JP2012142217A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、固体酸化物型燃料電池装置(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、水蒸気供給手段(28)と、発電用酸化剤ガス供給手段(45)と、改質器内でPOX、ATR、SR1、SR2の順序で改質反応を生じさせる起動工程を実行した後、発電工程を開始するように構成された制御手段(110)と、を有し、制御手段は、起動工程中のSR2において、燃料供給量を一定に維持すると共に、固体電解質型燃料電池セル(16)が発電開始温度に到達している場合でも所定の発電移行時間以上SR2を実行し、発電工程における所定の制御パラメータの初期値を、SR2期間中における制御パラメータの推移に基づいて計算することを特徴としている。
【選択図】図10
Description
このように構成された本発明によれば、SR2の実行中に微弱電力を発電させるので、起動工程中における運転状態を発電工程に近似させることができ、より円滑に発電工程に移行することができる。
このように構成された本発明によれば、燃料供給量が一定に維持されているSR2期間中に制御パラメータの移動平均を計算するので、制御パラメータに混入しているノイズや、外乱の影響を効果的に除去し、信頼性の高い初期値を得ることができる。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(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酸化物型燃料電池(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、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制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、固体酸化物型燃料電池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、固体酸化物型燃料電池(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。
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、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9に示すように、起動工程では、制御部110が各運転制御状態(燃焼運転工程、POX1工程、POX2工程、ATR1工程、ATR2工程、SR1工程、SR2工程)を時間的に順に実行し、発電工程へ移行するように構成されている。
図11は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1における出力電流と燃料供給量の関係を示すグラフである。図12は、固体酸化物型燃料電池1における出力電流と、供給された燃料により発生する熱量の関係を示すグラフである。
図13は、断熱材7に蓄積された熱量を推定するために使用される蓄熱量推定テーブルである。図14は、蓄熱量推定テーブルをグラフ化したものである。
即ち、検出温度Tdが630℃以上、632℃未満の場合、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には加算値は0(加減算を行わない)にされ、低下傾向にある場合には1/50000が減算される。このように、検出温度Tdが変更基準温度Tcrよりも低く、それらの差が微少偏差温度である5℃以下である場合においては、検出温度Tdが低下傾向にあるときは、上昇傾向にあるときよりも急激に積算値Niを減少させる。ここで、断熱材7等は熱容量が非常に大きく、検出温度Tdが一旦低下傾向に入ると、しばらくの間温度が低下し続けることが予想される。従って、このような状況においては、速やかに積算値Niを減少させて、燃料電池モジュール2に著しい温度低下が発生するリスクを回避する必要がある。
なお、上述した実施形態においては、発電室温度センサ142の検出温度Tdに基づいて加減算値が決定されていたが、改質器温度センサ148の検出温度に基づいて加減算値を決定し、蓄熱量を推定することもできる。この場合には、改質器温度センサ148が温度検出手段として機能する。
蓄熱量推定手段110aは、上記のようにして決定された加減算値の積算を、SR2工程開始時(図10の時刻t29)から開始し、少なくとも所定の発電移行時間に亘って積算を行った後、発電工程に移行される。また、制御部110は、過昇温判断手段110bが起動工程中に過昇温があったことを判定し、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されている場合には、過昇温がない場合よりも燃料供給量を減少させた高効率運転で発電工程を開始する。本実施形態において、過昇温判断手段110bは、起動工程中に、改質器温度がSR2強制移行温度を超えることによりSR2工程へ強制的に移行した場合、又は改質器温度が発電強制移行温度を超えることにより発電工程に強制的に移行した場合、過昇温があったと判定する。また、蓄熱量推定手段110aによって計算された積算値Niが0でない場合、断熱材7に利用可能な熱量が蓄積されていると判断される。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
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(固体酸化物型燃料電池セル)
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(水蒸気供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
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(制御手段)
110a 蓄熱量推定手段
110b 過昇温判断手段
110c 燃料テーブル変更手段
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(需要電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
Claims (5)
- 燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させることにより電力を生成する固体酸化物型燃料電池装置であって、
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、
上記燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、上記部分酸化改質及び燃料と水蒸気を化学反応させる水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるATR、及び、上記水蒸気改質のみを発生させる改質反応であるSR1、及び、SR1よりも少量の燃料を水蒸気改質する改質反応であるSR2を発生させることによって水素を生成する改質器と、
この改質器に燃料を供給することにより、上記改質器で改質された燃料を上記固体電解質型燃料電池セルに送り込む燃料供給手段と、
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、
上記改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
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、
上記燃料供給手段、上記改質用酸化剤ガス供給手段、上記水蒸気供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、予め決定された温度帯域において、上記改質器内で上記POX、上記ATR、上記SR1、上記SR2の順序で改質反応を生じさせて上記燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで上記固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動工程を実行する一方で、上記起動工程を終了した後、上記燃料電池モジュールから電力を取出す発電工程を開始するように構成された制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記起動工程中の上記SR2において、燃料供給量を一定に維持すると共に、上記固体電解質型燃料電池セルが上記発電開始温度に到達している場合でも所定の発電移行時間以上SR2を実行し、上記発電工程における所定の制御パラメータの初期値を、上記SR2期間中における上記制御パラメータの推移に基づいて計算することを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。 - 上記制御手段は、上記改質器の温度が所定のSR2移行改質器温度を超え、且つ、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が所定のSR2移行セル温度を超えると、上記SR1から上記SR2に移行するように構成される一方、上記改質器の温度が所定のSR2強制移行温度を超えた場合には、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が上記SR2移行セル温度に到達する前に上記SR2に移行させる請求項1記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 上記制御手段は、上記起動工程中の、上記SR2を生じさせている間に、上記燃料電池モジュールに所定の微弱電力を発電させる請求項2記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- 上記制御手段は、上記制御パラメータの初期値を、上記SR2期間中における上記制御パラメータの移動平均により計算する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池装置。
- さらに、上記燃料電池モジュールで発生した熱を蓄積する蓄熱材を有し、上記制御手段は、上記SR2期間中における上記燃料電池モジュールの温度を積算することにより、上記制御パラメータの初期値として上記蓄熱材の蓄熱量を推定する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池装置。
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