JP4981281B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ
Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミクッスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。

上述のＳＯＦＣは、定格運転時には自らの発熱により上記作動温度を維持し、定格運転を継続する（熱自立する）ことができる。しかし、ＳＯＦＣの起動の際には、外部から高温熱源で加熱する必要があり、さまざまな加熱用の技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１３４２６３号公報

上述の特許文献１においては、ＳＯＦＣに供給される空気を外部に設置したバーナの燃焼熱により加熱し、加熱された空気をＳＯＦＣに供給することで起動時の昇温を図る技術が開示されている。
しかしながら、バーナ燃焼によりＳＯＦＣの起動時における昇温を図る場合には、起動専用のバーナ等の起動用ヒータと、当該起動用ヒータにおいて発生した熱により空気を予熱する起動用予熱器とを、ＳＯＦＣに追加して配置する必要があった。
つまり、ＳＯＦＣの補機（ＢＯＰ：Ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ Ｐｌａｎｔ）が増加し、ＳＯＦＣのシステムが複雑化するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、起動時における燃料電池システムの温度を昇温させることができるとともに、燃料電池システムを簡素化、製造コスト低減化を図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制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給され、発電を行う燃料電池セルと、前記燃料ガスおよび／または前記燃料電池セルから排出された排出燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、該燃焼部から排出された燃焼ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前記酸化剤ガスを予熱する外部酸化剤ガス予熱器と、前記燃料電池セルから排出された排出酸化剤ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前の前記酸化剤ガスを予熱する内部酸化剤ガス予熱器と、を有し、前記外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、前記内部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、が別々に前記燃料電池セルへ供給されていることを特徴とする。

本発明によれば、外部酸化剤ガス予熱器において、燃焼部から排出された燃焼ガスの熱を酸化剤ガスに与え、酸化剤ガスを予熱した後に燃料電池セルに供給している。そのため、燃焼ガスの熱により燃料電池セルを昇温させることができる。
また、例えば、燃料電池システムの起動時であっても、燃焼部から排出される燃焼ガスは高温であるため、燃料電池セルを昇温させることができる。

排出燃料ガスに含まれる未燃燃料ガスを処理するために従来から備えられていた燃焼部から排出される燃焼ガスを用いて酸化剤ガスを予熱するため、特許文献１のように別個に起動時用ヒータを用いなくとも、酸化剤ガスを予熱でき燃料電池セルを昇温させることができる。

本発明によれば、内部酸化剤ガス予熱器において、燃料電池セルから排出された排出酸化剤ガスの熱を酸化剤ガスに与え、予熱された酸化剤ガスを燃料電池セルに供給している。そのため、排出酸化剤ガスの熱により燃料電池セルを加熱することができる。
例えば、燃料電池モジュールが所定温度で定格運転されている場合、外部酸化剤ガス予熱器のみを備える場合と比較して、燃料電池セルの温度を効率よく上記所定温度に保つことができる。

外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、内部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスとを、別々に燃料電池セルへ供給することにより、例えば起動時において、外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスを高温の状態のまま燃料電池セルへ供給できる。
つまり、起動時において、内部酸化剤ガス予熱器は外部酸化剤ガス予熱器よりも低温であるため、外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスは、内部酸化剤ガス予熱器をバイパスさせることにより、高温状態を維持することができ、燃料電池セルを効率よく昇温させることができる。

また、上記発明においては前記燃焼部に、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段が備えられ、前記燃焼部において前記燃料ガスを燃焼させることが望ましい。
本発明によれば、燃料ガス供給手段により燃料ガスを供給することで、燃焼部において燃料ガスを燃焼させることができる。そのため、例えば、燃料電池モジュールの起動時に、燃料ガスを、燃料電池セルを通過させることなく、燃焼部に供給できるため、燃料ガスの通過による燃料電池セルの温度低下を防止できる。

本発明の燃料電池システムの制御方法によれば、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給され、発電を行う燃料電池セルと、前記燃料ガスおよび／または前記燃料電池セルから排出された排出燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、該燃焼部から排出された燃焼ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前の前記酸化剤ガスを予熱する外部酸化剤ガス予熱器と、前記燃料電池セルから排出された排出酸化剤ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前の前記酸化剤ガスを予熱する内部酸化剤ガス予熱器と、を有し、前記外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、前記内部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、が別々に前記燃料電池セルへ供給されている燃料電池モジュールの制御方法であって、前記燃料電池セルの温度が所定温度に到達する前は、前記酸化剤ガスを、前記外部酸化剤ガス予熱器を介して前記燃料電池セルへ供給し、前記燃料電池セルの温度が前記所定温度に到達した後は、前記酸化剤ガスを、前記外部酸化剤ガス予熱器および前記内部酸化剤ガス予熱器を介して前記燃料電池セルへ供給することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルの温度が所定温度に到達する前は、酸化剤ガスを、外部酸化剤ガス予熱器を介して燃料電池セルへ供給するため、酸化剤ガスを高温の状態で燃料電池セルへ供給できる。そのため、燃料電池セルを効率よく昇温させることができる。
燃料電池セルの温度が所定温度に到達した後は、酸化剤ガスを、外部酸化剤ガス予熱器および内部酸化剤ガス予熱器を介して燃料電池セルへ供給する。そのため、内部酸化剤ガス予熱器のみで酸化剤ガスを予熱する場合と比較して、内部酸化剤ガス予熱器に求められる熱交換能力を低くすることができ、小型化することができる。

上記発明においては、前記燃焼部及び前記燃焼部と前記外部酸化剤ガス予熱器との間の燃焼ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、前記燃焼部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、を備え、前記酸化剤供給部から供給される酸化剤ガスの流量と、前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスの流量と、を制御することにより、前記外部酸化剤ガス予熱器から排出される燃焼排ガスの温度を制御するとともに、前記外部酸化剤ガス予熱器から前記燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスの温度を制御することが望ましい。

本発明によれば、酸化剤供給部から供給される酸化剤ガスの流量と、燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスの流量とを制御することにより、外部酸化剤ガス予熱器から排出される燃焼排ガスの温度を調整することができる。そのため、燃料電池システムの後段に電気や熱の回収装置を設置する場合に有利となる。
また、外部酸化剤ガス予熱器から燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスの温度を制御することにより、燃料電池セルの温度を制御しやすくなる。

本発明の燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法によれば、外部酸化剤ガス予熱器において、燃焼部から排出された燃焼ガスの熱を酸化剤ガスに与え、酸化剤ガスを予熱した後に燃料電池セルに供給しているため、燃焼ガスの熱により燃料電池セルを昇温させることができる。そのため、起動時における燃料電池モジュールの温度を昇温させることができるという効果を奏する。

燃焼部から排出される燃焼ガスを用いて酸化剤ガスを予熱するため、特許文献１のように別個に起動時用ヒータを用いなくとも、酸化剤ガスを予熱でき燃料電池セルを昇温させることができる。そのため、構成要素の削減を図ることにより、燃料電池モジュールのシステムを簡素化、製造コスト低減化を図ることができるという効果を奏する。

この発明のＳＯＦＣシステムの一実施形態ついて図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態のＳＯＦＣモジュールの概略を説明する模式図である。

ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２は、図１に示すように、供給された空気（酸化剤ガス）を予熱する内部空気予熱器（内部酸化剤ガス予熱器）３と、供給された燃料ガス（例えば都市ガスや天然ガスなど）を改質する内部改質器（プレリフォーマ）５と、改質された燃料ガスと空気とを反応させて発電を行なう発電室（燃料電池セル）７と、から概略構成されている。

内部改質器５は、発電室７を通過した高温の排出空気の熱を受けて燃料ガスの改質を行なっている。具体的には、燃料ガスを水素や一酸化炭素に改質している。内部空気予熱器３は、後述する定格用空気供給流路１１から供給された空気と、内部改質器５を通過した高温の排出空気（排出酸化剤ガス）との間で熱交換して空気を予熱している。
なお、内部改質器５に流入する燃料ガスは、燃料予熱器６において発電室７から排出された排出燃料ガスの熱を用いて予熱されている。

ＳＯＦＣモジュール２の内部改質器５には燃料予熱器６で予熱された燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路９が接続され、内部空気予熱器３には空気を供給する定格用空気供給流路１１が接続されている。定格用空気供給流路１１には、空気の流れを制御する定格用制御弁１３が備えられている。燃料ガス供給流路９には、燃料ガスの流れを制御する燃料ガス制御弁１４が備えられている。

ＳＯＦＣシステム（燃料電池システム）１には、排出燃料ガスを燃焼させる燃焼器（燃焼部）１５と、燃焼器１５から排出された燃焼ガスにより空気を予熱する外部空気予熱器（外部酸化剤ガス予熱器）１７と、が備えられ、発電室７から排出された排出燃料ガスを燃焼器１５へ導く排出燃料ガス流路１９と、内部空気予熱器３を通過した排出空気を燃焼器１５へ導く排出空気流路２１とが設けられている。
燃焼器１５には、燃料ガスを直接供給する燃料ガス供給流路（燃料ガス供給手段）１６と、空気供給部１８から空気を供給する空気供給流路１８ａと、が接続されている。空気供給流路１８ａは分岐されており、燃焼器１５に空気を供給する流路と、燃焼器１５と外部空気予熱器１７との間の燃焼ガス流路に空気を供給する流路とから構成される。燃料ガス供給流路１６には燃料ガス流量を調節する燃料ガス調節部１６ｂが備えられ、空気供給部流路１８ａには、空気流量を調節する空気調節部１８ｂおよび１８ｃが備えられている。

なお、燃焼器１５における燃焼としては、バーナを用いた燃焼であっても良いし、燃焼触媒を用いた触媒燃焼であってもよく、特に限定するものではない。
なお、上述の燃料ガス調節部および空気調節部には、公知の一般的な流量調整弁、例えば流量調節可能なバルブ等を用いることができ、特に限定するものではない。

外部空気予熱器１７には発電室７に空気を供給する起動用空気供給流路２３が配置され、燃焼ガスの熱により起動用空気供給流路２３を流れる空気を予熱するように構成されている。起動用空気供給流路２３は、内部空気予熱器３と発電室７との間の空気流路と接続され、内部空気予熱器３をバイパスして予熱された空気を供給できるように構成されている。また、起動用空気供給流路２３には、空気の流れを制御する起動用制御弁２５が備えられている。
外部空気予熱器１７を通過した燃焼排ガスは煙突２７へ導かれる。

また、ＳＯＦＣシステム１には、内部空気予熱器３および外部空気予熱器１７をバイパスして、予熱されていない空気を発電室７に供給する温調用空気供給流路２９が配置されている。温調用空気供給流路２９には、空気の流れを制御する温調用制御弁３１が配置されている。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１における作用について説明する。まず、ＳＯＦＣモジュール２の起動について説明する。
図２は、図１のＳＯＦＣシステム１の起動初期段階における燃料ガスおよび空気の流れを説明する概略図である。
起動時においてＳＯＦＣシステム１は、図２に示すように、定格用制御弁１３を閉じて、起動用制御弁２５を開く。温調用制御弁３１は、後述するように開閉制御される。燃料ガス制御弁１４は閉じられている。空気は起動用空気供給流路２３を通じて発電室７へ供給される。

燃焼器１５には、燃料ガス供給流路１６から燃料ガスが供給され、排出空気流路２１から発電室７および内部空気予熱器３を通過した空気が供給される。燃焼器１５内で、これら燃料ガスと空気とが混合され、燃料ガスが燃焼されて燃焼ガスが発生する。
燃焼器１５から流出した燃焼ガスは、下流側に配置された外部空気予熱器１７に流入し、起動用空気供給流路２３内を流れる空気を予熱する。
また、空気供給部１８から燃焼器１５へ空気を供給してもよい。

外部空気予熱器１７において予熱された空気は、発電室７に流入し、発電室７を加熱する。発電室７を通過した空気は、内部改質器５および内部空気予熱器３を加熱しながら通過し、燃焼器１５に流入する。
発電室７に流入する空気の温度が一定の温度よりも高くなると、前述の温調用制御弁３１を開いて、予熱されていない空気を発電室７に流入させる。このようにすることで、発電室７に流入する空気の温度が所定範囲内に制御することができ、発電室７の熱損傷の発生を防止することができる。

図３は、図１のＳＯＦＣシステム１の起動時における燃料ガスおよび空気の流れを説明する概略図である。
外部空気予熱器１７に予熱された空気により、発電室７が所定温度にまで加熱されると、図３に示すように、燃料ガス制御弁１４が開かれることにより、燃料ガス供給流路９から発電室７へ燃料ガスが供給され、発電室７で発電が開始される。発電室７で発電が開始されると、発電室７においても熱が発生し、発電室７の昇温速度が速くなる。

図４は、図１のＳＯＦＣシステム１の定格運転時における燃料ガスおよび空気の流れを説明する概略図である。
そして、発電室７の温度が、ＳＯＦＣモジュール２の定格運転温度に到達すると、図４に示すように、定格用制御弁１３が開かれ、定格用空気供給流路１１および起動用空気供給流路２３により、空気が発電室７に供給される。
なお、燃料ガス供給流路１６による燃焼器１５への燃料ガスの供給は、燃料ガス供給流路９から発電室７へ燃料ガスを供給開始するまでであってもよいし、それ以降も供給していてもよく、特に限定するものでない。

また、空気調節部１８ｂおよび燃料ガス調節部１６ｂにより燃焼器１５に供給される燃料ガスおよび空気の流量を調節することにより、燃焼器１５から排出される燃焼ガスの温度が調節される。（空気調整部１８ｂから燃焼器１５に供給される空気は燃焼器１５内での燃料ガスの燃焼を調整するためのもので、空気調整部１８ｃから燃焼器１５及び外部空気予熱器１７との間の燃焼ガス流路に供給する空気は燃焼ガスの温度を調節している。）すると、外部空気予熱器１７に供給される燃焼ガス温度が調節されることにより、外部空気予熱器１７において予熱される空気の温度が調節され、発電室７の温度を制御することができる。

上記の構成によれば、外部空気予熱器１７において、燃焼器１５から排出された燃焼ガスの熱を空気に与え、空気を予熱した後に発電室７に供給している。そのため、燃焼ガスの熱により発電室７を昇温させることができる。
また、ＳＯＦＣモジュール２の起動時であっても、燃焼器１５から排出される燃焼ガスは高温であるため、発電室７を昇温させることができる。

排出燃料ガスに含まれる未燃燃料ガスを処理するために、従来から備えられていた燃焼器１５から排出される燃焼ガスを用いて空気を予熱するため、特許文献１のように別個に起動時用ヒータを用いなくとも、空気を予熱でき発電室７を昇温させることができる。そのため、ＳＯＦＣシステム１を構成する補機類の数を削減することができ、システムの簡素化、製造コスト低減化を図ることができる。

燃料ガス供給流路１６により、燃焼器１５に燃料ガスを供給することができる。その結果、ＳＯＦＣシステム１の起動時に、発電室７を通過させることなく、燃料ガスを燃焼器１５に供給できる。そのため、燃料ガス通過による発電室７の温度低下を防止でき、起動時において発電室７を効率よく昇温させることができる。

内部空気予熱器３において、発電室７から排出された排出空気の熱を空気に与え、予熱された空気を発電室７に供給している。そのため、排出空気ガスの熱により発電室７を加熱することができる。ＳＯＦＣモジュール２が所定温度で定格運転されている場合には、外部空気予熱器１７のみを備える場合と比較して、発電室７の温度を効率よく上記所定温度に保つことができる。

外部空気予熱器１７により予熱された空気と、内部空気予熱器３により予熱された空気とを、別々に発電室７へ供給することにより、起動時において、外部空気予熱器１７により予熱された空気を高温の状態のまま発電室７へ供給できる。
つまり、起動時において、内部空気予熱器３は外部空気予熱器１７よりも低温であるため、外部空気予熱器１７により予熱された空気は、内部空気予熱器３をバイパスさせることにより、高温状態を維持することができ、発電室７を効率よく昇温させることができる。

発電室７の温度が定格運転時の所定温度に到達する前には、外部空気予熱器１７を介して、空気を発電室７へ供給するため、空気を高温の状態で発電室７へ供給できる。そのため、発電室７を効率よく昇温させることができる。

発電室７の温度が定格運転時の所定温度に到達した後は、外部空気予熱器１７および内部空気予熱器３を介して、空気を発電室７へ供給する。そのため、内部空気予熱器３のみで空気を予熱する場合と比較して、内部空気予熱器３に求められる熱交換能力を低くすることができ、内部空気予熱器３を小型化することができる。
例えば、内部空気予熱器３を約３０％小型化することができることが、発明者の検討により明らかになっている。なお、小型化の程度は、ＳＯＦＣシステム１の運用条件などのさまざまな要因により左右されるものであり、上述の程度に限定されるものではない。

燃焼器１５から排出される燃焼ガスの温度を調節することにより、外部空気予熱器１７から排出される燃焼排ガス温度を調節することができる。そのため、ＳＯＦＣシステムの後段に電気や熱の回収装置を設置する場合に有利となる。例えば、ＳＯＦＣシステムの後段にガスタービン等を設けて複合発電を行う場合や熱回収装置を設けてコジェネシステムを構築する場合に有利となる。
また、外部空気予熱器１７から発電室７へ供給される空気の温度を調節することにより、発電室７の温度を制御しやすくなる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明をＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）に適応して説明したが、この発明はＳＯＦＣに限られることなく、その他各種の高温型燃料電池に適応できるものである。

本発明に係るＳＯＦＣシステムの一実施形態の概略を説明する模式図である。 図１のＳＯＦＣシステムの起動初期段階における燃料ガスおよび空気の流れを説明する概略図である。 図１のＳＯＦＣシステムの起動時における燃料ガスおよび空気の流れを説明する概略図である。 図１のＳＯＦＣシステムの定格運転時における燃料ガスおよび空気の流れを説明する概略図である。

符号の説明

１ ＳＯＦＣシステム（燃料電池システム）
３ 内部空気予熱器（内部酸化剤ガス予熱器）
７ 発電室（燃料電池セル）
１５ 燃焼器（燃焼部）
１６ 燃料ガス供給流路（燃料ガス供給手段）
１７ 外部空気予熱器（外部酸化剤ガス予熱器）

Claims (4)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとが供給され、発電を行う燃料電池セルと、
   前記燃料ガスおよび／または前記燃料電池セルから排出された排出燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
   該燃焼部から排出された燃焼ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前記酸化剤ガスを予熱する外部酸化剤ガス予熱器と、
   前記燃料電池セルから排出された排出酸化剤ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前の前記酸化剤ガスを予熱する内部酸化剤ガス予熱器と、を有し、
   前記外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、前記内部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、が別々に前記燃料電池セルへ供給されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃焼部に、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段が備えられ、
   前記燃焼部において前記燃料ガスを燃焼させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 酸化剤ガスと燃料ガスとが供給され、発電を行う燃料電池セルと、
   前記燃料ガスおよび／または前記燃料電池セルから排出された排出燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
   該燃焼部から排出された燃焼ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前の前記酸化剤ガスを予熱する外部酸化剤ガス予熱器と、
   前記燃料電池セルから排出された排出酸化剤ガスを用いて、前記燃料電池セルへ供給される前の前記酸化剤ガスを予熱する内部酸化剤ガス予熱器と、を有し、
   前記外部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、前記内部酸化剤ガス予熱器により予熱された酸化剤ガスと、が別々に前記燃料電池セルへ供給されている燃料電池モジュールの制御方法であって、
   前記燃料電池セルの温度が所定温度に到達する前は、前記酸化剤ガスを、前記外部酸化剤ガス予熱器を介して前記燃料電池セルへ供給し、
   前記燃料電池セルの温度が前記所定温度に到達した後は、前記酸化剤ガスを、前記外部酸化剤ガス予熱器および前記内部酸化剤ガス予熱器を介して前記燃料電池セルへ供給することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 前記燃焼部及び前記燃焼部と前記外部酸化剤ガス予熱器との間の燃焼ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、前記燃焼部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、を備え、
   前記酸化剤供給部から供給される酸化剤ガスの流量と、前記燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスの流量と、を制御することにより、
   前記外部酸化剤ガス予熱器から排出される燃焼排ガスの温度を制御するとともに、前記外部酸化剤ガス予熱器から前記燃料電池セルへ供給される酸化剤ガスの温度を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの制御方法。

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