JP6847736B2 - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents
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Description
このように構成された本発明によれば、燃焼部の温度が300℃以上、400℃以下の温度帯域で消火促進期間が開始されるので、一旦消失した燃料電池セル上端の炎が再着火されることがなく、燃料電池セル間の温度ムラを抑制しながら、確実に炎を消失させることができる。
このように構成された本発明によれば、消火促進期間におけるS/Cが4以上、10以下に設定されるので、燃料電池セル上端の炎の消失を効果的に促進することができると共に、水蒸気過多による水蒸気酸化の発生も抑制することができる。
図1は、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム(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、モジュールケース8の側面には原燃料ガスから硫黄成分を除去するための水添脱硫器36が設けられている。この水添脱硫器36は、モジュールケース8の熱により内蔵された触媒を所定温度に加熱し、原燃料ガスと改質器120から供給された水素ガスとを反応させることにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去する水素化脱硫方式の脱硫器である。
図2は、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図である。
また、排気通路部140Aは、同様に複数の連通孔を有する2つの仕切り板146,147により排気ガスの上流側から下流側にかけて3つの空間に仕切られている。そして、2番目の空間に燃焼触媒(図示せず)が充填されている。すなわち、本実施形態において蒸発器140は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されている。
図4は、本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルを示す図である。図5は、燃料電池セル端部の拡大断面図である。
図4に示すように、燃料電池セル16は、燃料電池セル本体84と、この燃料電池セル本体84の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ86とを備えている。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
図6は、本実施形態による燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
各燃料電池セル16は、下端側が金属製の長方形の下支持板68により支持されている。この下支持板68は、マニホールド66の天井面を構成し、各燃料電池セル16の燃料ガス流路88に燃料ガスを流入させるための貫通穴が形成されている。また、各燃料電池セル16の下端側のキャップ86と下支持板68の間には、概ね円筒形のセラミック製のスペーサ100が配置されており、キャップ86と下支持板68の間を離間させることで絶縁性を確保している。
図7に示すように、固体酸化物型燃料電池システム1は、コントローラである制御部210を備え、この制御部210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212、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214、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216が接続されている。
また、制御部210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216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220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222は、本来排気ガス排出管82(図3)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224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228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。
点火用空気流量センサ230は、改質器120に供給される点火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232は、改質器120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236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238は、改質器120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240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244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246は、排気管171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248は、改質器120の温度を検出するためのものであり、改質器120の入口温度と出口温度から改質器120の温度を算出する。
外気温度センサ250は、固体酸化物型燃料電池システム(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。
図2に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発部140B内に供給される。蒸発部140Bに供給された水は、蒸発器140の下層に設けられた排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発部140B内を下流方向に流れて行き、混合部140C内で混合される。混合部140C内の混合ガスは、下層の排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱される。
図8は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図8の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
また、時刻t1において、少量の水が蒸発器140内に配置されているため、制御部210は、水の供給量を2.06cc/minに低減する。これにより、点火工程中に少量の水が蒸発器140へ向けて供給され始める。
また、時刻t2において、制御部210は、燃料の供給量を3.14L/minに低減し、発電用空気の供給量を約70L/minに増加する。なお、水の供給量は2.06cc/minに維持され、起動工程中において少なくとも点火直後から燃焼工程の間は最低値に維持される。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
なお、図8に示すタイムチャートでは、時刻t3における改質器温度は約250℃である。この改質器温度は、改質器温度センサ248(図7)により検出されている温度であり、改質器120の平均的な温度である。実際には、時刻t3において、改質器120は部分的には水蒸気改質反応を発生する温度に達している。
図9は、停止工程における燃料電池セルスタック14の温度、及び燃料等の各供給量の一例を示すタイムチャートである。なお、図9上段の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。また、図9の下段は、燃料電池セルスタック14に供給されている水蒸気量と原燃料ガス中の炭素量のモル比であるS/Cを縦軸としたタイムチャートである。図10は、停止工程中における各燃料電池セル16の上端における燃焼炎の状態を模式的に示す図である。
本変形例によれば、消火予測回路(図示せず)が燃焼炎が消失し始める時点を予測するので、制御部210は消火促進期間を正確に設定することができ、温度ムラの発生を確実に抑制することができる。
本変形例によれば、消火予測回路(図示せず)は、過去に実行された停止工程に基づいて、消火促進期間の開始時点を決定するので、より正確に残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点を予測することができ、消火促進期間を正確に設定することができる。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d,8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セル
18 燃焼室(燃焼部)
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
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
45 発電用空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給装置)
48 ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
63 燃料供給配管
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
83 点火装置(着火用ヒーター)
84 燃料電池セル本体
86 キャップ
86a 第1円筒部
86b 円環部
86c 第2円筒部
88 燃料ガス流路
90 内側電極層(燃料極層)
92 外側電極層(酸化剤ガス極層)
94 電解質層(固体電解質層)
95 銀ペースト
96 ガラスシール
98 燃料ガス流路
100 スペーサ
102 集電部材
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器(改質部)
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
121 上側ケース
122 下側ケース
123a、123b仕切り板
140 蒸発器
140A 排気通路部
140B 蒸発部
140C 混合部
141 蒸発器ケース
142 上側ケース
143 下側ケース
144 中間板
145 仕切り板
146,147 仕切り板
149 加熱ヒーター
160 空気通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a,161b 空気通路
162,163 プレートフィン
171 排気管
210 制御部(コントローラ)
212 操作装置
214 表示装置
216 報知装置
220 可燃ガス検出センサ
222 CO検出センサ
224 貯湯状態検出センサ
226 電力状態検出センサ
228 発電用空気流量検出センサ
230 点火用空気流量センサ
232 燃料流量センサ
234 水流量センサ
236 水位センサ
238 圧力センサ
240 排気温度センサ
242 発電室温度センサ
244 燃焼室温度センサ
246 排気ガス室温度センサ
248 改質器温度センサ
250 外気温度センサ
Claims (7)
- 炭化水素を含有する原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素ガス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形燃料電池システムであって、
固体電解質層、この固体電解質層の内側に設けられたニッケルを含有する燃料極層、及び上記固体電解質層の外側に設けられた酸化剤ガス極層を備えた燃料電池セルと、
モジュールケースと、
原燃料ガスを水蒸気改質により改質して、水素ガスを豊富に含む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスを上記燃料電池セルの燃料極側に供給する改質部と、
この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
供給された水を蒸発させて水蒸気改質用の水蒸気を生成し、生成された水蒸気を上記改質部に供給する蒸発部と、
この蒸発部に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
上記モジュールケース内に設けられ、上記燃料電池セルの燃料極側を通り、発電に使用されずに残った残余燃料ガスを上記燃料電池セルの上端で燃焼させる燃焼部と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、及び上記酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、上記燃料電池セルからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、
上記コントローラは、上記燃料電池セルからの電力の取り出しを停止して発電工程を終了した後、上記燃料供給装置による原燃料ガスの供給、及び上記水供給装置による水の供給を継続しながら上記燃料電池セルの温度を低下させる停止工程を実行するように構成され、
上記コントローラは、さらに、上記各燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎の消失が促されるように、上記停止工程中の、所定の消火促進期間において、上記改質部に供給される水蒸気量と炭素量のモル比であるS/Cが、上記発電工程中におけるS/Cよりも高くなるように上記燃料供給装置及び上記水供給装置を制御するように構成され、
上記消火促進期間は、一部の上記燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点から、全ての上記燃料電池セルの上端における燃焼炎が消失するまでの期間を含む期間であり、
上記消火促進期間は、上記燃焼部の温度が、上記燃料電池セルの上端において再着火が発生しない温度以下に低下した後から開始され、上記コントローラは、上記消火促進期間の開始時にS/Cが高くなるように上記燃料供給装置及び上記水供給装置を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 - 上記消火促進期間は、上記燃焼部の温度が、300℃以上、400℃以下の温度まで低下したとき開始される請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 上記コントローラは、上記消火促進期間におけるS/Cが4以上、10以下となるように上記燃料供給装置及び上記水供給装置を制御する請求項2記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- さらに、上記各燃料電池セルの下端に接続されたマニホールドを有し、上記改質部において改質された燃料ガスは、上記マニホールドを介して上記各燃料電池セルに分配される請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 上記コントローラは、上記燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点を予測する消火予測回路を備え、上記コントローラは、上記消火予測回路による予測に基づいて上記消火促進期間を開始させる請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 上記消火予測回路は、過去に実行された停止工程において、上記燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始めた時点に基づいて、上記消火促進期間の開始時点を決定する請求項5記載の固体酸化物形燃料電池システム。
- 上記蒸発部は、上記燃焼部において燃焼された残余燃料ガスの燃焼熱に基づいて加熱されるように構成され、上記蒸発部は、さらに、残余燃料ガスの燃焼熱とは別に、上記蒸発部を加熱する加熱ヒーターを備えている請求項2記載の固体酸化物形燃料電池システム。
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