JP6048662B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents
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Description
従来の技術においては、シャットダウン停止と同時に酸化剤ガスの供給も停止されていた。これは、電力取り出し停止直後の、燃料電池セルスタック温度が酸化温度よりも高い状態で、燃料を停止させ、酸化剤ガスのみを供給すると、燃料電池セルユニットの燃料極側に酸化剤ガスが逆流し、燃料極を損傷する虞があると考えられていたためである。しかしながら、シャットダウン停止直後においては、燃料供給が停止された状態であっても、燃料極側の圧力は依然として高く、酸化剤ガスのみを供給しても酸化剤ガスの逆流は殆ど発生しないことが、本件発明者により見出された。上記のように構成された本発明においては、シャットダウン停止された後にも酸化剤ガスを供給することにより、各燃料電池セルユニットの酸化剤ガス極側が冷却されるので、燃料極側の温度が低く、酸化剤ガス極側の温度が高くなる温度勾配が補正され、温度差に基づく圧力差による酸化剤ガスの逆流が抑制される。さらに、酸化剤ガスを供給することにより、シャットダウン停止後に燃料極側から流出した燃料を燃料電池モジュールの外部へ速やかに排出することができ、流出した燃料が燃料電池モジュール内に充満し、酸化剤ガス極に触れるのを防止することができる。これにより、燃料による酸化剤ガス極の還元を抑制し、酸化剤ガス極の損傷を防止することができる。
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。また、制御部110には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。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は改質器20の斜視図であり、図9は、天板を取り除いて改質器20の内部を示した斜視図である。図10は、改質器20内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
なお、本実施形態においては、燃焼ガス、及び発電及び燃焼に利用されずに残った発電用空気は、燃料電池モジュール2の上端部から下方に下り、燃料電池モジュール2の底部から流出されているが、異なる排気経路を有する固体酸化物型燃料電池に本発明を適用することもできる。例えば、燃焼ガス及び残った発電用空気が上方から排出されるように、燃料電池モジュールを構成することもでき、このように排気経路が簡略化された燃料電池モジュールは、後述するように、排気抵抗が小さいという点で有利である。
図12は、本実施形態におけるシャットダウン停止制御のフローチャートである。図13及び図14は、本実施形態の固体酸化物型燃料電池1の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。なお、図13はシャットダウン停止後の短い期間の挙動を拡大して示した図であり、横軸の1目盛りは5秒に相当する。図14はシャットダウン停止後の挙動を、図17と同程度のスケールで示した図であり、横軸の1目盛りは1時間に相当する。また、図13及び図14における各供給量、電流、電圧のグラフは、単に変化傾向を示すものであり、具体的な値を表したものではない。
まず、図13に示すように、停止前処理の終了直前(図13の時刻t103〜t104)において、水供給量が増加されている。この増加された水供給量は、同時に供給されている燃料を水蒸気改質するために必要な量を大幅に上回っている。なお、本実施形態においては、この間の燃料供給量は0.8L/minであり、水供給量は2.5cc/minである。このため、図13の時刻t103〜t104において、水供給手段である水流量調整ユニット28から改質器20の蒸発部20aに供給された水の一部は、燃料の供給が完全に停止された時刻t104の後まで残存し、蒸発部20a内で蒸発される。このように、蒸発部20a内には、燃料供給が停止された後にも水が確保されている。水は蒸発されて水蒸気となることにより、体積が3000倍以上に膨張するので、蒸発部20a内で水が蒸発されることにより、改質器20、及びこれに連通しているマニホールド66、及び各燃料電池セルユニット16内部の圧力が上昇する。これにより、各燃料電池セルユニット16内への空気の逆流を抑制することができる。
さらに、蒸発部20a内で水が蒸発されることにより、蒸発部20a及びその周囲の熱が消費されるので、燃料電池モジュール2内の温度が低下される。
上述したように、本実施形態においては、図13の時刻t104において燃料の供給が完全に停止された後、時刻t105までの間である補正用酸化剤ガス供給時間、大量の発電用空気が温度勾配補正用の空気として供給されている。これは、時刻t105までの間は、上述した理由から燃料供給が完全に停止されていても、各燃料電池セルユニット16の燃料極側への空気の逆流が抑制されるためである。従って、時刻t105以降にも大量の発電用空気を供給すると、燃料極側に空気が逆流して、燃料電池セルユニット16を損傷する危険がある。しかしながら、図13及び図14に示すように、本実施形態においては、時刻t105以降も温度勾配補正用の空気供給量よりも少ない微少流量の発電用空気の供給が継続される。
上述した実施形態においては、温度勾配補正用の空気は、最大の空気供給量一定に維持されているが、変形例として、温度勾配補正用空気の供給量を変化させることもできる。特に、図15に示すように、燃料供給及び電力取り出しを停止させた直後の温度勾配補正用の空気供給量が、停止後所定時間経過した後の空気供給量よりも多くなるように、本発明を構成することもできる。図15に示す例では、時刻t301において燃料供給及び電力取り出しが停止された後、約5分間空気供給量が一定に維持された後、時刻t302において空気供給量は段階的に低下され、低下された空気供給量が時刻t303まで約20分間維持されている。
また、本変形例の固体酸化物型燃料電池によれば、停止直後の燃料極側の圧力が高く、多くの燃料が噴出する期間には多量の空気を供給することにより、噴出した燃料を空気極側に触れさせることなく、燃料電池モジュール2の外部に排出することができる。また、停止から所定時間経過し、噴出する燃料が少なくなった状態では、空気供給量を減少させ、燃料極側への空気の逆流を確実に防止することができる。
また、上述した実施形態においては、温度勾配補正用の空気は、最大の空気供給量に設定されているが、温度勾配補正用空気の供給量を燃料電池モジュール内の検出温度に基づいて変更することができる。この場合において、好ましくは、燃料電池モジュール内の検出温度が高い場合には、検出温度が低い場合よりも空気供給量が多くなるように本発明を構成する。また、燃料電池モジュール内の検出温度として、発電室温度センサ142によって検出された発電室10内の温度、改質器温度センサ148によって検出された改質器20の温度等、任意の温度を使用することができる。また、温度センサによって検出された温度を直接、検出温度として使用するばかりでなく、温度センサによって検出された温度の移動平均値や、積算値等を用いて温度勾配補正用空気の供給量を変更することもできる。
図14に示した本発明の実施形態においては、時刻t201の後、少量の空気の供給、及び水の供給が継続されている(図14の時刻t201〜t202)。これに対して、図16に示す第2変形例においては、シャットダウン停止が実行された時刻t501において、発電用の空気、及び改質用の水の供給が、一旦、完全に停止されている。時刻t501においては、各燃料電池セルユニット16の燃料極側の温度は依然として高い状態にあるため、水の供給を停止しても直ちに空気が燃料極側に逆流することはない。また、時刻t501において水の供給が停止された後にも或る期間は改質器20の蒸発部20a内等に水が残留しており、この水が蒸発されることにより、各燃料電池セルユニット16の燃料極側及びその上流側の圧力低下が補償される。
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
20a 蒸発部(蒸発室)
20b 改質部
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(排熱回収用の熱交換器)
52 制御ボックス
54 インバータ
60 純水導入管
62 被改質ガス導入管
66 マニホールド(分散室)
76 空気導入管
76a 吹出口
83 点火装置
84 燃料電池セル
85 排気バルブ
110 制御部(制御手段)
110a シャットダウン停止手段
110b 排気抵抗低減手段
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)
148 改質器温度センサ
150 外気温度センサ
Claims (4)
- 燃料を水蒸気改質して生成した水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに水蒸気改質用の水を供給する水供給手段と、
上記燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に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内に配置され、上記燃料供給手段から供給された燃料を、上記水供給手段から供給された水を使用して水蒸気改質する改質器と、
この改質器により改質された燃料を、上記燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットの燃料極側に分散させて供給する分散室と、
上記燃料供給手段、上記水供給手段、上記発電用酸化剤ガス供給手段、及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料供給手段による燃料供給及び上記燃料電池モジュールからの電力取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行するシャットダウン停止手段を備え、
このシャットダウン停止手段は、上記燃料電池モジュールからの電力取り出しを完全に停止させると共に燃料供給も停止させ、燃料供給を停止させた後においても上記水供給手段を作動させ、蒸発した水蒸気の圧力により上記各燃料電池セルユニットの燃料極側の圧力低下を抑制すると同時に、上記シャットダウン停止手段は、上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、上記燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給することを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 - 上記シャットダウン停止手段は、シャットダウン停止時に上記水供給手段を停止させ、その後所定時間経過し、上記各燃料電池セルユニットの燃料極側の圧力が低下して、上記酸化剤ガス極側の圧力に近付いたとき、上記水供給手段を再び作動させ、上記燃料極側の圧力低下を抑制すると同時に、上記発電用酸化剤ガス供給手段を起動させ、上記燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記シャットダウン停止手段は、シャットダウン停止直後に、上記発電用酸化剤ガス供給手段を所定時間作動させる請求項2記載の固体酸化物型燃料電池。
- シャットダウン停止直後に供給される酸化剤ガスの供給量は、その後、上記発電用酸化剤ガス供給手段が上記水供給手段と共に起動されたときの酸化剤ガスの供給量よりも多い請求項3記載の固体酸化物型燃料電池。
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