DE102016123106B4 - Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- 1. Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine einfache Temperatureinstellung des Verbrennungsgases ermöglicht, wenn die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels für kurze Zeit unter Verwendung eines Brenners beim Einschalten der Vorrichtung erhöht wird.
- 2. Beschreibung der verwandten Technik
- Die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp, wie beispielsweise einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle, beträgt ungefähr 600 °C bis 1.000 °C. Folglich wird die Temperatur der Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp auf eine Raumtemperatur vermindert, wenn der Betrieb einmal gestoppt wurde, und die Brennstoffzelle muss erneut auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden, wenn der Betrieb erneut gestartet wird. In diesem Fall wird Zeit benötigt, um die Brennstoffzelle auf einen Hochtemperaturzustand aufzuheizen, und folglich wird Zeit benötigt, um die Brennstoffzelle zu starten.
- Aus diesem Grund ist in der
JP 2005-317232 A
WO 2016/097687 A1
DE 102 37 744 A1 betrifft ein Reaktorsystem zur Wasserstofferzeugung aus einem Kohlenwasserstoff oder Kohlenwasserstoff-Derivat durch autotherme Reformierung. Die Heizung zur Erwärmung des Reaktorsystems auf Betriebstemperatur besitzt ein temperaturgeregelter Startbrenner, in dem der Kohlenwasserstoff oder das Kohlenwasserstoff-Derivat mit Luft verbrannt wird. Außerdem wird die Temperatur des aus dem Startbrenner austretenden Heißgases durch dosierte Luftzugabe auf einen Wert nahe oder unterhalb der Schädigungstemperatur des Katalysatormaterials geregelt, bevor das Heißgas mit dem Reaktorsystem in Kontakt gebracht wird.
US 2013/0089799 A1
US 2013/0017462 A1 - KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Wenn jedoch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels von einer Raumtemperatur auf eine hohe Temperatur von ungefähr 600 bis 1.000 °C unter Verwendung eines Brenners erhöht wird, ist die Einstellung der Verbrennung von Brennstoff und Luft schwierig, und ein dynamischer Bereich, welcher eine stabile Verbrennungstemperatureinstellung ermöglicht, ist klein. Die Verbrennungsgastemperatur wird auf der Grundlage eines Verhältnisses (Luftverhältnis) zwischen einer Brennstoffmenge und einer Luftmenge bestimmt. Wenn beispielsweise die Temperatur des Verbrennungsgases auf 300 bis 650 °C geregelt wird und auf 300 °C vermindert wird, wird das Luftverhältnis groß, was eine Verbrennbarkeit unter Verwendung eines Brenners verschlechtert und eine große Menge unverbranntes Gas und Kohlenmonoxid bewirkt. Mit der Verwendung eines Brenners wird die Verbrennungstemperatur scharf erhöht. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Verbrennungsgas scharf erhöht wird, tritt in dem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Verzögerung einer Temperaturerhöhung aufweist, leicht Kondensation auf.
- Im Hinblick auf die oben stehenden Aufgaben zielt die vorliegende Erfindung auf ein Bereitstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine einfache Temperatureinstellung des Verbrennungsgases ermöglicht, wenn die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels für kurze Zeit unter Verwendung eines Brenners beim Einschalten der Vorrichtung erhöht wird.
- Das oben beschriebene Problem und Aufgabe werden durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
- Eine Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst Folgendes: einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Brennstoffelektrode, an welche Brennstoff geliefert wird, und eine Luftelektrode aufweist, an welche Luft geliefert wird; eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung, welche konfiguriert ist, den Brennstoff und die Luft zu vermischen, eine Mischung aus dem Brennstoff und der Luft unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen, um Verbrennungsgas zu erhalten, und das Verbrennungsgas der Luftelektrode zuzuführen, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung zu erhöhen. Die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung umfasst Folgendes: einen Verbrennungszylinder, durch welchen das Verbrennungsgas passiert; einen Kühlzylinder, welcher konfiguriert ist, eine äußere Peripherie des Verbrennungszylinders abzudecken; und eine Umgehungsluftleitung, welche konfiguriert ist, einen Teil der Luft einem Luftbereich zuzuführen, welcher zwischen dem Verbrennungszylinder und dem Kühlzylinder ausgebildet ist, um so den Verbrennungszylinder zu kühlen. Die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung ist konfiguriert, der Luftelektrode zuzuführen durch Mischen des Verbrennungsgases, welches in dem Verbrennungszylinder verbrannt wurde und den Verbrennungszylinder passiert hat, mit der Luft, welche dem Luftbereich zugeführt wird. Der Verbrennungszylinder hat mehrere Löcher zum Mischen des Verbrennungsgases und der Luft in dem Luftbereich.
- Die beschriebenen und andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Signifikanz dieser Erfindung wird durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
- Figurenliste
-
-
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine gesamte Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert; -
2 ist ein Diagramm, welches eine ausführliche Konfiguration einer Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung illustriert; -
3 ist eine Ausschnittsansicht, welche eine Modifizierung der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung illustriert; -
4 ist eine Ausschnittsansicht entlang einer Linie A-A, welche in3 illustriert ist; -
5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Verfahrensweise der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung durch eine Steuervorrichtung illustriert; -
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches die ausführliche Verarbeitungsverfahrensweise der Verarbeitung der Temperaturerhöhung durch die in5 illustrierte Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung illustriert; -
7 ist ein Diagramm, welches einen Verarbeitungsablauf gemäß einem ersten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert; -
8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Oberflächentemperatur, einer gesättigten Luftfeuchtemenge, maximaler Feuchtemenge der Außenluftzufuhr, möglicher Feuchtemenge des Verbrennungsgases und einer Solltemperatur des Verbrennungsgases gemäß dem ersten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert; -
9 ist ein Diagramm, welches einen Verarbeitungsablauf gemäß einem zweiten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert; -
10 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Oberflächentemperatur, einer gesättigten Luftfeuchtemenge eines Brennstoffzellenstapels, einer gesättigten Luftfeuchtemenge der Außenluft, möglicher Feuchtemenge des Verbrennungsgases und einer Solltemperatur des Verbrennungsgases gemäß dem zweiten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert; -
11 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration einer ersten Modifizierung der Brennstoffzellenvorrichtung illustriert, bei welcher eine Position einer Heizung in1 verändert ist. -
12 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration einer zweiten Modifizierung der Brennstoffzellenvorrichtung illustriert, bei welcher eine Position einer Heizung in1 verändert ist. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Das Folgende beschreibt eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
- (Gesamte Konfiguration)
-
1 ist ein Blockdiagramm, welches die gesamte Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Die Brennstoffzellenvorrichtung1 umfasst ein Brennstoffzellenmodul2 . Das Brennstoffzellenmodul2 umfasst einen Brennstoffzellenstapel3 , welcher in einem wärmeisolierenden Gehäuse bereitgestellt ist. Der Brennstoffzellenstapel3 ist ein Zellenstapel mit mehreren Stromerzeugungszellen, welche Strom durch Reaktion des Brennstoffs, welcher aus einer BrennstoffversorgungsleitungL25 zugeführt wird, mit Luft erzeugt, welche aus einer LuftversorgungsleitungL34 zugeführt wird. - Der Brennstoffzellenstapel
3 kann eine bekannte Konfiguration aufweisen, wie beispielsweise eine Konfiguration, bei welcher mehrere zylindrische Stromerzeugungszellen zusammengefasst sind, oder eine Konfiguration, bei welcher beispielsweise mehrere rechteckige plattenförmige Stromerzeugungszellen gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel3 der Ausführungsform verwendet eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC), in welcher ionenleitende Keramiken als ein Elektrolyt zwischen einer Brennstoffelektrode (Anode)3a und einer Luftelektrode (Kathode)3b zwischengeschaltet sind. - Schwefel-Komponenten im rohen Brennstoff (z. B. Methan-Gas, Stadtgas usw.) aus einer Brennstoffversorgungsleitung
L21 werden durch eine Entschwefelungsvorrichtung22 entfernt, welche durch ein Brennstoffgebläse21 und eine BrennstoffversorgungsleitungL22 verbunden ist. Weiterhin wird der Brennstoff, aus welchem die Schwefel-Komponenten entfernt wurden, durch einen Reformer23 , welcher durch eine BrennstoffversorgungsleitungL23 , ein VentilV1 und eine BrennstoffversorgungsleitungL24 verbunden ist, zu reformiertem Brennstoff reformiert, welcher Wasserstoff enthält, und der reformierte Brennstoff wird über eine BrennstoffversorgungsleitungL25 der Anode3a zugeführt. Ein Reformierungswasserverdampfer24 verdampft Wasser, welches über eine VersorgungsleitungL26 zugeführt wird, und führt dem Reformer23 das verdampfte Wasser über eine VersorgungsleitungL27 zu. Der Reformer23 erzeugt reformierten Brennstoff, bei welchem roher Brennstoff mit Dampf reformiert wurde. Es ist zu beachten, dass, wenn der Zellenstapel die Funktion des Reformers23 aufweist, der Reformer23 weggelassen werden kann. - Inzwischen wird der Kathode
3b Luft aus einer LuftversorgungsleitungL31 durch ein Luftgebläse31 , eine LuftversorgungsleitungL32 , eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 , eine LuftversorgungsleitungL33 , eine Heizung32 und eine LuftversorgungsleitungL34 zugeführt, welche ein VentilV3 aufweist. Der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 wird Brennstoff durch eine BrennstoffversorgungsleitungL11 zugeführt, welche von der BrennstoffversorgungsleitungL23 und einem VentilV2 abzweigt. Das VentilV2 , welches als eine Brennstoffsteuervorrichtung für den Brenner dient, wird nur bei einer Inbetriebnahme geöffnet, so dass der Brennstoff und Luft, welche aus der LuftversorgungsleitungL32 geliefert wird, vermischt und unter Verwendung eines Brenners verbrannt werden. Dann wird das Verbrennungsgas in die LuftversorgungsleitungL33 gezogen. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels3 erhöht sich durch das Zuführen des Verbrennungsgases an die Kathode3b . Es ist zu beachten, dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 mit den LuftversorgungsleitungenL32 ,L33 verbunden ist, und wenn ein Brenner im Normalbetrieb nicht brennt, wird Luft, welche aus der LuftversorgungsleitungL32 zugeführt wird, so wie sie ist in die LuftversorgungsleitungL33 gezogen. Bei der Ausführungsform dient das Luftgebläse31 als ein Luftverstärkungsgebläse, welches dem Brennstoffzellenstapel3 Luft oder Verbrennungsgas zuführt, und als ein Luftverstärkungsgebläse, welches der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 Luft zuführt. Dies kann das System vereinfachen und die Vorrichtung verkleinern. - Die Heizung
32 erhöht eine Temperatur der Luft, welche aus der LuftversorgungsleitungL33 zugeführt wird. Die Heizung32 wird bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung und im Normalbetrieb verwendet. - Luftabgas, welches aus der Kathode
3b abgezogen wird, wird durch eine Luftvorheizung33 einem Wärmeaustausch unterzogen und dann über eine AbgasleitungL41 einer Brennkammer41 zugeführt. Inzwischen wird Brennstoffabgas, welches aus der Anode3a abgezogen wird, über eine AbgasleitungL42 , welche mit der AbgasleitungL41 verbunden ist, der Brennkammer41 zugeführt. Es ist zu beachten, dass die Brennstoff-Reformierreaktion durch den Reformer23 eine endotherme Reaktion ist, und folglich kann beispielsweise ein Wärmetauscher an der dem Reformer23 vorhergehenden Stufe bereitgestellt werden, um Brennstoff unter Verwendung des Brennstoffabgases vorzuheizen. Die Luftvorheizung33 weist eine LuftversorgungsleitungL35 auf, welche die Luftvorheizung33 passiert, um im Normalbetrieb Luft vorzuheizen. Wenn die LuftversorgungsleitungL35 verwendet wird, ist das VentilV3 geschlossen und ein VentilV4 ist offen. Es ist zu beachten, dass die VentileV3 ,V4 als Schalteinheiten fungieren, welche eine Versorgung der Luftelektrode3b mit Luft oder Verbrennungsgas schalten. - Die Brennkammer
41 verbrennt das zugeführte Brennstoffabgas und Luftabgas mit einem Katalysator. Das Verbrennungsgas wird durch eine AbgasleitungL43 , einen Wärmetauscher42 und eine AbgasleitungL44 an die Atmosphäre abgegeben. Der Wärmetauscher42 ist ein Wärmetauscher zur Abgaswärmerückgewinnung und erzeugt mit einer daran verbundenem Abgaswärme-RückgewinnungsleitungL45 warmes Wasser. - (Ausführliche Konfiguration der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung)
-
2 ist ein Diagramm, welches eine ausführliche Konfiguration der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 illustriert; Wie in2 illustriert, umfasst die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 eine Mischeinheit11 , eine Brennereinheit12 , einen Verbrennungszylinder13 , einen Kühlzylinder14 und eine UmgehungsluftleitungL12 . Die Mischeinheit11 mischt Brennstoff, welcher aus der BrennstoffversorgungsleitungL11 zugeführt wird, und Luft, welche aus der LuftversorgungsleitungL32 zugeführt wird. Die Brennereinheit12 beginnt, das vermischte Gas, welches aus der Mischeinheit11 einströmt, unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen. Der Verbrennungszylinder13 verbrennt das vermischte Gas in dem Zylinder als einen Verbrennungsbereich. Die UmgehungsluftleitungL12 führt Luft, welche aus der LuftversorgungsleitungL32 abgezweigt wird, einer Basisendseite (Seite der Brennereinheit12 ) des Kühlzylinders14 zu. Der Kühlzylinder14 bedeckt die äußere Peripherie des Verbrennungszylinders13 . Zwischen dem Kühlzylinder14 und dem Verbrennungszylinder13 ist ein LuftbereichE1 ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Verbrennungszylinder13 und der Kühlzylinder14 eine Doppelrohrstruktur ausbilden. Das Verbrennungsgas, welches in dem Verbrennungszylinder13 verbrannt wurde und den Verbrennungszylinder13 passiert hat, wird mit Luft vermischt, welche dem LuftbereichE1 zugeführt wird, und wird der Luftelektrode3b des Brennstoffzellenstapels3 zugeführt. - Dem Luftbereich
E1 wird über die UmgehungsluftleitungL12 Luft zugeführt. Folglich ist es möglich, eine Verbrennungstemperatur in dem Verbrennungszylinder13 abzukühlen und eine Umgebungstemperatur des Kühlzylinders14 gering zu halten. Mit dem Verbrennungszylinder13 , welcher aus Lochmetall ausgebildet ist, werden Verbrennungsgas und Luft in dem LuftbereichE1 durch mehrere Löcher in dem Verbrennungszylinder13 ohne jeden Einfluss auf den Verbrennungszustand vermischt, wobei das Verbrennungsgas weiter abgekühlt wird. Wenn die Temperatur des Verbrennungsgases auf 300 bis 650 °C geregelt wird und beispielsweise auf 300 °C vermindert wird, kann sie deshalb vermindert werden, ohne ein Luftverhältnis an der Verbrennungseinheit zu erhöhen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die Verbrennungsgastemperatur zu senken, während unter Verwendung eines Brenners eine Verbrennbarkeit stabilisiert wird. Im Ergebnis kann die Verbrennungsgastemperatur in einem großen dynamischen Bereich stabil eingestellt werden. - Es ist zu beachten, dass ein Loch
15 an der UmgehungsluftleitungL12 bereitgestellt ist, so dass Luft mit einem vorgegebenen Strömungsverhältnis an die UmgehungsluftleitungL12 und an die LuftversorgungsleitungL32 verzweigt wird. Das Loch15 ist bereitgestellt, um ein Luftströmungsverhältnis einzustellen, weil sie eine vereinfachte Struktur ermöglicht. Eine Öffnung des Lochs15 wird auf der Grundlage eines Ergebnisses einer vorläufigen Einstellung der Verbrennungsgastemperatur bestimmt. Folglich kann ein variables Strömungsventil an Stelle des Lochs15 bereitgestellt werden. - Wie in
3 und4 illustriert, kann ein Spiraldurchgang LL in dem LuftbereichE1 ausgebildet sein, um eine Kontaktfläche der Luft, welche in den LuftbereichE1 strömt, mit dem Verbrennungszylinder13 auszudehnen und die Kühlwirkung zu verbessern. - Es ist zu beachten, dass, wie in
1 und2 illustriert, eine Steuervorrichtung C eine Oberflächentemperatureingabe von einem OberflächentemperaturdetektorT1 , welcher eine Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels3 detektiert, eine Verbrennungstemperatureingabe von einem VerbrennungstemperaturdetektorT2 , welcher eine Verbrennungstemperatur in dem Verbrennungszylinder13 detektiert, eine Lufttemperatureingabe von einem LufttemperaturdetektorT3 , welcher eine Lufttemperatur des LuftbereichsE1 detektiert, und eine Verbrennungsgastemperatureingabe von einem VerbrennungsgastemperaturdetektorT4 erhält, welcher in dem Ausgang des Kühlzylinders14 angeordnet ist, um eine Verbrennungsgastemperatur zu detektieren. Die Steuervorrichtung C regelt eine Luftmengenzufuhr durch das Luftgebläse31 auf der Grundlage einer Oberflächentemperatur, einer Verbrennungstemperatur, einer Lufttemperatur und einer Verbrennungsgastemperatur. Die Steuervorrichtung C kann eine Brennstoffmengenzufuhr durch das Brennstoffgebläse21 regeln oder sowohl eine Luftmengenzufuhr als auch eine Brennstoffmengenzufuhr regeln. Mit der Regelung einer Luftmengenzufuhr durch das Luftgebläse31 wird die Struktur einfacher. Ferner wird die Luftmengenzufuhr größer und wenn folglich eine Luftmengenzufuhr geregelt wird, kann die Temperatur fein eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass die Steuervorrichtung C eine Lufttemperaturerhöhung durch die Heizung32 auf der Grundlage einer Oberflächentemperatur regelt. Weiterhin regelt die Steuervorrichtung C das Öffnen und Schließen der VentileV1 bisV4 . Die Steuervorrichtung C schließt alle VentileV1 bisV4 , wenn ein Betrieb der Vorrichtung gestoppt wird. Die Steuervorrichtung C schließt die VentileV1 ,V4 und öffnet die VentileV2 ,V3 bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung. Die Steuervorrichtung C öffnet die VentileV1 ,V4 und schließt die VentileV2 ,V3 beim Normalbetrieb. - (Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung)
- Das Folgende beschreibt die Verfahrensweise der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung durch die Steuervorrichtung C unter Bezugnahme auf die in
5 und6 illustrierten Ablaufdiagramme. Zuerst regelt die Steuervorrichtung C alle VentileV1 bisV4 so, dass sie geschlossen sind, wenn der Betrieb der Vorrichtung gestoppt ist. Die Steuervorrichtung C öffnet das VentilV3 bei Inbetriebnahme der Vorrichtung und regelt die Heizung32 , um eine Temperatur der Luft zu erhöhen, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels3 zu erhöhen (SchrittS101 ). - Danach bestimmt die Steuervorrichtung C, ob die Oberflächentemperatur, welche von dem Oberflächentemperaturdetektor
T1 detektiert wird, eine vorgegebene Oberflächentemperatur erreicht hat (SchrittS102 ). Wenn die Oberflächentemperatur nicht die vorgegebene Oberflächentemperatur erreicht hat (Nein bei SchrittS102 ), geht das Verarbeiten zu SchrittS101 , so dass die Heizung32 die Temperatur weiterhin erhöht. - Wenn inzwischen die Oberflächentemperatur die vorgegebene Oberflächentemperatur erreicht hat (Ja bei Schritt
S102 ), regelt die Steuervorrichtung C die Heizung32 so, dass sie den Heizbetrieb stoppt, regelt sie die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 , dass sie eine Temperaturerhöhungsverarbeitung durchführt (SchrittS103 ) und beendet dann die Verarbeitung. - Wie in
6 illustriert, ist bei der Temperaturerhöhungsverarbeitung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 das Ventil zunächst V1 geschlossen und das VentilV2 geöffnet (SchrittS201 ). Dies beginnt eine Brennstoffzufuhr über die BrennstoffversorgungsleitungL11 an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 . Dann zündet die Steuervorrichtung C einen Inbetriebnahmebrenner (SchrittS202 ). Weiterhin bestimmt die Steuervorrichtung C, ob der Inbetriebnahmebrenner gezündet wurde (SchrittS203 ). Ob der Inbetriebnahmebrenner gezündet wurde, kann beispielsweise durch Detektieren einer Verbrennungstemperatur bestimmt werden. Wenn der Inbetriebnahmebrenner nicht gezündet wurde (Nein bei SchrittS203 ), geht das Verarbeiten zu SchrittS202 , um den Inbetriebnahmebrenner erneut zu zünden. - Wenn auf der anderen Seite der Inbetriebnahmebrenner gezündet wurde (Ja bei Schritt
S203 ), regelt die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgastemperatur durch Regeln eines Luftstroms durch das Luftgebläse31 , so dass eine Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner ist als eine verbleibende Luftfeuchtemenge, welche ermittelt wird durch Subtrahieren einer Luftfeuchtemenge der Luft, welche der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 zugeführt werden soll, von einer gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur (SchrittS204 ). Dies erhöht die Temperatur des Brennstoffzellenstapels3 ohne Kondensation. - Danach bestimmt die Steuervorrichtung C, ob die Oberflächentemperatur eine Zieltemperatur, beispielsweise 600 °C, erreicht hat (Schritt
S205 ). Wenn die Oberflächentemperatur die Zieltemperatur nicht erreicht hat (Nein bei SchrittS205 ), geht das Verarbeiten zu SchrittS204 , so dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 eine Temperaturerhöhungs-Regelverarbeitung fortsetzt. - Wenn auf der anderen Seite die Oberflächentemperatur die Zieltemperatur erreicht hat (Ja bei Schritt
S205 ), wird das VentilV1 geöffnet und wird das VentilV2 geschlossen, um der Seite der Anode3a Brennstoff zuzuführen (SchrittS206 ), während das VentilV3 geschlossen wird und das VentilV4 geöffnet wird, um der Kathode3b Luft durch die Luftvorheizung33 zuzuführen. Folglich geht das Verarbeiten in den Normalbetrieb. Dann kehrt das Verarbeiten zu SchrittS103 zurück. - (Erstes konkretes Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung)
- Als Nächstes wird das erste konkrete Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung bei Schritt
S204 unter Bezugnahme auf7 und8 beschrieben. Wie in7 illustriert, ermittelt die Steuervorrichtung C zuerst eine OberflächentemperaturD1 . Es ist zu beachten, dass die OberflächentemperaturD1 eine niedrigste Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels3 ist. Dann berechnet die Steuervorrichtung C eine gesättigte LuftfeuchtemengeD2 entsprechend der ermittelten OberflächentemperaturD1 auf der Grundlage einer Kurve LA, welche die gesättigte Luftfeuchtemenge relativ zu der Oberflächentemperatur angibt. Es ist zu beachten, dass die Kurve LA ein Näherungsausdruck ist und R ein Korrelationskoeffizient ist. - Dann subtrahiert die Steuervorrichtung C eine maximale Feuchtemenge der Außenluftzufuhr
D3 , welche in den Produktspezifikationen vorgegeben ist, von der gesättigten LuftfeuchtemengeD2 des Brennstoffzellenstapels3 , um eine verbleibende LuftfeuchtemengeD4 des Brennstoffzellenstapels3 zu berechnen. Die maximale Feuchtemenge der AußenluftzufuhrD3 ist eine vorgegebene maximale Luftfeuchtemenge und ist beispielsweise eine Feuchtemenge von 56,5 [g/m3] bei 40 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit. - Danach berechnet die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgas-Solltemperatur
D5 auf der Grundlage einer Kurve LB, welche die Beziehung der Verbrennungsgas-Solltemperatur (Zieltemperatur) in Bezug auf die mögliche Feuchtemenge des Verbrennungsgases angibt, wobei eine Erzeugung einer Feuchtemenge der verbleibenden LuftfeuchtemengeD4 im Verbrennungsgas ermöglicht wird. Es ist zu beachten, dass die verbleibende LuftfeuchtemengeD4 und die mögliche Feuchtemenge des Verbrennungsgases den gleichen Wert aufweisen. Weiterhin ist die Kurve LB ein Näherungsausdruck, und R ist ein Korrelationskoeffizient. - Dann führt die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgas-Temperaturregelung durch, bei welcher die Verbrennungsgastemperatur so geregelt wird, dass sie niedriger ist als die Verbrennungsgas-Solltemperatur
D5 , so dass die Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner wird als die verbleibende LuftfeuchtemengeD4 . Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung C eine Temperaturerhöhungsregelung des Brennstoffzellenstapels3 durchführt, während sie eine Luftmengenzufuhr durch Regeln des Luftgebläses31 so einstellt, dass die Verbrennungsgastemperatur niedriger wird als die Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 . - Es ist zu beachten, dass, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur
D5 niedriger ist als 200 °C, die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 schwierig wird. Folglich ist es, wie in8 illustriert, bevorzugt, dass die Heizung32 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 niedriger ist als 200 °C, während es bevorzugt ist, dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 größer oder gleich 200 °C ist. Genauer gesagt führt die Heizung32 die Temperaturerhöhungsregelung mindestens durch, bis die OberflächentemperaturD1 40 °C ist. - In diesem Fall führt die Steuervorrichtung C vorzugsweise die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung
10 durch, wenn die Oberflächentemperatur die OberflächentemperaturD1 (vorgegebene Oberflächentemperatur bei SchrittS102 ) bei der Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 von 200 °C erreicht. - Eine derartige Verbrennungsgas-Temperaturregelung kann Kondensation des Brennstoffzellenstapels
3 vermeiden und folglich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängern. - (Zweites konkretes Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung)
- Als Nächstes wird das zweite konkrete Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung bei Schritt
S204 unter Bezugnahme auf9 und10 beschrieben. Bei dem zweiten konkreten Beispiel werden ein Außenlufttemperaturdetektor und ein Außenluftfeuchtigkeitsdetektor, welche nicht illustriert sind, bereitgestellt, um eine gesättigte LuftfeuchtemengeD33 jedes Mal auf der Grundlage einer detektierten AußenlufttemperaturD31 und AußenluftfeuchtigkeitD32 an Stelle der maximalen Feuchtemenge der AußenluftzufuhrD3 zu berechnen, welche in den Produktspezifikationen vorgegeben ist. - Wie in
9 illustriert, ermittelt die Steuervorrichtung C zuerst die OberflächentemperaturD1 . Es ist zu beachten, dass die OberflächentemperaturD1 eine niedrigste Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels3 ist. Dann berechnet die Steuervorrichtung C die gesättigte LuftfeuchtemengeD2 entsprechend der ermittelten OberflächentemperaturD1 auf der Grundlage der Kurve LA, welche die gesättigte Luftfeuchtemenge relativ zu der Oberflächentemperatur angibt. Es ist zu beachten, dass die Kurve LA ein Näherungsausdruck ist und R ein Korrelationskoeffizient ist. - Dann subtrahiert die Steuervorrichtung C die gesättigte Luftfeuchtemenge
D33 der Luft (Außenluft), welche auf der Grundlage der AußenlufttemperaturD31 und der AußenluftfeuchtigkeitD32 berechnet wurde, von der gesättigten LuftfeuchtemengeD2 des Brennstoffzellenstapels3 , um die verbleibende LuftfeuchtemengeD4 des Brennstoffzellenstapels3 zu berechnen. Die gesättigte LuftfeuchtemengeD33 ist beispielsweise 2,83 [g/m3], wenn die AußenlufttemperaturD31 10 °C ist und die AußenluftfeuchtigkeitD32 30 % relative Luftfeuchtigkeit ist. - Danach berechnet die Steuervorrichtung C die Verbrennungsgas-Solltemperatur
D5 auf der Grundlage der Kurve LB, welche die Beziehung der Verbrennungsgas-Solltemperatur (Zieltemperatur) in Bezug auf die mögliche Feuchtemenge des Verbrennungsgases angibt, wobei eine Erzeugung einer Feuchtemenge der verbleibenden LuftfeuchtemengeD4 im Verbrennungsgas ermöglicht wird. Es ist zu beachten, dass die verbleibende LuftfeuchtemengeD4 und die möglichen Feuchtemenge des Verbrennungsgases den gleichen Wert aufweisen. Weiterhin ist die Kurve LB ein Näherungsausdruck, und R ist ein Korrelationskoeffizient. - Dann führt die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgas-Temperaturregelung durch, bei welcher die Verbrennungsgastemperatur so geregelt wird, dass sie niedriger ist als die Verbrennungsgas-Solltemperatur
D5 , so dass die Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner wird als die verbleibende LuftfeuchtemengeD4 . Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung C eine Temperaturerhöhungsregelung des Brennstoffzellenstapels3 durchführt, während sie eine Luftmengenzufuhr durch Regeln des Luftgebläses31 so einstellt, dass die Verbrennungsgastemperatur niedriger wird als die Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 . - Es ist zu beachten, dass, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur
D5 niedriger ist als 200 °C, die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 schwierig wird. Folglich ist es, wie in10 illustriert, bevorzugt, dass die Heizung32 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 niedriger ist als 200 °C, während es bevorzugt ist, dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 die Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 größer oder gleich 200 °C ist. Genauer gesagt führt die Heizung32 die Temperaturerhöhungsregelung durch, wenn die OberflächentemperaturD1 5 °C ist. - In diesem Fall führt die Steuervorrichtung C vorzugsweise die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung
10 durch, wenn die Oberflächentemperatur die OberflächentemperaturD1 (vorgegebene Oberflächentemperatur bei SchrittS102 ) bei der Verbrennungsgas-SolltemperaturD5 von 200 °C erreicht. - Eine derartige Verbrennungsgas-Temperaturregelung kann Kondensation des Brennstoffzellenstapels
3 vermeiden und folglich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängern. - Bei der oben stehend beschriebenen Ausführungsform wird die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung
10 auf der Luftversorgungsleitung bereitgestellt. Jedoch ist die Ausführungsform nicht darauf begrenzt, und die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung10 kann auf der BrennstoffversorgungsleitungL11 bereitgestellt werden. - Bei der oben stehend beschriebenen Ausführungsform wird die Heizung
32 auf der der LuftversorgungsleitungL34 vorhergehenden Stufe bereitgestellt. Jedoch ist die Ausführungsform nicht darauf begrenzt, und die Heizung kann auf der LuftversorgungsleitungL34 bereitgestellt werden, welche die Luftvorheizung33 passiert, wie beispielsweise eine Heizung52 , welche in11 illustriert ist. Wenn die Heizung52 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, ist hier das VentilV3 geschlossen und das VentilV4 ist offen. Weiterhin kann die Heizung (62 ) auf einer UmgehungsleitungL62 bereitgestellt werden, welche die Luftvorheizung33 umgeht, wie beispielsweise eine Heizung62 , welche in12 illustriert ist. Wenn die Heizung62 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, sind hier die VentileV3 ,V4 geschlossen und ein VentilV62 ist offen. Es ist zu beachten, dass das VentilV62 geschlossen ist, wenn die Heizung62 nicht verwendet wird. Es ist zu beachten, dass Verbrennungsgas anders als die Heizungen32 ,52 die Heizung62 nicht passiert und eine Vorrichtung mit geringem Wärmewiderstand bei der Ausführungsform angewendet werden kann. - Wie oben stehend beschrieben, kann die vorliegende Erfindung eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels für kurze Zeit erhöhen, einen Temperatureinstellbereich des Verbrennungsgases ausdehnen und eine Temperatureinstellung erleichtern.
- Obwohl die Erfindung hinsichtlich spezifischer Ausführungsformen für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, sind die angefügten Ansprüche nicht derartig eingeschränkt, sondern sie sind vorgesehen, alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen zu verkörpern, welche Durchschnittsfachleuten einfallen können und welche ganz in die hier dargelegte grundlegende Lehre fallen.
Claims (11)
- Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (3), welcher eine Brennstoffelektrode (3a), welcher Brennstoff zugeführt wird, und eine Luftelektrode (3b) umfasst, welcher Luft zugeführt wird; eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10), welche konfiguriert ist, den Brennstoff und die Luft zu vermischen, eine Mischung aus dem Brennstoff und der Luft unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen, um Verbrennungsgas zu erhalten, und der Luftelektrode (3b) das Verbrennungsgas zuzuführen, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (3) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) zu erhöhen, wobei die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) Folgendes umfasst: einen Verbrennungszylinder (13), durch welchen das Verbrennungsgas passiert; einen Kühlzylinder (14), welcher konfiguriert ist, eine äußere Peripherie des Verbrennungszylinders (13) abzudecken; und eine Umgehungsluftleitung (L12), welche konfiguriert ist, einen Teil der Luft einem Luftbereich (E1) zuzuführen, welcher zwischen dem Verbrennungszylinder (13) und dem Kühlzylinder (14) ausgebildet ist, um so den Verbrennungszylinder (13) abzukühlen, und die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) konfiguriert ist, das Verbrennungsgas zu mischen, welches in dem Verbrennungszylinder (13) verbrannt wurde und den Verbrennungszylinder (13) passiert hat, mit der Luft, welche dem Luftbereich (E1) zugeführt wird, um gemischtes Verbrennungsgas zu erhalten, und um gemischtes Verbrennungsgas der Luftelektrode (3b) zuzuführen, gekennzeichnet dadurch, dass der Verbrennungszylinder (13) mehrere Löcher zum Mischen des Verbrennungsgases und der Luft in dem Luftbereich (E1) umfasst.
- Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 1 , wobei der Luftbereich (E1) einen Spiraldurchgang (LL) zum Verwirbeln von Luft umfasst, welche aus der Umgehungsluftleitung (L12) um den Verbrennungszylinder (13) herum einströmt. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 1 oder2 , wobei die Umgehungsluftleitung (L12) eine Öffnung (15) umfasst. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 1 oder2 , wobei die Umgehungsluftleitung (L12) ein variables Strömungsventil umfasst. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , wobei die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) auf einer Luftversorgungsleitung (L32, L33) bereitgestellt wird, welche konfiguriert ist, der Luftelektrode (3b) die Luft zuzuführen. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , weiterhin Folgendes umfassend: eine Luftvorheizung (33), welche konfiguriert ist, die Luft vorzuheizen, welche der Luftelektrode (3b) zugeführt werden soll; eine Brennerbrennstoff-Steuervorrichtung (V2), welche konfiguriert ist, der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) nur bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) den Brennstoff zuzuführen; und eine Schalteinheit (V3, V4), welche konfiguriert ist, um: zu ermöglichen, dass das Verbrennungsgas von der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) unmittelbar der Luftelektrode (3b) zugeführt wird; und zu ermöglichen, dass Luft von der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) im Normalbetrieb durch die Luftvorheizung (33) der Luftelektrode (3b) zugeführt wird. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , weiterhin Folgendes umfassend: einen Oberflächentemperaturdetektor (T1), welcher konfiguriert ist, eine Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels (3) zu detektieren; und eine Steuervorrichtung (C), welche konfiguriert ist, eine Strömung des Verbrennungsgases auf der Grundlage der Oberflächentemperatur zu regeln, so dass eine Luftfeuchtemenge in dem Brennstoffzellenstapel (3) nicht gesättigt ist. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 7 , weiterhin umfassend einen Verbrennungsgastemperaturdetektor (T4), welcher konfiguriert ist, eine Temperatur des Verbrennungsgases zu detektieren, wobei die Steuervorrichtung (C) eine Temperatur des Verbrennungsgases durch Regeln einer Strömung der Luft regelt, so dass eine Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner ist als eine verbleibende Luftfeuchtemenge, welche durch Subtrahieren einer vorgegebenen maximalen Luftfeuchtemenge der Luft, welche der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) zugeführt werden soll, von einer gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur ermittelt wird. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 7 , weiterhin umfassend einen Verbrennungsgastemperaturdetektor (T4), welcher konfiguriert ist, eine Temperatur des Verbrennungsgases zu detektieren, wobei die Steuervorrichtung (C) eine Temperatur des Verbrennungsgases durch Regeln einer Strömung der Luft regelt, so dass die Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner ist als die verbleibende Luftfeuchtemenge, welche durch Subtrahieren einer Luftfeuchtemenge in der Luft, welche der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) zugeführt werden soll, von der gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur ermittelt wird. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 8 oder9 , weiterhin umfassend eine Heizung (32), welche auf einer Luftversorgungsleitung (L33, L34) bereitgestellt ist, um der Luftelektrode (3b) die Luft zuzuführen, wobei die Steuervorrichtung (C) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) keine Zuführung des Brennstoffs an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) durchführt, wenn eine Solltemperatur des Verbrennungsgases entsprechend der verbleibenden Luftfeuchtemenge kleiner oder gleich einer vorgegebenen Temperatur ist, und die Heizung (32) regelt, um eine Temperatur der Luft zu erhöhen, welche der Luftelektrode (3b) zugeführt werden soll. - Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach
Anspruch 10 , wobei die Steuervorrichtung (C) die Heizung (32) regelt, einen Heizbetrieb zu stoppen, wenn die Oberflächentemperatur entsprechend der verbleibenden Luftfeuchtemenge einen vorbestimmten Wert erreicht hat, und eine Zufuhr des Brennstoffs an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) startet.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
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Owner name: MITSUBISHI HITACHI POWER SYSTEMS, LTD., YOKOHA, JP Free format text: FORMER OWNER: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, KANAGAWA, JP Owner name: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, JP Free format text: FORMER OWNER: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, KANAGAWA, JP Owner name: MITSUBISHI POWER, LTD., YOKOHAMA-SHI, JP Free format text: FORMER OWNER: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, KANAGAWA, JP |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: BOEHMERT & BOEHMERT ANWALTSPARTNERSCHAFT MBB -, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MITSUBISHI POWER, LTD., YOKOHAMA-SHI, JP Free format text: FORMER OWNERS: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, KANAGAWA, JP; MITSUBISHI HITACHI POWER SYSTEMS, LTD., YOKOHAMA-SHI, KANAGAWA, JP Owner name: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, JP Free format text: FORMER OWNERS: FUJI ELECTRIC CO., LTD., KAWASAKI-SHI, KANAGAWA, JP; MITSUBISHI HITACHI POWER SYSTEMS, LTD., YOKOHAMA-SHI, KANAGAWA, JP |
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R082 | Change of representative |
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R020 | Patent grant now final |