專利名稱：燃料電池系統(tǒng)及其負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用將煤油等烴系燃料轉(zhuǎn)化而得的轉(zhuǎn)化氣體來進(jìn)行發(fā)電的燃料 電池系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在固體氧化物電解質(zhì)型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell。以下根據(jù)情況也稱 作S0FC。)系統(tǒng)中，通常來說包含用于將煤油或城市煤氣等烴系燃料轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生含氫氣體 (轉(zhuǎn)化氣體)的轉(zhuǎn)化器、和用于使轉(zhuǎn)化氣體與空氣電化學(xué)地發(fā)電反應(yīng)的S0FC。SOFC通常來說在550 1000°C的高溫下作動(dòng)。在轉(zhuǎn)化中可以利用水蒸氣轉(zhuǎn)化(SR)、局部氧化轉(zhuǎn)化(POX)、自熱轉(zhuǎn)化(ATR)等各種 反應(yīng)，然而為了使用轉(zhuǎn)化催化劑，需要加熱到顯現(xiàn)出催化活性的溫度。水蒸氣轉(zhuǎn)化是非常大的吸熱反應(yīng)，另外，反應(yīng)溫度比較高，為550 750°C，因而需 要高溫的熱源。由此，已知有在SOFC的附近設(shè)置轉(zhuǎn)化器(內(nèi)部轉(zhuǎn)化器)而主要以來自SOFC 的輻射熱作為熱源將轉(zhuǎn)化器加熱的內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC(專利文獻(xiàn)1)。另外，在專利文獻(xiàn)2及3中，還提出過關(guān)于燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載跟蹤運(yùn)行的方案。專利文獻(xiàn)1 日本特開2004-319420號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2001-185196號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 日本特開2006-32262號(hào)公報(bào)如果烴系燃料未被轉(zhuǎn)化到規(guī)定的組成，而未轉(zhuǎn)化部分被供給到S0FC，則特別是在 作為烴系燃料使用煤油等高級(jí)烴的情況下，還會(huì)有引起由碳析出造成的流路堵塞、陽極劣 化的情況。 SOFC系統(tǒng)有時(shí)進(jìn)行負(fù)載跟蹤運(yùn)行。即，有時(shí)進(jìn)行與所需電力的變動(dòng)匹配地使SOFC 系統(tǒng)的發(fā)電量變化的運(yùn)行。例如，在使發(fā)電量增加的情況下，就會(huì)有增加向SOFC系統(tǒng)的烴 系燃料的供給量的情況。此種情況下，也會(huì)有碳析出的可能性。所以，希望即使在負(fù)載跟蹤 運(yùn)行中也可以將烴系燃料可靠地轉(zhuǎn)化。專利文獻(xiàn)2及3中所公開的技術(shù)中，在進(jìn)行可靠的 轉(zhuǎn)化這一點(diǎn)上，都仍然有待改善。這并不限于S0FC，對(duì)于具有熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)等高溫型燃料電池的 燃料電池系統(tǒng)也可以這么說。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種方法，其在對(duì)包括具有轉(zhuǎn)化催化劑層的轉(zhuǎn)化器和高 溫型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載跟蹤運(yùn)行時(shí)，可以更為可靠地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，更為可靠 地防止流路堵塞、陽極劣化。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種適于實(shí)施此種方法的燃料電池系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，提供一種燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法，是具有轉(zhuǎn)化器和高溫 型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法，上述轉(zhuǎn)化器具有將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造含有氫的轉(zhuǎn)化氣體的轉(zhuǎn)化催化劑層，上述高溫型燃料電池使用該轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行發(fā)電，預(yù)先求出該燃料電池的電輸出P和為了由燃料電池輸出該電輸出P而需要向轉(zhuǎn)化 催化劑層供給的烴系燃料的流量F的函數(shù)F = f(P)及P = Γ1 (F)，其中，ρ = f1 (F)是F = f (P)的逆函數(shù)，在將該燃料電池的最大電輸出表示為PM，將P處于0以上Pm以下的范圍中時(shí)的由函數(shù)F = f⑵決定的烴系燃料的流量的 最小值表示為Fmin時(shí)，具有A)測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的工序；B)基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，算出作為能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的烴 系燃料的流量的可轉(zhuǎn)化流量Fk的工序；C)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk小于上述最小值Fmin的情況下，停止燃料電池的發(fā)電的 工序；以及D)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk為上述最小值Fmin以上的情況下，如果燃料電池輸出要求值Pd為上述最大電輸出Pm以下，則進(jìn)行工序dl，如果燃料 電池輸出要求值Pd超過上述最大電輸出PM，則進(jìn)行工序d2的工序，dl)使用上述函數(shù)F = f(P)，算出為了用燃料電池輸出燃料電池輸出要求值Pd而 需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pd)，如果f (Pd)為上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PD，將向 轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PD)，如果f(PD)超過上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由ρ = F1(Fk)計(jì)算出的P的值當(dāng)中小于Pd且最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量 設(shè)為Fk的工序，d2)使用上述函數(shù)F = f(P)，算出為了用燃料電池輸出上述最大電輸出Pm而需要 向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pm)，如果f (Pm)為上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PM，將向 轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PM)，如果f(PM)超過上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由ρ = Γ1 (Fe)計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為Fk的工序。在負(fù)載跟蹤運(yùn)行期間，可以反復(fù)進(jìn)行上述工序A D。上述烴系燃料可以含有碳數(shù)為2以上的烴系燃料。上述轉(zhuǎn)化氣體中的碳數(shù)為2以上的化合物的濃度以質(zhì)量基準(zhǔn)計(jì)可以為50ppb以下。根據(jù)本發(fā)明，提供一種燃料電池系統(tǒng)，其具有轉(zhuǎn)化器和高溫型燃料電池，上述轉(zhuǎn)化 器具有將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造含有氫的轉(zhuǎn)化氣體的轉(zhuǎn)化催化劑層，上述高溫型燃料電池使 用該轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行發(fā)電，在將該燃料電池的電輸出P和為了用燃料電池輸出該電輸出P而需要向轉(zhuǎn)化催化 劑層供給的烴系燃料的流量F的函數(shù)表示為F = f (P)，將F = f(P)的逆函數(shù)表示為P =
將該燃料電池的最大電輸出表示為PM，將P處于0以上Pm以下的范圍中時(shí)的由函數(shù)F = f(P)決定的烴系燃料的流量的 最小值表示為Fmin時(shí)，具有I)測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的機(jī)構(gòu)；II)基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，算出作為可以能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn) 化的烴系燃料的流量的可轉(zhuǎn)化流量Fk的機(jī)構(gòu)；III)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk小于上述最小值Fmin的情況下，停止燃料電池的發(fā)電 的機(jī)構(gòu)；以及IV)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk為上述最小值Fmin以上的情況下，如果燃料電池輸出要求值Pd為上述最大電輸出Pm以下，則進(jìn)行工序dl，如果燃料 電池輸出要求值Pd超過上述最大電輸出PM，則進(jìn)行工序d2的機(jī)構(gòu)，dl)使用上述函數(shù)F = f(P)，算出為了用燃料電池輸出燃料電池輸出要求值Pd而 需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pd)，如果f (Pd)為上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PD，將向 轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PD)，如果f(PD)超過上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由P = F1(Fk)計(jì)算出的P的值當(dāng)中小于Pd且最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量 設(shè)為Fk的工序，d2)使用上述函數(shù)F = f(P)，算出為了用燃料電池輸出上述最大電輸出Pm而需要 向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pm)，如果f (Pm)為上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PM，將向 轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PM)，如果f(PM)超過上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由P = r1 (Fe)計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為Fk的工序。根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種方法，其在對(duì)具備具有轉(zhuǎn)化催化劑層的轉(zhuǎn)化器和高溫 型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載跟蹤運(yùn)行時(shí)，可以更為可靠地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，更為可靠地 防止流路堵塞、陽極劣化。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種適于實(shí)施此種方法的燃料電池系統(tǒng)。


圖1是對(duì)可以實(shí)施本發(fā)明的間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC系統(tǒng)的例子表示概要的示意圖。圖2是表示用于說明本發(fā)明的方法的、燃料電池的電輸出P與為了獲得電輸出P 而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的相關(guān)的示意性曲線圖。圖3是表示用于說明本發(fā)明的方法的、燃料電池的電輸出P與為了獲得電輸出P 而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的相關(guān)的示意性曲線圖。圖4是表示用于說明本發(fā)明的方法的、燃料電池的電輸出P與為了獲得電輸出P
6而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的相關(guān)的示意性曲線圖。圖5是表示用于說明本發(fā)明的方法的、燃料電池的電輸出P與為了獲得電輸出P 而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的相關(guān)的示意性曲線圖。圖6是表示用于說明本發(fā)明的方法的、燃料電池的電輸出P與為了獲得電輸出P 而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的相關(guān)的示意性曲線圖。圖7是對(duì)可以實(shí)施本發(fā)明的間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC系統(tǒng)的另一個(gè)例子表示概要的 示意圖。其中，1水氣化器，2附設(shè)于水氣化器的電加熱器，3轉(zhuǎn)化器，4轉(zhuǎn)化催化劑層，5熱電 偶，6S0FC，7點(diǎn)火器，8模塊容器，9附設(shè)于轉(zhuǎn)化器的電加熱器，10計(jì)算機(jī)，11流量調(diào)節(jié)閥，12 流量計(jì)，13熱電偶，14電力調(diào)整器
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中所用的燃料電池系統(tǒng)具有將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造含氫氣體的轉(zhuǎn)化器和 高溫型燃料電池。轉(zhuǎn)化器具有轉(zhuǎn)化催化劑層。從轉(zhuǎn)化器中得到的含氫氣體被稱作轉(zhuǎn)化氣體。 轉(zhuǎn)化催化劑包括可以促進(jìn)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化催化劑。高溫型燃料電池使用從轉(zhuǎn)化器中得到的 含氫氣體(轉(zhuǎn)化氣體)進(jìn)行發(fā)電。下面，使用附圖對(duì)本發(fā)明的方式進(jìn)行說明，然而本發(fā)明并不限定于此。[間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC系統(tǒng)]圖1中示意性地表示可以實(shí)施本發(fā)明的間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC的一個(gè)方式。這里， 雖然對(duì)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC系統(tǒng)進(jìn)行說明，然而本發(fā)明也可以適用于外部轉(zhuǎn)化型SOFC系 統(tǒng)或MCFC系統(tǒng)。間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC具有將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造轉(zhuǎn)化氣體(含氫氣體)的轉(zhuǎn)化 器3。轉(zhuǎn)化器具有轉(zhuǎn)化催化劑層4。間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC具有使用上述轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行發(fā)電的S0FC6，另外，具有使從 S0FC(特別是其陽極)中排出的陽極排出氣體燃燒的燃燒區(qū)域5。間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC具有收容轉(zhuǎn)化器、固體氧化物型燃料電池及燃燒區(qū)域的殼 體8。間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC是指殼體(模塊容器)8及其內(nèi)部所包含的設(shè)備。圖1所示的方式的間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC中，設(shè)有作為用于對(duì)陽極排出氣體進(jìn)行點(diǎn) 火的點(diǎn)火機(jī)構(gòu)的點(diǎn)火器7，另外，轉(zhuǎn)化器具備電加熱器9。各供給氣體在根據(jù)需要適當(dāng)?shù)仡A(yù)熱后向轉(zhuǎn)化器或SOFC供給。 在間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC處，連接有具備電加熱器2的水氣化器1，在其連接配管的 途中連接有用于向轉(zhuǎn)化器供給烴系燃料的配管。水氣化器1利用電加熱器2的加熱來產(chǎn)生 水蒸氣。水蒸氣可以在水氣化器中或其下游處適當(dāng)?shù)剡^熱后向轉(zhuǎn)化催化劑層供給。另外，也可以將空氣(局部氧化轉(zhuǎn)化反應(yīng)用)向轉(zhuǎn)化催化劑層供給，然而在這里， 可以將空氣用水氣化器預(yù)熱后向轉(zhuǎn)化催化劑層供給。從水氣化器中，可以獲得水蒸氣，另外 還可以獲得空氣與水蒸氣的混合氣體。水蒸氣或空氣與水蒸氣的混合氣體被與烴系燃料混合而向轉(zhuǎn)化器3，特別是向其 轉(zhuǎn)化催化劑層4供給。在作為烴系燃料使用煤油等液體燃料的情況下，可以在將烴系燃料適當(dāng)?shù)貧饣笙蜣D(zhuǎn)化催化劑層供給。從轉(zhuǎn)化器中得到的轉(zhuǎn)化氣體被向S0FC6，特別是向其陽極供給。雖然未圖示，然而 空氣是被適當(dāng)?shù)仡A(yù)熱而向SOFC的陰極供給的。陽極排出氣體(從陽極中排出的氣體)中的可燃部分在SOFC出口處可以利用陰 極排出氣體(從陰極中排出的氣體)中的氧燃燒。由此，就可以使用點(diǎn)火器7進(jìn)行點(diǎn)火。陽 極、陰極都將其出口向模塊容器8內(nèi)開口。燃燒氣體被從模塊容器中適當(dāng)?shù)嘏懦?。轉(zhuǎn)化器和SOFC被收容于一個(gè)模塊容器中而模塊化。轉(zhuǎn)化器配置于能夠從SOFC接 收熱量的位置。例如如果將轉(zhuǎn)化器配置于可以接收來自SOFC的熱輻射的位置，則在發(fā)電時(shí) 就可以利用來自SOFC的熱輻射將轉(zhuǎn)化器加熱。在間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC中，優(yōu)選將轉(zhuǎn)化器配置于可以從SOFC向轉(zhuǎn)化器的外表面 直接輻射傳熱的位置。所以優(yōu)選在轉(zhuǎn)化器與SOFC之間實(shí)質(zhì)上不配置遮蔽物，也就是說優(yōu)選 將轉(zhuǎn)化器與SOFC之間設(shè)為空隙。另外，轉(zhuǎn)化器與SOFC的距離越短越好。利用在燃燒區(qū)域5中產(chǎn)生的陽極排出氣體的燃燒熱，將轉(zhuǎn)化器3加熱。另外，在 SOFC溫度高于轉(zhuǎn)化器的情況下，還利用來自SOFC的輻射熱將轉(zhuǎn)化器加熱。此外，有時(shí)還會(huì)利用轉(zhuǎn)化的放熱將轉(zhuǎn)化器加熱。在轉(zhuǎn)化為局部氧化轉(zhuǎn)化的情況下， 或者在為自熱轉(zhuǎn)化(autothermal reforming)時(shí)，在與水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的吸熱相比局部氧 化轉(zhuǎn)化反應(yīng)的放熱更大的情況下，就會(huì)伴隨著轉(zhuǎn)化放熱。[負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法]本發(fā)明中，預(yù)先求出燃料電池的電輸出P和為了用燃料電池輸出電輸出P而需要 向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的函數(shù)F = f (P)及ρ = Γ1 (F)。ρ = Γ1 (F)是F = f(P)的逆函數(shù)。其中，相對(duì)于某個(gè)電輸出P單義地確定F，相對(duì)于某個(gè)F可以存在一個(gè)或 多個(gè)P。例如，為了不僅可以將SOFC維持在能夠理想地發(fā)電的溫度，而且發(fā)電效率提高，通 過利用預(yù)備實(shí)驗(yàn)或模擬等，預(yù)先確定相對(duì)于某個(gè)電輸出P的電流和燃料利用率，必然就會(huì) 單一地確定相對(duì)于某個(gè)電輸出P的F。另外，例如為了即使在電輸出小時(shí)也可以將SOFC維 持在能夠理想地發(fā)電的溫度，有時(shí)如圖6所示將相對(duì)于某個(gè)電輸出P以下的烴系燃料的流 量設(shè)為恒定值，而在該情況下相對(duì)于某個(gè)F存在多個(gè)P。另外，根據(jù)需要，可以預(yù)先將烴系燃料以外的向間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC供給的流體 的流量、燃料電池的輸出以外的對(duì)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC的電的輸入輸出作為電輸出P的函 數(shù)求出。例如，對(duì)于向轉(zhuǎn)化器供給的水流量，為了抑制碳析出，可以按照使蒸汽/碳比(水 分子摩爾數(shù)與向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的氣體中的碳原子摩爾數(shù)的比)達(dá)到規(guī)定的值的方式 求出。對(duì)于向轉(zhuǎn)化器供給的空氣流量，可以按照使氧/碳比(氧分子摩爾數(shù)與向轉(zhuǎn)化催化 劑層供給的氣體中的碳原子摩爾數(shù)的比)達(dá)到規(guī)定的值的方式求出。對(duì)于向轉(zhuǎn)化器供給的 水及空氣以外的向間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC供給的流體的流量、對(duì)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC的電 的輸入輸出，為了不僅可以將SOFC維持在可以理想地發(fā)電的溫度，而且發(fā)電效率提高，可 以利用預(yù)備實(shí)驗(yàn)或模擬等事先求出。如果如此操作，則在將燃料電池的輸出設(shè)為某個(gè)值P 時(shí)，可以使用預(yù)先求出的函數(shù)，來決定這些流量、電輸入輸出。這里，將Pm設(shè)為燃料電池的最大電輸出。Pm是作為燃料電池系統(tǒng)的規(guī)格預(yù)先決定 的。另外，將Fmin設(shè)為P處于0以上Pm以下的范圍中時(shí)的由函數(shù)F = f (P)決定的烴系燃料 的流量的最小值。此外，將Fmax設(shè)為P處于0以上Pm以下的范圍中時(shí)的由函數(shù)F = f(P)決定的烴系燃料的流量的最大值。此時(shí)，函數(shù)F = f⑵及P = Γ1 (F)只要在0彡P(guān)彡P(guān)m及Fmin彡F彡Fmax的范圍中 決定即可。在負(fù)載跟蹤運(yùn)行期間，優(yōu)選通過反復(fù)進(jìn)行工序A D，也就是說，通過依次反復(fù)進(jìn) 行工序A、工序B、工序C或D，就可以更為可靠地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，更為可靠地防止陽極的劣化。[工序 A]在實(shí)際地進(jìn)行負(fù)載跟蹤運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的工序A。該測(cè)定可 以在進(jìn)行負(fù)載跟蹤運(yùn)行期間持續(xù)地進(jìn)行。工序A是為了知道在算出后述的可轉(zhuǎn)化流量Fk時(shí)使用的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度T 而進(jìn)行的。工序A優(yōu)選從負(fù)載跟蹤運(yùn)行開始時(shí)刻起在盡可能短的時(shí)間內(nèi)開始。優(yōu)選一開始 負(fù)載跟蹤運(yùn)行就立即開始工序A。在負(fù)載跟蹤運(yùn)行開始前就進(jìn)行轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度監(jiān)視 (持續(xù)的計(jì)測(cè))的情況下，只要原樣不變地繼續(xù)進(jìn)行溫度監(jiān)視即可。為了測(cè)定溫度，可以使用熱電偶等適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?。[工序 B]工序B中，基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，算出可以在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化 的烴系燃料的流量(可轉(zhuǎn)化流量Fk)。對(duì)于算出方法，將在后面詳述。[工序C]在工序B中算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk小于上述最小值Fmin(P處于0以上Pm以下的范 圍中時(shí)的由函數(shù)F = f(P)決定的烴系燃料的流量的最小值)的情況下，停止燃料電池的發(fā) 電。也就是說，由于在Fk < Ffflin時(shí)，就無法將最低限度必需的轉(zhuǎn)化氣體轉(zhuǎn)化，因此將燃料電 池的電輸出設(shè)為零。此時(shí)，將Fk的流量的烴系燃料向轉(zhuǎn)化器供給，可以利用附設(shè)于轉(zhuǎn)化器 的加熱器或燃燒器等將轉(zhuǎn)化催化劑層升溫，直至至少Fk彡Ffflin0如果Fk彡Fmin，則可以進(jìn)行 工序D以后的操作。[工序 D]在工序B中算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk為上述最小值Fmin以上的情況下，進(jìn)行工序D。工序D中，如果燃料電池輸出要求值Pd為燃料電池的最大電輸出Pm以下，則進(jìn)行 工序dl。Pd 意味著，燃料電池能夠輸出燃料電池輸出要求值PD。或者，如果燃料電池輸出要求值Pd超過燃料電池的最大電輸出PM，則進(jìn)行工序d2。 PD > Pm意味著，相對(duì)于燃料電池輸出要求值PD，燃料電池的電輸出不足。·工序 dl使用上述函數(shù)F = f (P)，算出為了用燃料電池輸出燃料電池輸出要求值Pd而需要 向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pd)。此后，如果算出的f (Pd)為工序B中算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電 輸出設(shè)為PD，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f (PD)。f(PD)彡Fk意味著，可 以在轉(zhuǎn)化催化劑層中將為了輸出燃料電池輸出要求值Pd的電輸出而必需的流量f (Pd)的烴 系燃料轉(zhuǎn)化。這樣，就將該流量f (Pd)的烴系燃料向轉(zhuǎn)化催化劑層供給，將所得的轉(zhuǎn)化氣體 向燃料電池供給，用燃料電池輸出燃料電池輸出要求值Pd的電輸出。另一方面，如果算出的f (Pd)超過上述算出的可轉(zhuǎn)化流量FK，則將燃料電池的電輸 出設(shè)為由P = ^(Fe)計(jì)算出的P的值當(dāng)中小于Pd且最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為FK。f(PD) > Fk意味著，無法在轉(zhuǎn)化催化劑層中將為了輸出燃料電池輸 出要求值Pd的電輸出而必需的流量f (Pd)的烴系燃料轉(zhuǎn)化。由P = P(Fk)計(jì)算出的P的 值既有僅為一個(gè)的情況，也有存在多個(gè)的情況。在僅為一個(gè)的情況下，將燃料電池的電輸出 設(shè)為該P(yáng)的值。在存在多個(gè)的情況下，將多個(gè)P的值當(dāng)中小于Pd且最大的值設(shè)為燃料電池 的電輸出。也就是說，在存在多個(gè)值的情況下，將可轉(zhuǎn)化流量Fk的烴系燃料向轉(zhuǎn)化催化劑 層供給，用燃料電池輸出由可轉(zhuǎn)化流量Fk的烴系燃料得到的最大的電輸出。 工序 d2如前所述，在Pd >PM(相對(duì)于燃料電池輸出要求值PD，燃料電池的電輸出不足)的 情況下，進(jìn)行工序d2。使用上述函數(shù)F = f (P)，算出為了用燃料電池輸出上述最大電輸出Pm而需要向轉(zhuǎn) 化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pm)。如果f (Pm)為上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PM，將向 轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f (PM)。f(PM) < Fk意味著，能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層 中將流量f (Pm)的烴系燃料轉(zhuǎn)化。另一方面，如果f (Pm)超過上述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk，則將燃料電池的電輸出設(shè)為 由P = F1(Fk)計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè) 為FK。由P = ^1(Fk)計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值必然小于PD。f (Pm) > Fk意味著，無法 在轉(zhuǎn)化催化劑層中將流量f (Pm)的烴系燃料轉(zhuǎn)化。[負(fù)載跟蹤運(yùn)行例]下面，使用圖2 5，對(duì)在進(jìn)行某一個(gè)燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載跟蹤運(yùn)行時(shí)在各種條件 下如何運(yùn)行，舉出具體例加以說明。但是，本發(fā)明并不受其限定。預(yù)先如圖2所示，求出燃料電池的電輸出P與為了獲得該電輸出P而需要向轉(zhuǎn)化 催化劑層供給的烴系燃料的流量F的相關(guān)，即，求出函數(shù)F = f (P)及ρ = f—1 (F)(圖3 5 中也是相同的相關(guān))。工序A中測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，工序B中算出可轉(zhuǎn)化流量FK。(情形1)如圖2 所示，考慮 Pd = 600W、Pm = 1000W, Fe = 3g/min、Fmin = lg/min 的情況。此時(shí)，由于Fk = 3g/min彡lg/min = Fmin，因此不進(jìn)行工序C地進(jìn)行工序D。此外，由于Pd = 600W ( IOOOff = Pm,因此不進(jìn)行工序d2，而進(jìn)行工序dl。工序dl中，使用函數(shù)F = f (P)，算出為了輸出Pd的電力而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供 給的烴系燃料的流量f (Pd)。該值為2g/min。由于f(PD) = 2g/min ( 3g/min = Fe,因此將燃料電池的電輸出設(shè)為Pd,即600W, 將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f (Pd)，即2g/min。圖2 5中，在表示如此 求出的操作條件的點(diǎn)處附加星標(biāo)記。(情形2)如圖3所示，考慮Pd = 900W、Fe = 2g/min的情況。燃料電池輸出要求值Pd在負(fù) 載跟蹤運(yùn)行中是變動(dòng)的，F(xiàn)k隨著轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度變化。由于Pm= 1000W、Fmin= lg/min 基本上是燃料電池系統(tǒng)中固有的值，因此與上面的例子相同。此時(shí)，由于Fk = 2g/min彡lg/min = Fmin，因此不進(jìn)行工序C地進(jìn)行工序D。
此外，由于Pd = 900W彡1000W = PM，因此不進(jìn)行工序d2，而進(jìn)行工序dl。工序dl中，使用函數(shù)F = f (P)，算出為了輸出Pd的電力而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供 給的烴系燃料的流量f (Pd)。該值為3g/min。由于f (Pd) = 3g/min > 2g/min = Fe,因此將燃料電池的電輸出設(shè)為由P = Γ1 (Fe) 計(jì)算出的P的值當(dāng)中的小于Pd且最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為 Fe,艮口 2g/min。由ρ = f(Fe)計(jì)算出的P的值為30W、600W及800W。這些值當(dāng)中，小于PD(900W) 且最大的值為800W。由此，將燃料電池的電輸出設(shè)為800W。(情形3)如圖4 所示，考慮 Pd = 1200W、FK = 5g/min 的情況。Pm = 1000ff,Fmin = lg/min 與 上面的例子相同。此時(shí)，由于Fk = 5g/min彡lg/min = Fmin，因此不進(jìn)行工序C地進(jìn)行工序D。此外，由于Pd= 1200W > 1000W = PM，因此不進(jìn)行工序dl，而進(jìn)行工序d2。工序d2中，使用上述函數(shù)F = f (P)，算出為了輸出最大電輸出Pm(IOOOW)的電輸 出而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pm)。該值為4. 5g/min。由于f (Pm) = 4. 5g/min彡5g/min = Fk，因此將燃料電池的電輸出設(shè)為PM，即 1000W，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f (Pm)，即4. 5g/min。(情形4)如圖5 所示，考慮 Pd = 1200W、Fe = 2g/min 的情況。Pm = 1000W、Fmin = lg/min 與上面的例子相同。此時(shí)，由于Fk = 2g/min彡lg/min = Fmin，因此不進(jìn)行工序C地進(jìn)行工序D。此外，由于Pd= 1200W > 1000W = PM，因此不進(jìn)行工序dl，而進(jìn)行工序d2。工序d2中，使用上述函數(shù)F = f (P)，算出為了輸出最大電輸出Pm(IOOOW)的電輸 出而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pm)。該值為4. 5g/min。由于f(PM) = 4. 5g/min > 2g/min = Fk，因此將燃料電池的電輸出設(shè)為由ρ = f—1 (Fk)計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為Fk，即 2g/min。由ρ = f(Fe)計(jì)算出的P的值為30W、600W及800W。將它們當(dāng)中最大的800W設(shè) 為燃料電池的電輸出。在使用圖2 5的說明中，為了說明，將F與P的相關(guān)設(shè)為極端的情況。但是，在 實(shí)用上，可以認(rèn)為很多情況下接近如圖6所示的相關(guān)。圖6中，在電輸出P小的范圍中，即， 在電輸出P為OW以上、300W以下的范圍中，為了將SOFC維持在能夠理想地發(fā)電的溫度，將 烴系燃料的流量F以1. 5g/min設(shè)為恒定值。另外，在電輸出P大的范圍中，即電輸出P大 于300W而在最大電輸出Pm(IOOOW)以下的范圍中，為了提高發(fā)電效率，與電輸出P成比例 地將烴系燃料的流量F從1. 5g/min增加到4. 5g/min。[可轉(zhuǎn)化流量的算出(Fk的算出)]下面，對(duì)基于在工序A中測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，在工序B中，算出能夠在 轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的烴系燃料的流量Fk的方法進(jìn)行說明。能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的烴系燃料的流量是指如下的流量，S卩，在將該流量
11的烴系燃料向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的情況下，從轉(zhuǎn)化催化劑層中排出的氣體的組成是適于向 燃料電池的陽極供給的組成。例如，可以將能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的流量設(shè)為能夠?qū)⑺┙o的烴系燃料分 解到Cl化合物(碳數(shù)為1的化合物)的流量的最大值以下的任意的流量。即，可以設(shè)為如 下情況下的、向轉(zhuǎn)化催化劑層的烴系燃料的供給流量的最大值以下的任意的流量，上述情 況是，能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中將轉(zhuǎn)化推進(jìn)到使轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體中的C2+成分(碳數(shù) 為2以上的成分)是對(duì)于由碳析出造成的流路堵塞、陽極劣化來說不會(huì)成為問題的濃度以 下的組成。此時(shí)的C2+成分的濃度作為轉(zhuǎn)化氣體中的質(zhì)量百分率來說優(yōu)選為50ppb以下。 此外，此時(shí)只要轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體為還原性即可。在轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體中，容許含 有甲烷。在烴系燃料的轉(zhuǎn)化中，通常來說，從平衡理論來講殘留有甲烷。即使在轉(zhuǎn)化催化劑 層出口氣體中，以甲烷、CO或CO2W形式含有碳，也可以通過根據(jù)需要添加蒸氣來防止碳析 出。在作為烴系燃料使用甲烷的情況下，只要將轉(zhuǎn)化推進(jìn)到轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體變?yōu)檫€ 原性即可。對(duì)于轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體的還原性，只要是即使將該氣體向陽極供給也可以 抑制陽極的氧化劣化的程度即可。為此，例如可以使轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體中所含的氧 化性的02、H2O, CO2等的分壓低于陽極電極的氧化反應(yīng)的平衡分壓。例如，在陽極電極材 料為Ni、陽極溫度為800°C時(shí)，可以將轉(zhuǎn)化催化劑層出口氣體中所含的O2分壓設(shè)為小于 1. 2X 10_14atm(l. 2 X I(T9Pa)，將相對(duì)于H2的H2O的分壓比設(shè)為小于1. 7 X IO2，將相對(duì)于CO 的CO2的分壓比設(shè)為小于LSXlO20可轉(zhuǎn)化流量依賴于轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度。由此，轉(zhuǎn)化催化劑層中的可轉(zhuǎn)化流量的 算出是基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度進(jìn)行的。轉(zhuǎn)化催化劑層中的可轉(zhuǎn)化流量Fk可以作為轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度T的函數(shù)(在明 示屬于溫度的函數(shù)的情況下，表示為Fk(T))，預(yù)先利用實(shí)驗(yàn)求出。另外，也可以在利用實(shí)驗(yàn) 求出的函數(shù)上乘以保險(xiǎn)系數(shù)，或?qū)囟认虬踩珎?cè)修正后，作為可轉(zhuǎn)化流量。而且，F(xiàn)k(T)的單 位例如為mol/s。可轉(zhuǎn)化流量Fk(T)可以設(shè)為僅是溫度T的函數(shù)。但是，并不限定于此，可 轉(zhuǎn)化流量Fk也可以是除了溫度T以外，還具有催化劑層體積、氣體成分的濃度等T以外的 變數(shù)的函數(shù)。該情況下，在計(jì)算可轉(zhuǎn)化流量Fk時(shí)，可以適當(dāng)?shù)厍蟪鯰以外的變數(shù)，根據(jù)T以 外的變數(shù)和測(cè)定出的T計(jì)算可轉(zhuǎn)化流量FK。轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度測(cè)定部位可以是1個(gè)點(diǎn)，也可以是多個(gè)點(diǎn)。另外，作為溫度條 件，可以使用多個(gè)點(diǎn)的平均值等代表溫度等。也可以考慮將轉(zhuǎn)化催化劑層沿著氣體流通方向分割的多個(gè)分割區(qū)域，測(cè)定在轉(zhuǎn)化 催化劑層的氣體流通方向上處于相互不同的位置的多個(gè)點(diǎn)的溫度，基于這些溫度，算出可 以在多個(gè)分割區(qū)域中的至少一部分中轉(zhuǎn)化的燃料的流量，將算出的流量的合計(jì)值作為能夠 在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的燃料的流量。[其他]在負(fù)載跟蹤運(yùn)行期間，不一定需要進(jìn)行相同種類的轉(zhuǎn)化。另外，通過將燃料電池與系統(tǒng)電源連接，就可以將燃料電池的電輸出相對(duì)于電力 負(fù)載的不足部分從系統(tǒng)電源供給。燃料電池輸出要求值Pd可以設(shè)為用適當(dāng)?shù)碾娏τ?jì)測(cè)定出的電力負(fù)載的值?；蛘撸谂c其他的發(fā)電機(jī)或蓄電池連接的情況下，可以將測(cè)定出的電力負(fù)載的一部分設(shè)為燃料電 池輸出要求值PD。在工序D中確定烴系燃料的流量時(shí)，根據(jù)需要，與之匹配地由預(yù)先求出的電輸出P 的函數(shù)計(jì)算、確定烴系燃料以外的向間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC供給的流體的流量、SOFC的輸出 以外的對(duì)間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC的電的輸入輸出。本發(fā)明在向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料包含碳數(shù)為2以上的烴系燃料的情況 下特別有效。根據(jù)本發(fā)明，即使在負(fù)載跟蹤運(yùn)行時(shí)，也可以將轉(zhuǎn)化氣體中的碳數(shù)為2以上的 化合物的濃度以質(zhì)量基準(zhǔn)計(jì)設(shè)為50ppb以下，這樣就可以更為可靠地防止由碳析出造成的 流路堵塞、陽極劣化。[間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC系統(tǒng)的其他方式]使用圖7，對(duì)可以合適地用于進(jìn)行上述方法的間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC系統(tǒng)的一個(gè)方 式進(jìn)行說明。該燃料電池系統(tǒng)具有將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造含有氫的轉(zhuǎn)化氣體的轉(zhuǎn)化器3。轉(zhuǎn)化 器具有轉(zhuǎn)化催化劑層4。另外，該燃料電池系統(tǒng)具有使用該轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行發(fā)電的高溫型燃料 電池(這里為S0FC)6。該燃料電池系統(tǒng)還具有以下的機(jī)構(gòu)I IV。I)測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的機(jī)構(gòu)。II)基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，算出作為能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的 烴系燃料的流量的可轉(zhuǎn)化流量Fk的機(jī)構(gòu)。III)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk小于Fmin的情況下，停止燃料電池的發(fā)電的機(jī)構(gòu)。IV)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk為Fmin以上的情況下，如果燃料電池輸出要求值Pd為 最大電輸出Pm以下，則進(jìn)行工序dl，如果燃料電池輸出要求值Pd超過最大電輸出PM，則進(jìn) 行工序d2的機(jī)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)I，可以使用用于測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的熱電偶13等溫度傳感
ο為了分別實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)II、III及IV，可以使用計(jì)算機(jī)10等在過程控制或燃料電池系 統(tǒng)控制的領(lǐng)域中公知的控制機(jī)構(gòu)(適當(dāng)?shù)匕\(yùn)算功能)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)Π、ΙΙΙ及IV，既 可以各使用一個(gè)控制機(jī)構(gòu)，也可以僅將一個(gè)控制機(jī)構(gòu)，例如計(jì)算機(jī)10用于機(jī)構(gòu)II、III及 IV。在使用多個(gè)控制機(jī)構(gòu)的情況下，它們可以適當(dāng)?shù)叵嗷ナ瞻l(fā)信息?？刂茩C(jī)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)常數(shù)、函數(shù)、表格等。例如，用于機(jī)構(gòu)II的控制機(jī)構(gòu)可以 存儲(chǔ)用于求出上述Fk的函數(shù)Fk(T)，用于機(jī)構(gòu)III的控制機(jī)構(gòu)可以存儲(chǔ)上述最小值Fmin，用 于機(jī)構(gòu)IV的控制機(jī)構(gòu)可以存儲(chǔ)Ffflin, Pm、函數(shù)F = f(P)及函數(shù)P = Γ1 (FE)?？梢韵蚩刂茩C(jī)構(gòu)中適當(dāng)?shù)剌斎氡匦璧闹怠＠?，向用于機(jī)構(gòu)II的控制機(jī)構(gòu)輸入轉(zhuǎn) 化催化劑層溫度。即，該控制機(jī)構(gòu)可以接收相當(dāng)于轉(zhuǎn)化催化劑層溫度的信號(hào)。另外，用于機(jī) 構(gòu)IV的控制機(jī)構(gòu)可以接收相當(dāng)于Pd的信號(hào)。用于機(jī)構(gòu)III的控制機(jī)構(gòu)可以停止燃料電池的發(fā)電。另外，用于機(jī)構(gòu)IV的控制機(jī) 構(gòu)可以控制燃料電池的電輸出。機(jī)構(gòu)III及機(jī)構(gòu)IV為了控制燃料電池的電輸出，除了上述控制機(jī)構(gòu)以外，可以還 含有電力調(diào)整器14。
用于機(jī)構(gòu)IV的控制機(jī)構(gòu)可以控制向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量。機(jī)構(gòu) IV為了控制向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量，除了上述控制機(jī)構(gòu)以外，可以還含有 烴系燃料用的流量調(diào)節(jié)閥Ila及流量計(jì)12a。或者，可以含有能夠與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)地使流量 變化的烴系燃料用的泵。燃料電池系統(tǒng)為了根據(jù)需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給蒸汽，例如可以具備水用的流量 調(diào)節(jié)閥lib及流量計(jì)12b?；蛘?，可以具備能夠與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)地使流量變化的水用的泵。 另外，燃料電池系統(tǒng)為了根據(jù)需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給含氧氣體，例如可以具備空氣用的 流量調(diào)節(jié)閥Ilc及流量計(jì)12c。或者，可以具備能夠與輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)地使流量變化的空氣用 的鼓風(fēng)機(jī)。[烴系燃料]作為烴系燃料，可以從作為轉(zhuǎn)化氣體的原料在高溫型燃料電池的領(lǐng)域中公知的、 在分子中含有碳和氫的(也可以含有氧等其他的元素)化合物或其混合物中適當(dāng)?shù)剡x擇使 用，可以使用烴類、醇類等在分子中具有碳和氫的化合物。例如為甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、天 然氣、LPG(液化石油氣)、城市煤氣、汽油、石腦油、煤油、輕油等烴燃料；或甲醇、乙醇等醇；
二甲醚等醚等。其中，煤油或LPG容易獲得，因而優(yōu)選。另外由于可以獨(dú)立地貯存，因此在沒有普 及城市煤氣的管線的地域中十分有用。此外，利用了煤油或LPG的高溫型燃料電池發(fā)電裝 置作為應(yīng)急用電源來說十分有用。特別是，從處置也很容易的方面考慮，優(yōu)選煤油。[高溫型燃料電池]本發(fā)明可以適用于具備有可能產(chǎn)生由碳析出造成的流路堵塞、陽極劣化的高溫型 燃料電池的系統(tǒng)中。作為此種燃料電池，有S0FC、MCFC。作為S0FC，可以從平板型或圓筒型等各種形狀的公知的SOFC中適當(dāng)?shù)剡x擇采用。 SOFC中，一般來說，將氧離子導(dǎo)電性陶瓷或質(zhì)子離子導(dǎo)電性陶瓷作為電解質(zhì)利用。對(duì)于MCFC，也可以從公知的MCFC中適當(dāng)?shù)剡x擇采用。SOFC、MCFC可以是單電池，然而在實(shí)用上，優(yōu)選使用將多個(gè)單電池排列而成的堆 (在圓筒型的情況下有時(shí)也稱作束，而本說明書中所說的堆也包含束)。該情況下，堆可以 是1個(gè)，也可以是多個(gè)。在高溫型燃料電池當(dāng)中，間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC因可以提高系統(tǒng)的熱效率這一點(diǎn) 而更為優(yōu)異。間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC具有利用水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)由烴系燃料制造含有氫的轉(zhuǎn) 化氣體的轉(zhuǎn)化器和S0FC。該轉(zhuǎn)化器中，可以進(jìn)行水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)，另外，也可以進(jìn)行在水蒸 氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)中伴隨著局部氧化反應(yīng)的自熱轉(zhuǎn)化。從SOFC的發(fā)電效率的觀點(diǎn)考慮，優(yōu)選在起 動(dòng)結(jié)束后，不會(huì)引起局部氧化反應(yīng)。即使在自熱轉(zhuǎn)化中，起動(dòng)結(jié)束后也是將水蒸氣轉(zhuǎn)化設(shè)為 支配性的，所以轉(zhuǎn)化反應(yīng)在總體上是吸熱的。此外，從SOFC供給對(duì)于轉(zhuǎn)化反應(yīng)所必需的熱。 轉(zhuǎn)化器和SOFC被收容于一個(gè)模塊容器中而模塊化。轉(zhuǎn)化器配置于從SOFC接收熱輻射的位 置。通過如此設(shè)置，在發(fā)電時(shí)就可以利用來自SOFC的熱輻射將轉(zhuǎn)化器加熱。另外，通過使 從SOFC中排出的陽極排出氣體在電池出口處燃燒，也可以將SOFC加熱。在間接內(nèi)部轉(zhuǎn)化型SOFC中，轉(zhuǎn)化器優(yōu)選配置于能夠從SOFC向轉(zhuǎn)化器的外表面直 接進(jìn)行輻射傳熱的位置。所以，優(yōu)選在轉(zhuǎn)化器與SOFC之間實(shí)質(zhì)上不配置遮蔽物，也就是說 優(yōu)選將轉(zhuǎn)化器與SOFC之間設(shè)為空隙。另外，轉(zhuǎn)化器與SOFC的距離越短越好。
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各供給氣體在根據(jù)需要適當(dāng)?shù)仡A(yù)熱后向轉(zhuǎn)化器或SOFC供給。作為模塊容器，可以使用能夠收容SOFC和轉(zhuǎn)化器的適當(dāng)?shù)娜萜?。作為其材料，?如可以使用不銹鋼等對(duì)于所使用的環(huán)境具有耐受性的適當(dāng)?shù)牟牧?。在容器中，為了進(jìn)行氣 體的互換等，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置連接口。在電池出口在模塊容器內(nèi)開口的情況下，特別優(yōu)選模塊容器具有氣密性，以便使 模塊容器的內(nèi)部與外界(大氣)不連通。燃燒區(qū)域是可以將從SOFC的陽極中排出的陽極排出氣體燃燒的區(qū)域。例如，可以 將陽極出口向殼體內(nèi)開放，將陽極出口附近的空間設(shè)為燃燒區(qū)域。作為含氧氣體例如可以 使用陰極排出氣體進(jìn)行該燃燒。為此，可以將陰極出口向殼體內(nèi)開放。為了使燃燒用燃料或陽極排出氣體燃燒，可以適當(dāng)?shù)厥褂命c(diǎn)火器等點(diǎn)火機(jī)構(gòu)。[轉(zhuǎn)化器]轉(zhuǎn)化器由烴系燃料制造含有氫的轉(zhuǎn)化氣體。在轉(zhuǎn)化器中，可以進(jìn)行水蒸氣轉(zhuǎn)化、局部氧化轉(zhuǎn)化、以及在水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)中伴隨 著局部氧化反應(yīng)的自熱轉(zhuǎn)化的任意一種。在轉(zhuǎn)化器中，可以適當(dāng)?shù)厥褂镁哂兴魵廪D(zhuǎn)化能力的水蒸氣轉(zhuǎn)化催化劑、具有局 部氧化轉(zhuǎn)化能力的局部氧化轉(zhuǎn)化催化劑、兼具局部氧化轉(zhuǎn)化能力和水蒸氣轉(zhuǎn)化能力的自熱 轉(zhuǎn)化催化劑。轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)夭捎米鳛檗D(zhuǎn)化器公知的結(jié)構(gòu)。例如，可以制成如下的結(jié) 構(gòu)，即，在可密閉的容器內(nèi)具有收容轉(zhuǎn)化催化劑的區(qū)域，具有轉(zhuǎn)化中所必需的流體的導(dǎo)入口 和轉(zhuǎn)化氣體的排出口。轉(zhuǎn)化器的材質(zhì)可以從作為轉(zhuǎn)化器公知的材質(zhì)中，考慮使用環(huán)境中的耐受性地適當(dāng) 地選擇采用。轉(zhuǎn)化器的形狀可以設(shè)為長(zhǎng)方體狀或圓管狀等適當(dāng)?shù)男螤?。可以將烴系燃料(根據(jù)需要可以預(yù)先氣化)及水蒸氣、以及根據(jù)需要使用的空氣 等含氧氣體分別單獨(dú)地，或者在適當(dāng)?shù)鼗旌虾?，向轉(zhuǎn)化器(轉(zhuǎn)化催化劑層)供給。另外，轉(zhuǎn) 化氣體被向SOFC的陽極供給。[轉(zhuǎn)化催化劑]轉(zhuǎn)化器中所用的水蒸氣轉(zhuǎn)化催化劑、局部氧化轉(zhuǎn)化催化劑、自熱轉(zhuǎn)化催化劑都可 以分別使用公知的催化劑。作為局部氧化轉(zhuǎn)化催化劑的例子，可以舉出鉬系催化劑，作為水 蒸氣轉(zhuǎn)化催化劑的例子，可以舉出釕系及鎳系的催化劑，作為自熱轉(zhuǎn)化催化劑的例子，可以 舉出銠系催化劑。局部氧化轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以進(jìn)行的溫度例如為200°C以上，水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以進(jìn)行 的溫度例如為400°C以上。[轉(zhuǎn)化器的運(yùn)行條件]下面，將分別針對(duì)水蒸氣轉(zhuǎn)化、自熱轉(zhuǎn)化、局部氧化轉(zhuǎn)化來說明轉(zhuǎn)化器中的負(fù)載跟 蹤運(yùn)行時(shí)的條件。水蒸氣轉(zhuǎn)化中，向煤油等轉(zhuǎn)化原料中添加蒸汽。水蒸氣轉(zhuǎn)化的反應(yīng)溫度例如可以 在400°C 1000°C，優(yōu)選在500°C 850°C，更優(yōu)選在550°C 800°C的范圍中進(jìn)行。導(dǎo)入反 應(yīng)體系的蒸汽的量被作為水分子摩爾數(shù)與烴系燃料中所含的碳原子摩爾數(shù)的比(蒸汽/碳比)定義，該值優(yōu)選為1 10，更優(yōu)選為1. 5 7，進(jìn)一步優(yōu)選為2 5。在烴系燃料為液體 的情況下，對(duì)于此時(shí)的空間速度(LHSV)，在將烴系燃料的液體狀態(tài)下的流速設(shè)為A(L/h)， 將催化劑層體積設(shè)為B (L)的情況下，可以用A/B來表示，該值優(yōu)選在0. 05 201Γ1，更優(yōu)選 在0. 1 lOh—1，進(jìn)一步優(yōu)選在0. 2 51Γ1的范圍中設(shè)定。自熱轉(zhuǎn)化中，除了蒸汽以外，還向轉(zhuǎn)化原料中添加含氧氣體。作為含氧氣體，雖然 也可以是純氧，然而從獲得容易性考慮，優(yōu)選空氣?？梢园凑漳軌颢@得如下的放熱量的方 式來添加含氧氣體，即，使伴隨著水蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)的吸熱反應(yīng)平衡，并且可以將轉(zhuǎn)化催化劑 層、SOFC的溫度保持或?qū)⑺鼈兩郎?。?duì)于含氧氣體的添加量，作為氧分子摩爾數(shù)與烴系燃料 中所含的碳原子摩爾數(shù)的比(氧/碳比)，優(yōu)選設(shè)為0. 005 1，更優(yōu)選設(shè)為0. 01 0. 75， 進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)為0. 02 0. 6。自熱轉(zhuǎn)化反應(yīng)的反應(yīng)溫度例如在400°C 1000°C，優(yōu)選在 450°C 850°C，更優(yōu)選在500°C 800°C的范圍中設(shè)定。在烴系燃料為液體的情況下，此時(shí) 的空間速度(LHSV)優(yōu)選在0. 05 20、更優(yōu)選在0. 1 ΚΓ1，進(jìn)一步優(yōu)選在0. 2 5—1的范 圍中選擇。對(duì)于導(dǎo)入反應(yīng)體系的蒸汽的量，作為蒸汽/碳比優(yōu)選設(shè)為1 10，更優(yōu)選設(shè)為 1. 5 7，進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)為2 5。局部氧化轉(zhuǎn)化中，向轉(zhuǎn)化原料中添加含氧氣體。作為含氧氣體，雖然也可以是純 氧，然而從獲得容易性考慮，優(yōu)選空氣。為了確保用于推進(jìn)反應(yīng)的溫度，在熱的損失等方面 適當(dāng)?shù)貨Q定添加量。其量作為氧分子摩爾數(shù)與烴系燃料中所含的碳原子摩爾數(shù)的比(氧/ 碳比)，優(yōu)選設(shè)為0. 1 3，更優(yōu)選設(shè)為0. 2 0. 7。局部氧化反應(yīng)的反應(yīng)溫度例如在450°C 1000°C，優(yōu)選在500°C 850°C，更優(yōu)選在550°C 800°C的范圍中設(shè)定。在烴系燃料為液體 的情況下，此時(shí)的空間速度(LHSV)優(yōu)選在0. 1 30—1的范圍中選擇。為了抑制在反應(yīng)體系 中產(chǎn)生煤煙子，可以導(dǎo)入蒸汽，其量作為蒸汽/碳比優(yōu)選設(shè)為0. 1 5，更優(yōu)選設(shè)為0. 1 3，進(jìn)一步優(yōu)選設(shè)為1 2。[其他機(jī)器]在本發(fā)明中所用的高溫型燃料電池系統(tǒng)中，高溫型燃料電池系統(tǒng)的公知的構(gòu)成要 素可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。如果要舉出具體例，則為減少烴系燃料中所含的硫分的脫硫 器、使液體氣化的氣化器、用于將各種流體加壓的泵、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等升壓機(jī)構(gòu)、用于調(diào)節(jié) 流體的流量或者用于將流體的流動(dòng)阻斷/切換的閥等流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)或流路阻斷/切換機(jī) 構(gòu)、用于進(jìn)行熱交換·熱回收的熱交換器、將氣體冷凝的冷凝器、用蒸汽等將各種機(jī)器外熱 的加熱/保溫機(jī)構(gòu)、烴系燃料或可燃物的貯存機(jī)構(gòu)、儀表用的空氣或電氣系統(tǒng)、控制用的信 號(hào)系統(tǒng)、控制裝置、輸出用或動(dòng)力用的電氣系統(tǒng)等。工業(yè)上的利用可能性本發(fā)明例如可以適用于固定用或移動(dòng)體用的發(fā)電系統(tǒng)以及電聯(lián)供系統(tǒng)中所用的 高溫型燃料電池系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
一種燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法，是包括具有轉(zhuǎn)化催化劑層的轉(zhuǎn)化器和高溫型燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法，所述轉(zhuǎn)化器將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造含有氫的轉(zhuǎn)化氣體，所述高溫型燃料電池使用該轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行發(fā)電，預(yù)先求出該燃料電池的電輸出P和為了用燃料電池輸出該電輸出P而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量F的函數(shù)F＝f(P)及p＝f 1(F)，其中，P＝f 1(F)是F＝f(P)的逆函數(shù)，在將該燃料電池的最大電輸出表示為PM，將P處于0以上PM以下的范圍中時(shí)的由函數(shù)F＝f(P)決定的烴系燃料的流量的最小值表示為Fmin時(shí)，具有A)測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的工序；B)基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，算出作為能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的烴系燃料的流量的可轉(zhuǎn)化流量FR的工序；C)在算出的可轉(zhuǎn)化流量FR小于所述最小值Fmin的情況下，停止燃料電池的發(fā)電的工序；以及D)在算出的可轉(zhuǎn)化流量FR為所述最小值Fmin以上的情況下，如果燃料電池輸出要求值PD為所述最大電輸出PM以下，則進(jìn)行工序d1，如果燃料電池輸出要求值PD超過所述最大電輸出PM，則進(jìn)行工序d2的工序，d1)使用所述函數(shù)F＝f(P)，算出為了用燃料電池輸出燃料電池輸出要求值PD而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f(PD)，如果f(PD)為所述算出的可轉(zhuǎn)化流量FR以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PD，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PD)，如果f(PD)超過所述算出的可轉(zhuǎn)化流量FR，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由p＝f 1(FR)計(jì)算出的P的值當(dāng)中小于PD且最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為FR的工序，d2)使用所述函數(shù)F＝f(P)，算出為了用燃料電池輸出所述最大電輸出PM而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f(PM)，如果f(PM)為所述算出的可轉(zhuǎn)化流量FR以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PM，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PM)，如果f(PM)超過所述算出的可轉(zhuǎn)化流量FR，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由p＝f 1(FR)計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為FR的工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在負(fù)載跟蹤運(yùn)行期間，反復(fù)進(jìn)行所述工序A D。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述烴系燃料含有碳數(shù)為2以上的烴系燃料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)化氣體中的碳數(shù)為2以上的化合物的濃度 以質(zhì)量基準(zhǔn)計(jì)為50ppb以下。
5.一種燃料電池系統(tǒng)，其包括具有轉(zhuǎn)化催化劑層的轉(zhuǎn)化器和高溫型燃料電池，所述轉(zhuǎn) 化器將烴系燃料轉(zhuǎn)化而制造含有氫的轉(zhuǎn)化氣體，所述高溫型燃料電池使用該轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行 發(fā)電，在將該燃料電池的電輸出P和為了用燃料電池輸出該電輸出P而需要向轉(zhuǎn)化催化劑層 供給的烴系燃料的流量F的函數(shù)表示為F = f(P)，將F = f(P)的逆函數(shù)表示為P = ^(F)， 將該燃料電池的最大電輸出表示為PM，將P處于0以上Pm以下的范圍中時(shí)的由函數(shù)F = f(P)決定的烴系燃料的流量的最小 值表示為Fmin時(shí)， 具有I)測(cè)定轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度的機(jī)構(gòu)；II)基于測(cè)定出的轉(zhuǎn)化催化劑層的溫度，算出作為能夠在轉(zhuǎn)化催化劑層中轉(zhuǎn)化的烴系 燃料的流量的可轉(zhuǎn)化流量Fk的機(jī)構(gòu)；III)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk小于所述最小值Fmin的情況下，停止燃料電池的發(fā)電的機(jī) 構(gòu)；以及IV)在算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk為所述最小值Fmin以上的情況下，如果燃料電池輸出要求值Pd為所述最大電輸出Pm以下，則進(jìn)行工序dl，如果燃料電池 輸出要求值Pd超過所述最大電輸出PM，則進(jìn)行工序d2的機(jī)構(gòu)，dl)使用所述函數(shù)F = f(P)，算出為了用燃料電池輸出燃料電池輸出要求值Pd而需要 向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pd)，如果f (Pd)為所述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PD，將向轉(zhuǎn)化 催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PD)，如果f (Pd)超過所述算出的可轉(zhuǎn)化流量FK，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由P = Γ1 (Fe) 計(jì)算出的P的值當(dāng)中小于Pd且最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為Fk 的工序，d2)使用所述函數(shù)F = f (P)，算出為了用燃料電池輸出所述最大電輸出Pm而需要向轉(zhuǎn) 化催化劑層供給的烴系燃料的流量f (Pm)，如果f (Pm)為所述算出的可轉(zhuǎn)化流量Fk以下，則將燃料電池的電輸出設(shè)為PM，將向轉(zhuǎn)化 催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為f(PM)，如果f (Pm)超過所述算出的可轉(zhuǎn)化流量FK，則將燃料電池的電輸出設(shè)為由P = Γ1 (Fe) 計(jì)算出的P的值當(dāng)中最大的值，將向轉(zhuǎn)化催化劑層供給的烴系燃料的流量設(shè)為Fk的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以實(shí)現(xiàn)可靠的轉(zhuǎn)化、防止流路堵塞、陽極劣化的燃料電池系統(tǒng)負(fù)載跟蹤運(yùn)行方法。預(yù)先求出電池輸出P和為了輸出P而需要的烴系燃料流量F的函數(shù)F＝f(P)及P＝f-1(F)，根據(jù)轉(zhuǎn)化催化劑層的測(cè)定溫度算出可轉(zhuǎn)化燃料流量FR，如果FR＜Fmin(燃料流量的最小值)，則停止發(fā)電，在FR≥Fmin的情況下，如果輸出要求值PD為電池最大輸出PM以下，則進(jìn)行下面的1，如果PD＞PM，則進(jìn)行下面的2。1)如果f(PD)≤FR，則將電池輸出設(shè)為PD，將供給燃料流量設(shè)為f(PD)，如果f(PD)＞FR，則將電池輸出設(shè)為由P＝f-1(FR)計(jì)算出的P當(dāng)中的小于PD且最大的值，將供給燃料流量設(shè)為FR。2)如果f(PM)≤FR，則將電池輸出設(shè)為PM，將供給燃料流量設(shè)為f(PM)，如果f(PM)＞FR，則將電池輸出設(shè)為由P＝f-1(FR)計(jì)算出的P當(dāng)中的最大值，將供給燃料流量設(shè)為FR。本發(fā)明還提供適于該方法的燃料電池系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101981740SQ20098011087
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月27日
發(fā)明者旗田進(jìn) 申請(qǐng)人:吉坤日礦日石能源株式會(huì)社