(57)【要約】【課題】非発電時において改質器で消費されるエネルギーを少なくする。【解決手段】改質器２００は、改質部２２０に充填された触媒を有しており、この触媒を用いて原燃料ガスを改質ガスに改質する。燃料電池３００は、改質ガスを用いて発電する。加熱部２３０は、可燃ガスを燃焼させて改質部２２０内の触媒を加熱する。制御部４００は、加熱部２３０で用いられる可燃ガスの種類を制御するとともに、加熱部２３０を制御する。そして制御部４００は、燃料電池３００の動作が停止している間、加熱部２３０が用いる可燃ガスとして、改質ガス及び燃料電池からのオフガス以外のガスを使用し、かつ触媒の温度を改質処理時より低い温度にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を有しており、前記触媒を用いて原燃料ガスを改質ガスに改質する改質器と、前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
可燃ガスを燃焼させて前記触媒を加熱する加熱部と、
前記可燃ガスの種類及び前記加熱部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の動作が停止している間、前記可燃ガスとして、前記改質ガス及び前記燃料電池からのオフガス以外のガスを使用し、かつ前記触媒の温度を改質処理時より低い温度に加熱する燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の動作が停止している間、前記可燃ガスとして前記原燃料ガスを用いる燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記制御部は、
前記触媒の温度が予め定められた温度以下に低下するまでは、前記可燃ガスの導入を行わずに前記加熱部を動作させず、
前記触媒の温度が予め定められた温度以下に低下したとき、前記加熱部を動作させる燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記予め定められた温度は、１００℃以上４００℃以下である燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記制御部は、前記加熱部を連続運転させる燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の動作が停止している間、前記改質器を前記原燃料ガス及び水蒸気で封止する燃料電池発電システム。
【請求項７】
触媒を有しており、前記触媒を用いて原燃料ガスを改質ガスに改質する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
可燃ガスを燃焼させて前記触媒を加熱する加熱部と、
を備える燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池の動作が停止している間、前記可燃ガスとして、前記改質ガス及び前記燃料電池からのオフガス以外のガスを使用し、かつ前記触媒の温度を改質処理時より低い温度に加熱する燃料電池発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非発電時において改質器で消費されるエネルギーと起動に要する時間を少なくすることができる燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池発電装置は、燃料ガスの有する化学エネルギーを機械エネルギーや熱エネルギーを経由することなく直接電気エネルギーに変換する装置であり、高いエネルギー効率を有する。燃料電池発電装置は、原燃料ガスを水素リッチな改質ガスに改質するために、改質器を有している。改質器は、改質反応を行わせるための触媒を有している。この触媒は、例えば６００℃〜８００℃という高温で機能するため、燃料電池発電装置が発電を行っている間は、改質器を加熱する必要がある。
【０００３】
燃料電池発電装置で消費する発電に寄与しないエネルギーを削減するためには、改質器を加熱するために必要な燃料を削減する必要がある。この方法の一つに、燃料電池発電装置が発電を行っていない間、改質器を加熱しない、という方法がある。しかしこの方法では、起動に要する時間が長くなるなど改質器を再加熱するときに様々な問題が生じる。
【０００４】
これに対して特許文献１には、燃料電池発電装置が発電を行っていない間、改質器で発生した改質ガスを用いて改質器を加熱し、改質器の作動を継続させることが記載されている。このとき、改質器の温度が低下しすぎない範囲に改質器の温度の変動を抑えて作動を継続させる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−５６８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に記載の方法では、非発電時において、改質器の加熱に改質ガスを使用しているために改質器の温度を触媒が機能する温度以上に維持する必要がある。このため、起動に要する時間の削減は可能であるが、非発電時に改質器で消費するエネルギーはかえって増加する傾向にあった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、非発電時において改質器で消費されるエネルギーを少なくし、かつ起動に要する時間を短縮することができる燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、触媒を有しており、前記触媒を用いて原燃料ガスを改質ガスに改質する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
可燃ガスを燃焼させて前記触媒を加熱する加熱部と、
前記可燃ガスの種類及び前記加熱部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の動作が停止している間、前記可燃ガスとして、前記改質ガス及び前記燃料電池からのオフガス以外のガスを使用し、かつ前記触媒の温度を改質処理時より低い温度に加熱する燃料電池発電システムが提供される。
【０００９】
本発明によれば、触媒を有しており、前記触媒を用いて原燃料ガスを改質ガスに改質する改質器と、
前記改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
可燃ガスを燃焼させて前記触媒を加熱する加熱部と、
を備える燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池の動作が停止している間、前記可燃ガスとして、前記改質ガス及び前記燃料電池からのオフガス以外のガスを使用し、かつ前記触媒の温度を改質処理時より低い温度に加熱する燃料電池発電システムの運転方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、非発電時において改質器で消費されるエネルギーを少なくすることができ、また起動に要する時間も通常の冷起動を行う場合よりも短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示した燃料電池発電システムにおける改質器及び制御部の第１の動作例を示すフローチャートである。
【図３】改質器を停止してからの改質部、一酸化炭素変成部、及び一酸化炭素除去部の温度変化の一例を示すグラフである。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。この燃料電池発電システムは、改質器２００、加熱部２３０、燃料電池３００、及び制御部４００を備える。本実施形態において加熱部２３０は、改質器２００の一部を構成している。改質器２００は、改質部２２０に充填された触媒を有しており、この触媒を用いて原燃料ガスを改質ガスに改質する。燃料電池３００は、改質ガスを用いて発電する。本実施形態において燃料電池３００は、例えば固体高分子型燃料電池であるが、リン酸型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池であっても良い。加熱部２３０は、可燃ガスを燃焼させて改質部２２０内の触媒を加熱する。制御部４００は、加熱部２３０で用いられる可燃ガスの種類を制御するとともに、加熱部２３０を制御する。そして制御部４００は、燃料電池３００の動作が停止している間、加熱部２３０が用いる可燃ガスとして、改質ガス及び燃料電池からのオフガス以外のガス、例えば都市ガスなどの原燃料ガスを使用し、かつ触媒の温度を改質処理時より低い温度にする。以下、詳細に説明する。
【００１４】
原燃料ガスは、脱硫器１００で脱硫処理が行なわれた後に、改質器２００に導入される。改質器２００は、改質部２２０及び加熱部２３０のほかに、蒸発部２１０、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０を有している。蒸発部２１０は、改質処理に用いられる水を蒸発させて、原燃料ガスに水蒸気を含ませる。改質部２２０は、上記したように、触媒を用いて原燃料ガスを水蒸気で改質し、改質ガスを生成する。この改質反応は、以下の式（１）によって示される。
CH４ + H２O → CO + ３H２       ΔH = +２０６．１４ KJ/mol  ...（１）
【００１５】
式（１）から明らかなように、この改質反応は吸熱反応である。このため、改質処理中において、改質部２２０は、加熱部２３０によって、６００℃〜８００℃に維持する必要がある。なお、改質処理中の加熱部２３０は、燃料電池３００の燃料極から排出されるオフガスを可燃ガスとして用いている。
【００１６】
一酸化炭素変成部２４０は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を、触媒を用いた水性ガスシフト反応により、二酸化炭素に変成する。この変成反応は水蒸気が使用され、また発熱反応である。一酸化炭素変成部２４０によって、改質ガスに含まれる一酸化炭素は１％以下に低減される。
【００１７】
一酸化炭素除去部２５０は、改質ガスに含まれる一酸化炭素を、選択酸化反応を用いて二酸化炭素にする。一酸化炭素除去部２５０によって、改質ガスに含まれる一酸化炭素は１０ｐｐｍ以下に低減される。
【００１８】
なお、燃料電池３００が固体高分子型燃料電池ではなくリン酸型燃料電池である場合、一酸化炭素除去部２５０は不要である。本実施形態では燃料電池３００が固体高分子型燃料電池であり、その動作温度が６０℃〜８０℃と低いため、改質ガスに一酸化炭素が存在するとこれが触媒毒となり、燃料電池３００の性能が低下するため、一酸化炭素除去部２５０が必要になる。
【００１９】
なお、加熱部２３０には、可燃ガスとして、上記したオフガス、改質ガス、及び原燃料ガスを用いる。これらのうちオフガスは、燃料電池３００において発電反応が行なわれた後の排気ガスであるが、可燃成分が未だ残っているため、加熱部２３０の燃料ガスとして再利用される。
【００２０】
制御部４００は、改質器２００及び燃料電池３００及び図示しない補機類を制御する。具体的には、制御部４００は、上記したように加熱部２３０で用いられる可燃ガスの種類を制御するとともに、加熱部２３０を制御する。また制御部４００は、燃料電池３００の各部分を制御する。
【００２１】
図２は、図１に示した燃料電池発電システムにおける改質器２００及び制御部４００の第１の動作例を示すフローチャートである。燃料電池発電システムを起動するとき、まず制御部４００は、原燃料ガスを加熱部２３０に導入して改質部２２０を加熱し、改質部２２０の温度を、例えば６００℃〜８００℃にする（ステップＳ１０）。なお、一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０は、改質部２２０の温度上昇に伴って温度が上昇するが、この温度上昇が十分でない場合は、例えば電気ヒータなどの他の熱源を用いることにより、必要な温度まで加熱される。一酸化炭素変成部２４０の温度は、例えば２００℃以上３５０℃以下に加熱され、一酸化炭素除去部２５０の温度は、例えば１００℃以上１８０℃以下に加熱される。
【００２２】
次いで、改質部２２０に原燃料ガス及び水蒸気を導入して改質ガスの生成を開始する（ステップＳ２０）。燃料電池３００は、この改質ガスを用いて発電する。燃料電池３００の燃料極から排出されるオフガスには、改質ガスの可燃成分が残っている。燃料電池３００が動作している間、制御部４００は、オフガスが加熱部２３０に導入されて燃焼されるようにする。このため、燃料電池３００が動作している間、加熱部２３０はオフガスを燃料として改質部２２０を加熱する（ステップＳ３０）。
【００２３】
燃料電池３００の発電が停止すると（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）、制御部４００は、改質器２００の内部の改質ガスを原燃料ガスと水蒸気でパージし、その後、改質器２００の入口と出口に設けられた電磁弁（図示せず）を閉じる。これにより、改質器２００の内部は原燃料ガスと水蒸気で封止される（ステップＳ４５）。
【００２４】
この状態で改質器２００を放置しておくと、改質器２００の温度は徐々に低下していく。そして、改質器２００の改質部２２０の温度が３００℃〜４００℃の間の予め定められた第１の温度になる（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）と、制御部４００は、改質器２００の封止を一時的に解き、改質器２００の内部を原燃料ガスでパージし、その後、改質器２００の入口と出口に設けられた電磁弁（図示せず）を閉じる。これにより、改質器２００の内部は原燃料ガスで封止される（ステップＳ５２）。
【００２５】
その後、改質器２００の改質部２２０の温度が第１の温度より低い第２の温度になる（ステップＳ５４：Ｙｅｓ）と、制御部４００は、原燃料ガスを加熱部２３０に導入して燃焼させ、改質部２２０を加熱する（ステップＳ６０）。第２の温度は、１００℃以上４００℃以下である。その後、改質部２２０の温度が第２の温度より高い第３の温度になる（ステップＳ６２：Ｙｅｓ）と、制御部４００は、加熱部２３０における原燃料ガスの燃焼を停止させる（ステップＳ６４）。制御部４００は、ステップＳ５０及びステップＳ６０に示した制御を、燃料電池３００における発電が再開されるまで繰り返す（ステップＳ７０：Ｎｏ）。第２の温度と第３の温度の温度差は、例えば２０℃以上３００℃以下である。なお、この温度差は改質器２００の構造に大きく依存する。
【００２６】
ステップＳ５４〜ステップＳ７０に示した動作により、改質部２２０の温度のみではなく一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０の温度が低下することも抑制される。
【００２７】
なおステップＳ６０〜ステップＳ６４に示した処理の代わりに、加熱部２３０は、改質部２２０の温度が第１の温度以下にならないように、低出力で連続運転してもよい。
【００２８】
その後、発電を再開するときには（ステップＳ７０：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に戻る。
【００２９】
図３は、改質器２００を停止してからの改質部２２０、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０の温度変化の一例を示すグラフである。本図に示す例において、制御部４００は、改質部２２０の温度が３００℃以下になると、加熱部２３０を再稼働させ、かつ低出力で連続運転させている。加熱部２３０に対する原燃料ガスの供給量は、０．３ＮＬ／分である。
【００３０】
加熱部２３０が再稼働しない場合、改質部２２０、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０それぞれには、点線で示すような温度降下が生じていた。これに対して本実施形態では加熱部２３０を再稼働させているため、改質部２２０を３００℃より高い温度に維持することができている。また、加熱部２３０が再稼働することにより、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０の温度がさらに低下することが抑制されている。本図に示す例では、一酸化炭素変成部２４０は１００℃超に維持されている。
【００３１】
以上、本実施形態によれば、制御部４００は、改質器２００が停止した後、改質部２２０の温度すなわち触媒の温度が予め定められた温度以下に低下するまでは、加熱部２３０を動作させず、改質部２２０の温度が予め定められた温度以下に低下すると、加熱部２３０を動作させている。このとき、加熱部２３０には、改質ガス及び燃料電池からのオフガス以外のガス、例えば原燃料ガスが導入されるため、改質器２００が停止していても加熱部２３０は動作する。従って、改質器２００の改質部２２０の温度を、触媒が機能する温度より低い温度に加熱保持することが可能になり、これによって、非発電時において改質器２００で消費するエネルギーを削減することができる。
【００３２】
また、改質部２２０、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０の温度が低下しすぎることが抑制されるため、改質器２００を再起動するときの起動時間を短くすることができる。また、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０に電気ヒータなどの補助熱源を設ける必要もなくなる。
【００３３】
また、改質部２２０の温度が４００℃以上にならないように制御されると、原燃料ガスが改質部２２０で熱分解を起こして改質部２２０に炭素が析出することを抑制できる。
【００３４】
また、加熱部２３０を再稼働しない場合と比較して、燃料電池発電システムを再稼働するために必要な時間を、例えば３０分〜１時間程度短くすることができる。
【００３５】
図４は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートであり、第１の実施形態における図２に相当している。本図に示す処理は、燃料電池の発電を停止し（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）、改質器２００の内部を原燃料ガス及び水蒸気で封止した（ステップＳ４５）後、制御部４００が原燃料ガスを用いて加熱部２３０を連続運転させ、改質部２２０、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０の温度が予め定められた温度以下（例えば１００℃）にならないようにする点（ステップＳ６５）を除いて、第１の実施形態と同様である。
【００３６】
本図に示す例において、制御部４００は、加熱部２３０に供給する原燃料ガスの量を変化させ、改質部２２０、一酸化炭素変成部２４０、及び一酸化炭素除去部２５０の温度が予め定められた温度以下にならないようにする。
【００３７】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、一酸化炭素変成部２４０の温度が水の沸点、すなわち１００℃以上になるように制御部４００を動作させると、一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０において水蒸気が凝集して水滴が発生することを抑制できる。これにより、一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０の触媒が水滴を吸収することを抑制できる。なお、この触媒が水滴を吸収すると、再起動時に触媒に吸収された水滴が水蒸気になるため、触媒の微細構造が破壊されることがある。本実施形態では、このような問題が生じることを抑制できる。
【００３８】
図５は、第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作を示すフローチャートであり、第１の実施形態における図２に相当している。本図に示す処理は、図２に示したステップＳ５０及びステップＳ５２に示した処理を有していない点を除いて、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの動作と同様である。
【００３９】
すなわち本実施形態では、改質器２００の内部を原燃料ガス及び水蒸気で封止した（ステップＳ４５）後、改質器２００の内部を原燃料ガスでパージしない。そして、改質器２００の内部が原燃料ガス及び水蒸気で封止された状態で、改質部２２０の温度が第２の温度になる（ステップＳ５４：Ｙｅｓ）と、制御部４００は、原燃料ガスを加熱部２３０に導入して燃焼させ、改質部２２０を加熱する（ステップＳ６０）。第２の温度は、１００℃以上４００℃以下である。その後、改質部２２０の温度が第２の温度より高い第３の温度になる（ステップＳ６２：Ｙｅｓ）と、制御部４００は、加熱部２３０における原燃料ガスの燃焼を停止させる（ステップＳ６４）。制御部４００は、ステップＳ５４〜ステップＳ６４に示した制御を、燃料電池３００における発電が再開されるまで繰り返す（ステップＳ７０：Ｎｏ）。
【００４０】
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。また、一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０の温度が水の沸点、すなわち１００℃以上になるように制御部４００を動作させるため、一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０において水蒸気が凝集して水滴が発生することを抑制できる。このため、改質器２００の内部を、原燃料ガスと水蒸気で封止した後、原燃料ガスでパージし直さなくても、一酸化炭素変成部２４０及び一酸化炭素除去部２５０の触媒が水滴を吸収し、再起動時に触媒の微細構造が破壊されることを抑制できる。
【００４１】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１００ 脱硫器
２００ 改質器
２１０ 蒸発部
２２０ 改質部
２３０ 加熱部
２４０ 一酸化炭素変成部
２５０ 一酸化炭素除去部
３００ 燃料電池
４００ 制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010257770.tif 000005
【図４】
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【図５】
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