JP2011009196A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固体電解質型燃料電池1であって、燃料電池モジュール2と、改質器20と、燃料供給手段38と、改質用酸化剤ガス供給手段44と、水供給手段28と、発電用酸化剤ガス供給手段45と、発電が開始される前の起動時に改質器内において、部分酸化改質反応のみが発生するPOX、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生するATR、水蒸気改質反応のみが発生するSRの順に改質反応を発生させて、燃料電池セルの温度を上昇させる制御部と、を有し、制御部は、ATRからSRに移行する際の時間に対する燃料供給量の変化率が、起動時において燃料供給量を変更する際の変化率のうちで最も小さくなるように燃料供給手段を制御する。
【選択図】図1
Description
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
図9は、本実施形態の固体電解質型燃料電池の負荷追従運転を説明するタイムチャートである。図10は、制御部110に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図11は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図12は、要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量、発電用空気供給量、水供給量の関係の一例を示すデータテーブルである。
さらに、図10及び11は、燃料供給量に関するものであるが、発電用空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
図13は、固体電解質型燃料電池1の起動処理手順を示す動作テーブルである。
図7の時刻t0において固体電解質型燃料電池1を起動すると、制御部110は、改質用酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット44及び発電用酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送ってこれらを起動させ、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール2に供給する。なお、本実施形態においては、時刻t0において供給が開始される改質用空気の供給量は10L/min、発電用空気の供給量は100L/minに設定されている(図13)。また、改質用空気流量調整ユニット44は、改質用酸化剤ガス供給手段として機能する。
さらに、水供給量は3cc/minから8cc/minに増加され、この間の水供給量の時間に対する平均的な変化率は、0.2cc/min/minである。この際の水供給量の変化率は、燃料及び改質用空気とは逆に、移行の初期において大きく、移行が進むにつれて次第に小さくなるように、即ち、図7のタイムチャートにおける水供給量を示す曲線の傾きはATRからSRへの移行の初期において大きく、移行の終期に向けて絶対値が次第に小さくなるように設定されている。このATRからSRへの移行期間においては、改質用空気の供給が次第に減少され、停止されるので、改質器20内で部分酸化改質反応により改質される燃料の量も減少する。改質器内に供給された燃料のうち、部分酸化改質反応によって改質されずに残存した燃料の全量は、水蒸気改質反応により改質される必要がある。本実施形態においては、ATRからSRへの移行の初期において水供給量を増加させる変化率を大きく設定することにより、部分酸化改質反応により改質されずに残る燃料を全て水蒸気改質反応させるために十分な量の水が常に供給されるように、水流量調整ユニット28が制御される。これにより、改質器20内の水蒸気が不足することにより発生する炭素析出等の不具合の発生を確実に防止している。
これらのATRからSRへの移行における燃料供給量、改質用空気供給量、及び水供給量の時間に対する平均的な変化率は、「POX1」状態から「POX2」状態への移行、「POX2」状態から「ATR1」状態への移行、「ATR1」状態から「ATR2」状態への移行、及び後述する「SR1」状態から「SR2」状態への移行時に変更される各供給量の変化率の中で、絶対値が最も小さくなるように設定されている。さらに、二段目のATRからSRへの移行における燃料供給量、改質用空気供給量、及び水供給量の時間に対する平均的な変化率は、発電開始後の負荷追従運転において変更される各供給量の変化率よりも絶対値が小さくなるように設定されている。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体電解質型燃料電池セル)
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット(改質用酸化剤ガス供給装置、手段)
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用酸化剤ガス供給装置、手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(コントローラ、制御手段)
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
Claims (8)
- 燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
上記固体電解質型燃料電池セルに改質された燃料を供給する改質器と、
この改質器に改質すべき燃料を供給する燃料供給装置と、
上記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給装置と、
上記改質器に水を供給する水供給装置と、
上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給装置と、
上記燃料電池モジュールによる発電が開始される前の起動運転として、上記燃料供給装置、上記改質用酸化剤ガス供給装置、及び上記水供給装置を制御して、上記改質器内において、部分酸化改質反応のみが発生するPOX運転、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生するATR運転、水蒸気改質反応のみが発生するSR運転の順に改質反応が発生されるように、上記各運転において段階的に燃料供給量を減少させながら上記固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度に上昇させて起動するコントローラと、を有し、
上記コントローラは、ATR運転からSR運転に移行する際の時間に対する燃料供給量の変化率が、起動運転において燃料供給量を変更する際の変化率のうちで最も小さくなるように上記燃料供給装置を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 上記コントローラは、起動運転において、改質用酸化剤ガス供給量及び水供給量を段階的に変化させるように構成され、ATR運転からSR運転に移行する際の時間に対する改質用酸化剤ガス供給量の変化率が、起動時において改質用酸化剤ガス供給量を変更する際の変化率のうちで最も小さくなり、且つATR運転からSR運転に移行する際の時間に対する水供給量の変化率が、起動運転において水供給量を変更する際の変化率のうちで最も小さくなるように上記改質用酸化剤ガス供給装置及び上記水供給装置を制御する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記コントローラは、ATR運転における燃料供給量からSR運転における燃料供給量に移行する際の時間に対する燃料供給量の変化率が、移行の終期には、移行の初期よりも大きくなるように上記燃料供給装置を制御することを特徴とする請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記コントローラは、ATR運転における改質用酸化剤ガス供給量からSR運転において改質用酸化剤ガスの供給を停止させた状態に移行する際の時間に対する改質用酸化剤ガス供給量の変化率が、移行の終期には、移行の初期よりも大きくなるように上記改質用酸化剤ガス供給装置を制御することを特徴とする請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記コントローラは、ATR運転における改質用酸化剤ガス供給量からSR運転において改質用酸化剤ガスの供給を停止させた状態に移行する際の時間に対する改質用酸化剤ガス供給量の変化率が、移行の終期には、移行の初期よりも大きくなるように上記改質用酸化剤ガス供給装置を制御することを特徴とする請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記コントローラは、ATR運転における水供給量からSR運転における水供給量に移行する際、部分酸化改質反応により改質されずに残存した燃料の全てを、水蒸気改質反応により改質するために十分な量の水が、常に供給されるように上記水供給装置を制御することを特徴とする請求項5記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記コントローラは、ATR運転における水供給量からSR運転における水供給量に移行する際の時間に対する水供給量の変化率が、移行の初期には、移行の終期よりも大きくなるように上記水供給装置を制御することを特徴とする請求項2記載の固体電解質型燃料電池。
- 燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
上記固体電解質型燃料電池セルに改質された燃料を供給する改質器と、
この改質器に改質すべき燃料を供給する燃料供給手段と、
上記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、
上記改質器に水を供給する水供給手段と、
上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料電池モジュールによる発電が開始される前の起動運転として、上記燃料供給手段、上記改質用酸化剤ガス供給手段、及び上記水供給手段を制御して、上記改質器内において、部分酸化改質反応のみが発生するPOX運転、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生するATR運転、水蒸気改質反応のみが発生するSR運転の順に改質反応が発生されるように、上記各運転において段階的に燃料供給量を減少させながら上記固体電解質型燃料電池セルを発電可能な温度に上昇させて起動する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、ATR運転からSR運転に移行する際の時間に対する燃料供給量の変化率が、起動運転において燃料供給量を変更する際の変化率のうちで最も小さくなるように上記燃料供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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