になって、燃料処理器41は、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
(変形例2)
図20は、実施形態3の変形例2に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図20に示すように、制御器10は、第2検知温度が第4所定温度以上になり、第1検知温度が第5所定温度以上になったか否かを判定する(ステップS2304)。この第5所定温度は、改質触媒の適温、たとえば、550℃以上、好ましくは、600〜650℃に予め設定されている。
図20は、実施形態3の変形例2に係る燃料電池システム100における停電状態の起動工程の一例を示すフローチャートである。図20に示すように、制御器10は、第2検知温度が第4所定温度以上になり、第1検知温度が第5所定温度以上になったか否かを判定する(ステップS2304)。この第5所定温度は、改質触媒の適温、たとえば、550℃以上、好ましくは、600〜650℃に予め設定されている。
第2検知温度が第4所定温度以上になり、かつ、第1検知温度が第5所定温度以上になれば(ステップS2304:YES)、燃料処理器41における各触媒の温度が適温になっているため、制御器10は、改質水の供給量を給電状態と同レベルに戻す(ステップS2305)。これにより、各触媒が適温になって、燃料処理器41は、一酸化炭素が低減された燃料ガスを生成することができる。
(実施の形態4)
図21は、実施の形態4に係る燃料電池システム100に用いられる燃料処理器41を示す断面図である。図21に示すように、燃料処理器41は、第1脱硫器2に加えて、第2脱硫器3をさらに備える。第1脱硫器2は、原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する吸着脱硫器である。第2脱硫器3は、水添脱硫触媒を収容し、原料に含まれる硫黄を水素と反応させた後に吸着することにより原料ガス中の硫黄を除去する水添脱硫器である。第2脱硫器3は、燃料処理器41の改質部43の周りに配置され、高温の改質部43により加熱される。また、第2脱硫器3の周りには電気ヒータ50が配置されており、電気ヒータ50によっても加熱される。なお、変成部44および選択酸化部45を加熱する電気ヒータ50とは別に、第2脱硫器3を加熱する電気ヒータを設けてもよい。
図21は、実施の形態4に係る燃料電池システム100に用いられる燃料処理器41を示す断面図である。図21に示すように、燃料処理器41は、第1脱硫器2に加えて、第2脱硫器3をさらに備える。第1脱硫器2は、原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに吸着して硫黄を除去する吸着脱硫器である。第2脱硫器3は、水添脱硫触媒を収容し、原料に含まれる硫黄を水素と反応させた後に吸着することにより原料ガス中の硫黄を除去する水添脱硫器である。第2脱硫器3は、燃料処理器41の改質部43の周りに配置され、高温の改質部43により加熱される。また、第2脱硫器3の周りには電気ヒータ50が配置されており、電気ヒータ50によっても加熱される。なお、変成部44および選択酸化部45を加熱する電気ヒータ50とは別に、第2脱硫器3を加熱する電気ヒータを設けてもよい。
第2脱硫器3は、第1脱硫器2と並行に位置するように、バイパス経路によって原料供給器4と燃料処理器41とを繋ぐ原料供給経路に接続されている。バイパス経路と原料供給経路との接続位置には、三方弁から構成される切替器3aが設けられている。この切替器3aは、原料供給器4からの原料ガスの供給先を第1脱硫器2と第2脱硫器3との間で切り替える。
停電状態では、制御器10は、給電状態より、第2脱硫器3の硫黄除去量に対する第1脱硫器2の硫黄除去量の割合を増やすように、切替器3aを制御する。これにより、第2脱硫器3を電気ヒータ50で加熱する必要がなく、起動時の消費電力を低減することができる。また、高温の改質部43の熱が第2脱硫器3に与えられるため、改質部43の過熱が防止され、燃料処理器41における各触媒の温度が適温にすることができる。また、高温の改質部43により第2脱硫器3が加熱されて、第2脱硫器3の触媒を適温にすることができる。
(その他の変形例)
燃料処理器41は、燃焼器42の燃焼によって生成された燃焼排ガスが改質部43を加熱した後にCO低減部44、45を加熱するよう構成されていればよい。たとえば、箱状の容器内に、仕切りが設けられており、その仕切りで区切られた空間に改質触媒、変成触媒および選択酸化触媒がそれぞれ分けて配置されている。
燃料処理器41は、燃焼器42の燃焼によって生成された燃焼排ガスが改質部43を加熱した後にCO低減部44、45を加熱するよう構成されていればよい。たとえば、箱状の容器内に、仕切りが設けられており、その仕切りで区切られた空間に改質触媒、変成触媒および選択酸化触媒がそれぞれ分けて配置されている。
なお、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や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、本発明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。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明の燃料電池システムは、停電時における起動電力の低減を図りつつ、各部の劣化および費用の上昇を抑えた燃料電池システム等として有用である。
2 第1脱硫器
3 第2脱硫器
5 改質水供給器
10 制御器
11 停電検知器
14 電力負荷
15 系統電源
41 燃料処理器
42 燃焼器
43 改質部
44 変成部(CO低減部)
45 選択酸化部(CO低減部)
46 第1空気供給器
47 第2空気供給器
48 第1温度検知器
49 第2温度検知器
50 電気ヒータ
51 蒸発部
60 燃料電池スタック(燃料電池)
61 酸化剤ガス供給器
100 燃料電池システム
200 電力供給器
3 第2脱硫器
5 改質水供給器
10 制御器
11 停電検知器
14 電力負荷
15 系統電源
41 燃料処理器
42 燃焼器
43 改質部
44 変成部(CO低減部)
45 選択酸化部(CO低減部)
46 第1空気供給器
47 第2空気供給器
48 第1温度検知器
49 第2温度検知器
50 電気ヒータ
51 蒸発部
60 燃料電池スタック(燃料電池)
61 酸化剤ガス供給器
100 燃料電池システム
200 電力供給器
Claims (11)
- 系統電源と連系する燃料電池システムであって、
水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
炭化水素成分を含む原料と改質水とを反応させて前記燃料ガスを生成する改質部と、前記燃料ガス中の一酸化炭素を低減するCO低減部と、を備えている燃料処理器と、
供給された可燃性ガスを燃焼して前記燃料処理器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器に燃焼用空気を供給する第1空気供給器と、
前記CO低減部を加熱する電気ヒータと、
前記電気ヒータに電力を供給する電力供給器と、
前記系統電源から前記燃料電池システムに電力が供給されない停電を検知する停電検知器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記燃料電池の発電前において前記停電検知器が前記停電を検知している停電状態では、
前記停電検知器が前記停電を検知していない給電状態より、前記燃焼用空気の供給量の増大および前記可燃性ガスの供給量の減少のうちの少なくとも一方を行い、かつ、前記電気ヒータの加熱量を低減させるように構成されている、燃料電池システム。 - 前記改質部の温度を検知する第1温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、
前記第1温度検知器による第1検知温度が第1所定温度以上である場合には、
前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、
前記電気ヒータの加熱量を増大させる、
ように構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記CO低減部の温度を検知する第2温度検知器をさらに備え、
前記制御器は、
前記第2温度検知器による第2検知温度が第2所定温度以下である場合には、
前記燃焼用空気の供給量を増大させる、または、
前記電気ヒータの加熱量を増大させる、
ように構成されている、請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記改質部の温度を検知する第1温度検知器と、
前記CO低減部の温度を検知する第2温度検知器と、をさらに備え、
前記制御器は、
前記第1温度検知器による第1検知温度が前記第2温度検知器による第2検知温度より高く、かつ、前記第1検知温度と前記第2検知温度との差が第3所定温度以上である場合には、
前記燃焼用空気の供給量の増大、前記可燃性ガスの供給量の減少、および前記電気ヒータの加熱量の増大のうちの少なくとも一つを行うように構成されている、請求項1〜3のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御器は、
前記燃焼器が燃焼を開始してからの経過時間が所定時間に達した場合には、
前記電気ヒータの加熱量を増大させるように構成されている、請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記改質部の温度を検知する第1温度検知器と、
前記CO低減部の温度を検知する第2温度検知器と、
前記改質水を前記燃料処理器へ供給する水供給器と、
前記CO低減部と熱交換して、前記改質水から水蒸気を生成する蒸発部と、をさらに備え、
前記第2温度検知器による第2検知温度が第4所定温度未満である場合には、
前記制御器は、前記給電状態より前記改質水の供給量を低減させるように構成されている、請求項1〜5のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御器は、
前記第2検知温度が前記第4所定温度以上である場合には、
前記改質水の供給量を増やすように構成されている、請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記制御器は、
前記第2検知温度が前記第4所定温度以上であり、かつ、前記第1温度検知器による第1検知温度が第5所定温度以上である場合には、
前記改質水の供給量を前記給電状態に戻すように構成されている、請求項6または7に記載の燃料電池システム。 - 前記CO低減部は、一酸化炭素と水とを反応させて一酸化炭素を低減する変性部と、一酸化炭素と酸素とを反応させて一酸化炭素を低減する選択酸化部と、を備えており、
前記選択酸化部へ空気を供給する第2空気供給器をさらに備え、
前記制御器は、前記給電状態より前記選択酸化部への空気の供給量を増やして前記第2空気供給器に前記空気を供給させるように構成されている、請求項1〜8のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させずに除去する第1脱硫器と、
前記原料に含まれる硫黄を水素と反応させて除去する第2脱硫器と、をさらに備え、
前記電気ヒータは、前記CO低減部と共に、前記第2脱硫器を加熱し、
前記制御器は、前記給電状態より、前記第2脱硫器による前記硫黄の除去量に対する前記第1脱硫器による前記硫黄の除去量の割合を増やすように構成されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料処理器は、前記燃焼器の燃焼によって生成された燃焼排ガスは、前記改質部を加熱した後に、前記CO低減部を加熱するように構成されている、請求項1〜10のうちのいずれか一項に記載の燃料電池システム。
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