TW201143198A - Fuel cell system, reformer system, and method for driving fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system, reformer system, and method for driving fuel cell system Download PDF

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Description

201143198 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種包括藉由利用改質觸媒將原燃料改質 而生成含有氫之改質氣體的改質器之改質器系統、進而包 括使用改質氣體作為燃料之燃料電池之燃料電池系統及 運轉方法。 ' 【先前技術】 作為先前之燃料電池系統，眾所周知有具備燃料極氮供 給設備者，該燃料極氮供給設備於停止利用固體氧化物形 燃料電池所進行之發電時，將儲存於液氮儲存槽中之氮供 給至燃料電池之燃料極（例如參照專利文獻”。根據該類燃 料電池系統，可於停止利用固體氧化物形燃料電池所進行 之發電時’防止於燃料電池中燃料極所使用之錄等氧化而 膨服’其結果能夠避免包含氧化紀穩定化氧化錯等之電解 質破損。 先前技術文獻 專利文獻 專利文獻1 :日本專利特開2004_220942號公報 【發明内容】 發明所欲解決之問題 ;、、：而如上所述之先前之燃料電池系統，雖能夠避免於 停止利用燃料電池所進行之發電時對燃料電池造成損害， 但未考慮到利用燃料電池進行發電時之損害利用燃 料電池進行發電時，於利用改質觸媒將用以發電之原燃料 154925.doc 201143198 改質並將改質氣體供給至燃料電池時，會產生如下事態： 原燃料未充分地改質而以未改質氣體之狀態流入燃料電 池。於產生此類事態之情形時’於先前之燃料電池系統 中’存在因未改質氣體之流入而對發電中之燃料電池造成 損害之問題。 因此’本發明係為解決上述技術問題而完成者，其目的 在於提供一種能夠避免對發電中之燃料電池造成損害之燃 料電池系統、改質器系統及燃料電池系統之運轉方法。 解決問題之技術手段 為達成上述目的，本發明之燃料電池系統之特徵在於包 :藉由利用改質觸媒將原燃料改質而生成含有氫之改質 體之改質器；使用改質氣體於單元部進行發電之燃料電 池；將原燃料導入至改質觸媒之原燃料導 觸媒 入部；取得改質
量的導入量減少控制之控制部。 部； 質氣 又，本發明之改質器系統之特徵在於
154925.doc 於包括：藉由利用改 成含有氫之改質氣體之改質器； 之原燃料導入部；取得改質觸媒 之未改質氣體產生資訊取得部； 資訊取得部所取得之未改質氣體 進行減少原燃料之導入量的導 201143198 進而，本發明之燃料電池系統之 包括：,由利用改暂m 堤得方法之特徵在於： ㈣ 媒將原燃料改質而生成改質氣體之 改質器，使用改質氣體於翠元部進行發電之 原燃料導人至改質觸媒之原燃料導人部，及取將 中之未改質氣體產生資訊之未改質 u觸媒 a ^ 又禾改質軋體產生資訊取得部； =Γ入量減少控制步驟’該步驟基於藉由未改質 生資訊取得部所取得之未改質氣體產生資訊，對原 燃料導入部進行減少原燃料之導入量。 ’、 該等燃料電池系統'改質器系統及燃料電池系統之運轉 方法’藉由未改質氣體產生資訊取得部而取得改質觸媒中 之未改質軋體產生資訊，基於該未改質氣體產生資訊，藉 由控制部之導入量減少控制而對原燃料導入部減少原燃料 :導入量。此處’「導入量」係指「單位時間内導入之 量」。藉由利用改質觸媒將原燃料改質而生成改質氣體之 反應係吸熱反應。因此’藉由減少原燃料之導入量，而與 改質氣體之生成量_併減少吸熱量。因此，可防止改質觸 媒之溫度下降至未改質氣體產生溫度。藉此，防止未改質 氣體之產生，將改質氣體供給至燃料電池。因此，可避免 對發電中之燃料電池造成損害。此處，所謂未改質氣體產 生資訊’係#與未改質氣體之產生可能性相關之資訊。 又，可為如下態樣：控制部對燃料電池進一步進行抑制 發電量之發電量抑制控制之態樣。 根據該燃料電池系統，若減少原燃料之導入量，則改質 氣體之生成量隨之減少’但減少原燃料之導入量之同時對 154925.doc 201143198 燃料電池抑制發電量。因此 電池之間之平衡。 可較佳地維持改質器及燃料 又 ，可為如下態樣：未改質氣體產生資訊係改質觸媒之 溫度’：未改質氣體產生資訊.取得部係檢測改質觸媒溫度 之觸媒溫度檢測部。 改質觸媒之溫度對有無產生未改質氣體造成巨大影塑。 根據該燃料電池线，因將改質觸媒之溫度設為未改i氣 體產生資訊’故可更加確實地防止未改質氣體之產生。 又’可為如下態樣：於藉由觸媒溫度檢測部所檢測出之 溫度為高於未改質氣體產生溫度之第旧值以下之情形 時，控制部對原燃料導入部進行減少原燃料之導入量的導 入量減少控制。 根據該燃料電池系統，於藉由觸媒溫度檢測部所檢測出 之改質觸媒之溫度為高於未改質氣體產生溫度之第丨閾值 以下之隋形時，藉由控制部之導入量減少控制，而對原燃 料導入部減少原燃料之導入量。藉由利用改質觸媒將原燃 料改負而生成改質氣體之反應係吸熱反應。因此，藉由減 少原燃料之導入量，而與改質氣體之生成量一併減少吸熱 量。因此，可防止改質觸媒之溫度下降至未改質氣體產生 溫度。藉此，防止未改質氣體之產生，將改質氣體供給至 燃料電池。因此可避免對發電中之燃料電池造成損害β 又’可為如下態樣：於藉由觸媒溫度檢測部所檢測出之 溫度為高於未改質氣體產生溫度之第1閾值以下之情形 時’控制部對燃料電池進行抑制發電量之發電量抑制控 154925.doc •6· 201143198 制。 根據該燃料電池系統，若減少原燃料之導入量，則改質 氣體之生成量隨之減少，但減少原燃料之導入量之同時對 燃料電池抑制發電量°因此’可較佳地維持改質器及燃料 電池之間之平衡。 又，可為如下態樣：第丨閾值係根據未進行導入量減少 控制之情形時的原燃料導人至改質觸媒中之導人量而預先 設定。 通常，未改質氣體產生溫度係根據未進行導入量減少控 制之情形時的原燃料導人至改質觸媒中之導人量而決定。 根據該改質器系統’係根據未進行導入量減少控制之情形 時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先設定第竭 值，因此可更加有效地防止未改質氣體之產生。 可為如下態樣.自開始進行導入量減少控制起經過 第1時間後，藉由觸媒溫度檢測部所檢測出之溫度未達高 於未改質氣體產生溫度且低於第i閾值之第2閾值之情形 時’控制部對原燃料導人部進行停止原燃料之導人的導入 停止控制。 ，燃料電池系統’於藉由觸媒溫度檢測部所檢測出 之/皿度未達同於未改質氣體產生溫度之第2閾值之情形 時’藉由控制部進行導人停止控制而停止原燃料之導入。 若如此停止原燃料之導入’則改質器中之改質氣體之生成 反應停止’並且防止未改質氣體之產生。因此，可避免對 燃料電池造成損害。 154925.doc 201143198 制 定 又，可為如下態樣：第2閣值係根據進行導入量減少控 之情形時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先設 根據該燃料電池系統，係根據進行導人量減少控制之情 形時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先設定第2 間值，故可更加有效地防止未改質氣體之產生。 又’可為如下態樣：開始進行導入量減少控制後，繼第 1時間經過第2時間後’藉由觸媒溫度檢測部所檢測出之溫 度為高於上述第丨閾值之第3閾值以上之情形時，控制部= 除導入量減少控制。 根據該燃料電池系統，於藉由觸媒溫度檢測部所檢測出 之溫度為高於第1閾值之第3閾值以上之情形時，藉由控制 部解除原燃料之導入量減少控制，藉由此種控制，可於改 質器中面防止未改質氣體之產生一面恢復改質氣體之生 成量。因此，可不對燃料電池造成損害而恢復利用燃料電 池之發電量。 又，可為如下態樣：進而具備檢測單元部之溫度之單元 部溫度檢測部，開始進行導入量減少控制後，繼第丨時間 經過第2時間後，藉由觸媒溫度檢測部所檢測出之溫度為 高於第1閾值之第3閾值以上，且藉由單元部溫度檢測部所 檢測出之溫度為預先設定之第4閾值以上之情形時，控制 部解除導入量減少控制。 根據該燃料電池系統，藉由觸媒溫度檢測部所檢測出之 溫度為高於第1閾值之第3閾值以上，且藉由單元部溫度檢 154925.doc 201143198 測部所檢測出之溫度為預先設定之第4閾值以上之情形 時，藉由控制部解除原燃料之導入量減少控制。藉由此種 控制，可於改質器中一面防止未改質氣體之產生—面恢復 改質氣體之生成量’並且可於燃料電池中使用恢復生成量 之改質氣體於單元部較佳地進行發電。因此，可不對燃料 電池造成損害而恢復利用燃料電池之發電量。 又，可為如下態樣：第3閾值係根據進行導入量減少控 制之情形時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先設 定。 根據該燃料電池系統，係根據進行導入量減少控制之情 形時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先設定第3 間值’故可更加有效地防止未改質氣體之產生。 又，可為如下態樣：第4閾值係根據未進行導入量減少 控制之情形時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先 设定。 根據該燃料電池系統，係根據未進行導入量減少控制之 障形時的原燃料導入至改質觸媒中之導入量而預先設定第 4閾值’故可更加有效地防止未改質氣體之產生。 發明之效果 根據本發明，可避免對發電中之燃料電池造成損害。 【實施方式】 以下’針對本發明之較佳實施形態，—面參照圖式一面 進行說明。 如圖1所示’本實施形態之燃料電池系統1包括：藉由利 154925.doc 201143198 用改質觸媒2a將原燃料改質而生成含有氫之改質氣體之改 質器2、及使用改質氣體作為燃料之固體氧化物形燃料電 池12。 改質器2係利用改質觸媒2&使原燃料及水蒸氣（水）發生水 蒸氣改質反應而生成改質氣體。由於水蒸氣改質反應為吸 熱反應’故改質器2於水蒸氣改質反應中利用燃料電池j 2 之排熱。作為改質觸媒2a，可使用公知之觸媒作為水蒸氣 改質觸媒。 作為原燃料’可使用自固體氧化物形燃料電池之領域中 公知之烴系燃料’即分子中含有碳與氫之化合物（亦可含 有氧等其他元素）或其混合物中適當地選擇者作為改質氣 體之原料。例如烴類、醇類、醚類等分子中含有碳與氫之 化合物。更具體而言’為曱烷、乙烷、丙烷、丁烷、天然 氣、LPG(液化石油氣）、都市煤氣、汽油、石腦油、煤 油、輕油等烴類’曱醇、乙醇等醇類，二曱醚等醚類等。 其中’因煤油或LPG容易得到，故較佳。又，因煤油或 LPG可獨立儲存，故可用於未普及都市煤氣管線之地域。 進而’利用煤油或LPG之固體氧化物形燃料電池作為緊急 用電源較為有用。 燃料電池12係使用改質器2中生成之改質氣體作為燃 料’利用使稱為SOFC(Solid Oxide Fuel Cells，固態氧化 物燃料電池）之複數個單元積層而成之電池堆13進行發 電。各個單元係藉由將作為固體氧化物之電解質配置於燃 料極與空氣極之間而構成◦電解質包含例如氧化釔穩定化 154925.doc -10· 201143198 氧化锆（YSZ)，並於800°c〜1000t之溫度下傳導氧化物離 子。燃料極包含例如鎳與YSZ之混合物，使氧化物離子與 改質氣體中之氫發生反應’生成電子及水。空氣極包含例 如銷亞猛酸鑭，使空氣中之氧與電子發生反應，生成氧化 物離子。 又’燃料電池系統1包括：將原燃料導入至改質觸媒2a 之原燃料導入裝置（原燃料導入部、將水蒸氣導入至改質 觸媒2a之水導入裝置4、及於陰極（空氣極）中導入空氣之陰 極用空氣導入裝置（未圖示）。原燃料導入裝置3具有用以導 入原燃料之原燃料導入管或用以調節原燃料之導入量的導 入量調節閥等。同樣，陰極用空氣導入裝置具有用以導入 空氣之空氣導入管或用以調節空氣之導入量的導入量調節 閥等。又，水導入裝置4具有用以導入水之水導入管或用 以調節水之導入量的導入量調節閥等。於本實施形態中， 水導入裝置4將水導入至改質器2中。該水係藉由改質器2 或在改質器2之外設置之氣化器而被氣化，並作為水蒸氣 導入至改質觸媒2a中。 進而，燃料電池系統1包括：控制系統整體之控制裝置 (控制邛）5、檢測改質觸媒以溫度之觸媒溫度檢測器（觸媒 溫度檢測部）6、及檢測燃料電池12之電池堆13之溫度之電 池堆狐度檢測器(單元部溫度檢測部)14。改質觸媒h之溫 度相當於作為與未改質氣體之產生可能性相關之資訊的未 改質氣體產生資訊。觸媒溫度檢測器6相當於未改質氣體 產生資訊取得部。 154925.doc 201143198 溫度檢測器6、14例如為熱電偶。觸媒溫度檢測器6係設 置於改質器2内之複數個位置上，各觸媒溫度檢測器6之測 溫接點係配置於藉由原燃料導入裝置3而導入之原燃料之 流路之中心軸線上。電池堆溫度檢測器丨4係設置於電池堆 13内之複數個位置上，各電池堆溫度檢測器14之測溫接點 係配置於構成電池堆13之單元上或單元附近。 控制裝置5係根據操作者之操作而進行啟動系統整體之 控制。又，控制裝置5取得藉由觸媒溫度檢測器6所檢測出 之改質觸媒2a之溫度及藉由電池堆溫度檢測器14所檢測出 之電池堆13之溫度，基於取得之各部溫度而控制原燃料導 入裝置3、水導入裝置4及燃料電池12。 更詳細而言，控制裝置5藉由基於改質觸媒以之溫度及 電池堆丨3之溫度實行特定之處理，而對原燃料導入裝置] 及燃料電池12作出指示，以抑制改質器2及燃料電池12中 之負荷（以下’稱該指示為「改質器2及燃料電池12之負荷 抑制指示」）。即’控制裝置5對原燃料導人裝置3進行減 少原燃料之導入量之控制(導入量減少控制）。又，控制裝 置5進行原燃料之導入量之減少控制，並且對燃料電池12 進行抑制發電量之控制(發電量抑制控制）。再者，對該燃 料電池12之發電量之抑制控制中，控制裝置5亦可進行轉 移至所謂「熱待機」之控制，即於電池堆13之溫度為動作 溫度之狀態下使燃料電池系⑹待機。又，控制裝置5亦可 進订原燃料之導人量減少㈣，並且對水導人裝置4進行 減少水之導入量之控制。 154925.doc 12 201143198 進而，控制裝置5係藉由基於改質觸媒2a之溫度及電池 堆Π之溫度實施特定之處理而使系統停止。即，控制裝置 5對原燃料導入裝置3進行停止原燃料之導入之控制（導入 仔止控制）。又，控制裝置5進行原燃料之導入停止控制， 並且對燃料電池12進行停止發電之控制。於該系統停止 時，較佳為一面進行除冷直至燃料電池12達到無需含有氫 之氣體之溫度帶，一面實施改質。因此，控制裝置5係自 通常之運轉時或熱待機狀態，階段性地或連續性地（緩慢 地）降低原燃料導入裝置3中之原燃料之導入量而運轉。再 者，控制裝置5亦可進行原燃料之導入停止控制，並且對 水導入裝置4進行停止水導入之控制。於此情形時，控制 裝置5係自通常之運轉時或熱待機狀態，階段性地或連續 J·生地（緩慢地）降低水導入裝置4中水之導入量而運轉。 又，控制裝置5藉由基於改質觸媒2a之溫度及電池堆13 之《度貫行特定之處理，而對原燃料導入裝置3及燃料電 池12作出指示’以解除抑制改質器2及燃料電池12中之負 荷（以下，稱該指示為「改質器2及燃料電池12之負荷抑制 解除」）。即，控制裝置5對原燃料導入裝置3進行增加原 燃料之導入量之控制。又，控制裝置5進行原燃料之導入 里之增加控制，並且對燃料電池12進行增加發電量之控 制。再者，控制裝置5亦可進行原燃料之導入量增加之控 制，並且對水導入裝置進行增加水導入 量之控制。 進而又，控制裝置5存儲有成為是否轉移至上述各個控 制之判斷標準之複數個閾值（第1閾值〜第4閾值）。該閾值 154925.doc -13- 201143198 ==質觸媒2a之溫度或電池堆13之溫度相關者。又，控 存錯有用以規定進行是否轉移至上述各控制之判 斷之複數個時間（第1時間〜第3時間卜第蹋值係根據通常 運轉時之原燃料導人至改f觸媒2&中之導入量而預 又疋第2閾值及第3間值係、根據進行改質器2及燃料電 ’也12之負荷抑制指示之情形（即負荷抑制後）時之原燃料導 入至改f觸媒2蚪之導入量而預先設定。第4閾值Τ4係根 Τ通常之發電運轉時之原燃料導入至改質觸媒2&中之導入 置或利用燃料電池12之發電量等而預先設定。 於本實施形態中，係藉由該等改質器2、原燃料導入裝 置3、水導入裝置4、控制裝置5及觸媒溫度檢測器“構成 改質器系統10。 其次，針對燃料電池系統I之運轉方法參照圖2及圖3進 行說明。圖2及圖3中所示之各處理係藉由控制裝置5而實 行。 首先’根據操作者之操作而啟動系統整體。即，藉由控 制裝置5，對改質器2、原燃料導入裝置3、水導入裝置4、 及燃料電池12作出完成啟動步驟之指示。藉此，系統整體 轉移至通常之發電運轉模式（穩定運轉模式）。 繼而’如圖2所示，判斷藉由觸媒溫度檢測器6所檢測出 之改質觸媒2a之溫度是否為第1閾值T〗以下（步驟S1)。該第 1閾值T1係未改質氣體產生溫度與通常之發電運轉時之改 質觸媒2a之溫度之間之溫度，例如於原燃料為煤油之情形 時，係400°C〜700°C之溫度。換言之，第1閾值丁丨係高於未 154925.doc -14 - 201143198 文質氣體產生溫度且低於通常之發電運轉時之改質觸媒& 之溫度。此處之判斷處理中使用之改質觸媒2a之溫度可為 利用各觸媒溫度檢測器6所檢測出之複數個溫度之平均 値，亦可為利用特定之觸媒溫度檢測器ό所檢測出之溫 ^以下，於與改質觸媒2a之溫度相關之判斷處理（S4， S7)中亦相同。 此處未改質氣體產生溫度係指利用改質觸媒2a未使原 燃料70全改質，產生可對構成燃料電池12之電池堆13之單 7G把成彳貝害之碳數為2以上之烴氣（未改質氣體），混入至改 質氣體中而開始之溫度（即成為產生所謂之改質事故（slip) 之起點之事故溫度）。該等未改質氣體產生溫度及第1間值 凡係根據未進行改質器2及燃料電池12之負荷抑制指示 時即通*之發電運轉時之原燃料導入至改質觸媒2a之導 入量而預先設定。 於改質觸媒2a之溫度高於第1閾值τ】之情形時，反覆進 行步驟S 1之判斷處理。 於改質觸媒2a之溫度為第i閾值Τι以下之情形時，實行 改質器2及燃料電池12之負荷抑制指示（步驟s2)。即，基 於作為未改質氣體產生資訊之改質觸媒2a之溫度，對原燃 料導入裝置3進行減少原燃料之導入量之控制。再者，亦 可進行原燃料之導入量之減少控制，並且對水導入裝置4 進行減J水導入量之控制。於此情形時，根據原燃料之導 入量之減少而減少水蒸氣之導入量。又，對燃料電池12進 仃抑制發電量之控制。由於藉由此種控制，伴隨改質器2 154925.doc •15- 201143198 中之水蒸氣改質反應（吸熱反應）之吸熱量減少，因此改質 器2中之熱平衡改善（恢復）至良好之狀態。 該等步驟S1及步驟S2相當於導入量減少控制步驟及發電 量抑制步驟。再者’於改質器2以水蒸氣過多之狀態運轉 之情形時’亦可於步驟S2中進行根據原燃料之導入量而增 加水蒸氣之導入量之控制。 繼而，判斷是否自開始改質器2及燃料電池12之負荷抑 制指示後經過第1時間（步驟S3)。該第1時間係根據例如通 常之發電運轉時之原燃料導入至改質觸媒2a之導入量或利 用燃料電池之發電量而預先設定。又，第1時間亦可基於 步驟S 2中原燃料之導入量之減少量、水之導入量之減少量 或者燃料電池12之發電量之抑制量而適當設定。此處，於 未經過第1時間之情形時，反覆進行步驟S3之判斷處理。 於經過第1時間之情形時’判斷藉由觸媒溫度檢測器6所 檢測出之改質觸媒2a之溫度是否為第2閾值丁2以上（步驟 S4)。該第2閾值I係用以判斷改質器2中之熱平衡之良好 性之指標，與第1閾值Tl同樣，將其設為未改質氣體產生 溫度與通常之發電運轉時之改質觸媒2&之溫度之間之溫 度。較佳為，第2閾值T2係高於未改質氣體產生溫度且低 於第1閾值凡之溫度。第2閾值Τ'2係針對每個觸媒溫度檢測 器6而適當地設定。 於改質觸媒2a之溫度未達第2閾值丁2之情形時，使該系 統停止（步驟S5)。即，對原燃料導入裝置3進行停止原燃 料之導入之控制。再者，亦可進行原燃料之導入停止控 154925.doc 16 201143198 制’並且對水導入裝置4進行停止水導入之控制。又，停 止利用燃料電池12所進行之發電。該等停止控制可為轉移 至所謂之「冷待機」者，即於電池堆13之溫度為室溫之狀 態下燃料電池系統1待機，亦可為轉移至所謂之「熱待 機」者，即於電池堆13之溫度為工作溫度之狀態下燃料電 池系統1待機。如此，第2閾值丁2亦具有運轉下限溫度之含 思。即，第2閾值丁2係用以判定是否成為如下狀態之閾 值：即便降低改質器2之負荷，亦未停止熱平衡之崩潰， 產生未改質氣體（改質事故）之危險性極高。步驟S5係因判 定成為產生未改質氣體之危險性較高之狀態，故停止系統 之步驟。 再者，於該步驟S5中之系統之停止控制中，較佳為 進行除冷直至燃料電池12達到無需含有氫之氣體之溫度 帶’-面實施改質。因此’自通常之運轉時或熱待機= 態，階段性地或連續性地（緩慢地）降低導入裝置3中之原燃 料之導入量而運轉，轉移至停止步驟。又，於難以向此種 停止步驟轉移之情形時，亦可立即停止原燃料導入裝置3 中之原燃料之導入量。 於改質觸媒2a之溫度為第2閾值Τ2以上之情形時，判斷 是否經過第1時間後進而經過第2時間（步驟叫。即，判斷 是否自開始改質器2及燃料電池12之負荷抑制指示後，繼 第！時間經過第2日寺間。該第2時間係根據通常之發電運轉 時之原燃料導人至改制媒2a之導人量或利㈣料電池Η 之發電量等而適當設定。此處’於未經過第2時間之情形 154925.doc -17- 201143198 時，返回步驟S 4之判斷處理。 於燃料電池系統！中，藉由步驟s4〜s6中之處理，於第2 時間内暫時性地抑制改質器負荷量及發電量。進而，、一面 監控改質㈣2a之好衡以有崩潰危機，—面保持向獨 立運轉轉移之待機狀態（獨立待機狀態），又，於第2時間内 判斷熱平衡之良好性。而且，於未成為教之熱平衡狀能 之情形時，實施系統停止處理β χ，於第2時間内成為特 定之熱平衡狀態之情形時’轉移至以下說明之處理而繼續 獨立待機狀態。 於步驟S6中經過第2時間之情形時，轉移至圖3所示之處 理，判斷藉由觸媒溫度檢測器6所檢測出之改質觸媒^之 溫度是否為第3間值Τ3以上（步驟S7)e言玄第3間值^係用以 判斷改質器2中之熱平衡良好性之指#，與第2閾值丁2同 樣，將其設為未改質氣體產生溫度與通常之發電運轉時之 改質觸媒2a之溫度之間之溫度。較佳為第3閾值L係高於 第1閾值Τι且通常之發電運轉時之改質觸媒h之溫度以下 之溫度。第3閾值h係針對每個觸媒溫度檢測器6而適當地 設定。 於改質觸媒2a之溫度為第3閾值I以上之情形時，判斷 藉由電池堆溫度檢測器14所檢測出之電池堆13之溫度是否 為第4閾值A以上（步驟S8)。該第4閾值丁4係低於通常之發 電運轉時之電池堆13之溫度的溫度。第4閾值1係根據通 常之發電運轉時之原燃料導入至改質觸媒2a之導入量或利 用燃料電池1 2之發電量專而適當設定。又，此處之判斷處 154925.doc •18· 201143198 理中所使用之電池堆13之溫度可為利用 器14所檢測出之複數個溫度之平均値，亦可為利 電池堆溫度檢測器14所檢測出之溫度。 寻疋之 而且，於電池堆13之溫度為第二值W上之情形時， 實行改質器2及燃料電池丨2 <自 ' 即，對原燃料導入裝置3進行 ） „ 仃增加原燃料之導入量之护 制。再者，亦可與進行原燃料 t 士 .. 〈導入置之增加控制之同 時’對水導入裳置4進行增加水導 .._ 里<控制。又，甜姆 料電池丨2進行增加發電量之控 〜稽田此種控制，燁料雷 統1恢復為通常之發電運轉模式。再者，於步驟82中 進行根據原燃料之導入量而增加水蒸氣導入量之控制之情 料，於該步驟S9中進行根據原燃料之導入量而減少水蒸 氣之導入量之控制。該步驟你 戈驟S9之後，返回步驟S1之判斷處 理。 另-方面’於步驟S7中改質觸媒2a之溫度未達第3間值 τ3之情形時’使該系統停止(步驟S10)e此處之停止控制與 步㈣t之停止控㈣同。如此’第3間值I亦具有運轉 下限溫度之含意。 又’於步驟SW電池堆13之溫度未達第4間值Τ4之情形 時判斷疋否經過第2時間後進而經過第3時間（步驟川）。 该第3時間係根據通常之發電運轉時之原燃料導入至改質 f媒2a之導入量或利用燃料電池12之發電量等而適當設 定。此處，於未經過第3時間之情形時，返回步驟s7之判 斷處理。 154925.doc -19- 201143198 於經過第3時間之情形時，使該系統停止（步驟si2) ^此 處之停止控制與步驟S5、S10中之停止控制相同。如此， 第4閾值I亦具有運轉下限溫度之含意。又第3時間具有 向通常之發電運轉模式恢復時之限制時間之含意。 燃料電池系統1藉由步驟S7、S8、S11中之處理，於第3 時間内暫時性地抑制改質器負荷量及發電量。it而，1 監控改質觸媒2a之熱平衡是否有崩潰危機，一面保持獨立 待機狀態，又，於第3時間内判斷熱平衡之良好性。而 且，於未成為特定之熱平衡狀態之情形時，實施系統停止 處理。又，於第3時間内成為特定之熱平衡狀態之情形 時，解除第3時間是否結束之判斷（倒數），恢復至通常之發 電步驟。 如以上說明，於改質器系統1〇、燃料電池系統丨及其運 轉方法中，於藉由觸媒溫度檢測器6所檢測出之改質觸媒 2a之溫度為高於未改質氣體產生溫度之第i閾值I以下之 情形時，藉由控制裝置5實行改質器2及燃料電池12之負荷 抑制指示。藉由利用改質觸媒2a將原燃料及水改質而生成 改質氣體之反應為吸熱反應。因此，藉由減少原燃料及水 之導入量，吸熱量與改質氣體之生成量一併減少。因此， Ί"防止改質觸媒2a之溫度下降至未改質氣體產生溫度。藉 此，防止未改質氣體之產生，將改質氣體供給至燃料電 池°因此可避免對發電中之燃料電池丨2造成損害。 改質觸媒2a之溫度對有無產生未改質氣體造成巨大影 響。根據該燃料電池系統i，係將改質觸媒2a之溫度設為 154925.doc •20· 201143198 未改質氣體產生資訊，因此可更加確實地防止未改質氣體 之產生。 、^ ’ ^減少原燃料之導人量，則改質氣體之生成量隨之 咸夕仁減；原燃料之導入量之同時對燃料電池工2抑制發 電量。因此，可較佳地維持改質器2及燃料電池12之間之 平衡。 又’於經過第1時間後之第2時間内，於藉由觸媒溫度檢 測器6所檢測出之溫度未達高於改質氣體產生溫度之第2間 值丁2之情形時，藉由控制裝置5使該系統停止。若如此使 系統停止，則改質器2中之改質氣體之生成反應停止，並 且=止未改質氣體之產.生。因此，可避免對燃料電池⑽ 成員。又藉由5又置成為進行此種停止控制之時間標準 之第2時間，可提高系統之穩定性。 又’於經過第2時間後之第3時間内，於藉由觸媒溫度檢 測器所檢測出之溫度為高於第丨閾值凡之第3閾值I以上， 且藉由電池堆溫度檢測器14所檢測出之溫度為預先設定之 第4閾值Τ4以上之情形時，藉由控制裝置5實行改質器之及 燃料電池12之負荷抑制解除。藉由此種控制，可於改質器 2 t面防止未改質氣體之產生一面恢復改質氣體之生成 量’並且可於燃料電池12中使用恢復生成量之改質氣體並 利用電池堆13進行較佳之發電。因此，可不對燃料電池12 造成損害並恢復利用燃料電池12之發電量。 又’於經過第2時間後之第3時間内’於藉由觸媒溫度檢 測器6所檢測出之溫度未達第3閾值Ts之情形時，藉由控制 154925.doc •21 · 201143198 裝置5使該系統停止。若如此使系統停止，則改質器2中之 改質氣體之生成反應停止，並且防止未改質氣體之產生》 因此’可避免對燃料電池12造成損害。又，藉由設置成為 進行此種停止控制之時間標準之第3時間，可進一步提高 系統之穩定性。 又，因根據通常之發電運轉時之原燃料導入至改質觸媒 2a之導入量而預先設定第1閾值Tl，故可更有效地防止未 改質氣體之產生》 又’因根據改質器2及燃料電池12之負荷抑制後之原燃 料導入至改質觸媒2a之導入量而預先設定第2閾值丁2及第3 閾值丁3，故可更有效地防止未改質氣體之產生。 進而又，因根據通常之發電運轉時之原燃料導入至改質 觸媒2a之導入量而預先設定第4閾值η，故可更有效防止 未改質氣體之產生。 以上，對本發明之較佳實施形態進行了說明，但本發明 並不限定於上述實施形態。例如於上述實施形態中，對使 用固體氧化物形燃料電池之情形進行了說明，但本發明亦 可應用於使賴體高分子㈣料電池或熔融碳酸鹽形燃料 電池之燃料電池系統中。 又’於上述實施形態中，針對若第3時間内改質觸媒 之溫度為第3閾值T3W上’則判斷是η池堆13之溫度 第4間值了4以上之情形進行了說明，但亦可省略與步驟 之電池堆U之溫度相關之判斷。即，於第3時間内改質 媒2a之溫度為第3閾值Τ3以上之情形時，亦可實行步驟丨 154925.doc -22· 201143198 之發電量抑制解除控制。 又，於燃料電池12之通常之發電運轉時，亦可利用改質 器2貫現自熱改質反應（atr，Autothermal Reforming)或部 分氧化改質反應。於該等情形時’減少原燃料導入至改質 器2之改質觸媒2a中之導入量，於改質觸媒2a之溫度下降 至未改質氣體產生溫度之前，若使改質觸媒2&之溫度上 升，則於停止利用燃料電池12之發電時，可利用簡單之結 構防止未改質氣體之產生，而能夠避免對燃料電池12造成 損害。再者，於該等情形時，作為改質觸媒以，可使用自 熱改質觸媒或者部分氧化改質觸媒作為公知之觸媒。 進而，燃料電池系統丨可視需要適當地設置間接内部型 SOFC之公知之構成要素。若列舉具體例，則冑：使液體 氣化之氣化器；用以加壓各種流體之泵、遂縮機、鼓風機 等升壓機構；用以調節流體之流量或者用以阻斷/切換流 體之流動的閥門等流量調節機構或流路阻斷/切換機構； 用以進行熱交換·熱回收之熱交換器；使氣體凝結之凝結 =利用蒸氣等自外部加熱各種裝置之加熱/保溫機構： 烴系燃料或可燃物之儲存機構； 控制用信號系統；控制裝置；輸出用系統； 等。 箱〗出用或動力用電氣系統 广於上述實施形態中，針對以下情形進 藉由觸媒溫；ίΡ拾：目,丨5¾ & 、B 1 , 於 I度檢測_檢測出之改質觸 於未改質氣體產生溫度之第i聞值^ 又為问 控制梦罟s杳—# # 之障形時，藉由 役制裝置5貫仃改質器2及燃料 田 之負何抑制指示；作 154925.doc ' -23- 201143198 實行負荷抑制指示之判斷標準並不限於改質觸媒2a之溫 度。 即’亦可具備取得與藉由觸媒溫度檢測器6所檢測出之 改質觸媒2a之溫度相關之資訊之溫度資訊取得部，基於藉 由溫度資訊取得部所取得之溫度資訊，進行控制裝置5之 負何抑制指示。 又’於上述實施形態中，針對以下情形進行了說明：第 2閾值及第3閾值係根據改質器2及燃料電池12之負荷抑制 後之原燃料導入至改質觸媒23之導入量而預先設定；但第 2閾值及第3閾值亦可為不論負荷抑制後之原燃料之導入量 如何而固定之値。 工剌眾置5之負荷抑制指示不僅可基於與改質觸媒 2a等之溫度相關之資訊，亦可基於其他資訊。例如亦可具 備檢測改質器2中生成之改質氣體之組成(例如氫之比例： 未改質氣體之比例等）之改質氣體組成檢測裝置（未改質氣 體產生資訊取得部）’基於利用該改質氣體組成檢測裝置 所得之改質氣體之組成之檢測結果，進行控制裝置5之導 入量減少控制或發電量抑制控制。於此情形時，可將改質 氣體中之特定氣體之比例（例如氫）係特定之閾值以下作為 進行導入量減少控制或發電量抑制控制時之判定條件。此 處’利用改質氣體組成檢測裝置所檢測出之改質氣體之植 成相當於未改質氣體產生資訊。再者，亦可取得與改質觸 媒2a或電池堆13之溫度相關之資 去μ 氣體之組成作為 未改質軋體產生資訊，基於該等資 β進仃導入量減少控制 154925.doc •24· 201143198 或發電量抑制控制。 如此’基於由包括改f觸媒2a溫度之各種參數所運算出 實行控制裝置5之負荷抑制指示，藉此可實現可 罪性更咼之系統。 產業上之可利用性 根據本發明，可避免對發電中之燃料電池造成損害。 【圖式簡單說明】 之略地表示本發明之燃料電池系統之—實施形態 之方塊圖； 圖2係表示圖1所示之姆.料雷、、士备μ a 圖；及 U科電池系統中之控制程序之流程 圖3係表 示繼圖2之控制程序之流 【主要元件符號說明】 1 燃料電池系統 2 改質器 2a 改質觸媒 3 原燃料導入裝置（原燃料導入部） 4 水導入裝置 5 控制裝置（控制部） 6 觸媒溫度檢測器（觸媒溫度檢測部） 10 改質器系統 12 燃料電池 13 電池堆（單元部） 14 電池堆溫度檢測器（單元部溫度檢測部） Τι 〜Τ4 第1閾值〜第4閾值 154925.doc -25·

Claims (1)

  1. 201143198 七、申請專利範圍： 1· 一種燃料電池系統，其特徵在於包括： 藉由利用改質觸媒將原燃料及水改質而生成含有氫之 改質氣體之改質器； 使用上述改質氣體於單元部進行發電之燃料電池； 將上述原燃料導入至上述改質觸媒之原燃料導入部； 取得上述改質觸媒中之未改質氣體產生資訊之未改質 氣體產生資訊取得部；及 基於藉由上述未改質氣體產生資訊取得部所取得之上 述未改質氣體產生資訊，對上述原燃料導入部進行減少 上述原燃料之導入量的導入量減少控制之控制部。 2. 如明求項1之燃料電池系統，其中上述控制部對上述燃 料電池進一步進行抑制發電量之發電量抑制控制。 3. 如請求項丨或2之燃料電池系統，其中上述未改質氣體產 生資汛係上述改質觸媒之溫度，上述未改質氣體產生資 訊取得部係檢測上述改質觸媒溫度之觸媒溫度檢測部。 4. 如明求項3之燃料電池系統，其中於藉由上述觸媒溫度 檢測部所檢測出之上述溫度為高於未改質氣體產生溫度 之第1閾值以下之情形時，上述控制部對上述原燃料導 入部進行減少上述原燃料之導入量的導入量減少控制。 5. 如請求項3或4之燃料電池系統，其中於藉由上述觸媒溫 度檢測部所檢測出之上述溫度為高於未改質氣體產生溫 度之第1閾值以下之情形時，上述控制部對上述燃料電 池進行抑制發電量之發電量抑制控制。 154925.doc 201143198 6.如請求項4或5之燃料電池系統，其中上述第】間值係根 據未進行上述導人量減少控制之情形時的上述原燃料導 入至上述改質觸媒中之導入量而預先設定。 如請求項4至6中任_項之燃料電池㈣，其中自開始進 行上述導入量減少控制起經過第“夺間後，藉由上述觸 媒溫度檢測部所檢測出之上述溫度未達高於上述未改質 氣體產生溫度且低於上述第！間值之第2間值之情形時， 上述控制部對上述原燃料導人部進行停止上述原燃料之 導入之導入停止控制。 8. 9. 如以項7之燃料電池系、統，其t上述第2閾值係根據進 行上述導人量減少控制之情形時的上述原燃料導入至上 述改質觸媒中之導入量而預先設定。 如請求項4至8中任—項之燃料電池系統，其中開始進行 上述導入量減少控制後’繼上述第1時間經過第2時間 後，藉由上述觸媒溫度檢測部所檢測出之上述溫度為高 於上述第丨閾值之第3閾值以上之情形時，上述控：部： 除上述導入量減少控制。 10.如请求項4至8中任一項之燃料電池系統，其中更包括 測上述單元部溫度之單元部溫度檢測部，且 、開始進仃上述導入量減少控制後’繼上述第【時間經 過第2時間後’藉由上述觸媒溫度檢測部所檢測出之上 述溫度為高於上述第1閾值之第3閾值以 罝_ 稭由上述 早兀。P溫度檢測部所檢測出之上述溫度為預先設定之第 閾值以上之情形時，上述控制部解除上述導入量減，1、 154925.doc 201143198 控制。 U,如請求項9或10之燃料電池系統，其中上述第3閾值係根 據進行上述導入量減少控制之情形時的上述原燃料導入 至上述改質觸媒中之導入量而預先設定》 12. 如請求項1()之燃料電池系統，其中上述第4閾值係根據 未進行上料入量減少控制之情形時的±述原燃料導入 至上述改質觸媒中之導入量而預先設定。 13. —種改質器系統，其特徵在於包括： 藉由利用改質觸媒將原燃料及水改質而生成含有氫之 改質氣體之改質器； ，，"·、，·, f 八即, 取得上述改質觸媒中之未改質氣體產生資訊之未改質 氣體產生資訊取得部；及 基於藉由上述未改質氣體產生資訊取得部所取得之上 述未改質氣體產生資訊，對上述原燃料導人部進行減少 上述原燃料之導入量的導入量減少控制之控制部。 14. -種燃料電池系統之運轉方法，其特徵在於： 上述燃料電池糸站A k _ 及欢改-… 用改質觸媒將原燃料 7 、含有氫之改質氣體之改質器；使用上述 改質氣體於單元部進行發電之燃料電池;將上料J 導入至上述改f觸媒之原燃料導人部·及 过改、曾 觸媒令之未改質氣體產生述改質 得部；且 ^之未改質氣體產生資訊取 上述燃料電池系 統之運轉方法包括導入量 減少控制步 J54925.doc 201143198 驟，該步驟係基於藉由上述未改質氣體產生資訊取得部 所取得之上述未改質氣體產生資訊，對上述原燃料導入 部減少上述原燃料之導入量。 154925.doc
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