WO2010114041A1 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas.
- Solid Oxide Fuel Cell uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes on both sides, supplies fuel gas on one side, and supplies the other This is a fuel cell that operates at a relatively high temperature by supplying an oxidizing agent (air, oxygen, etc.) to the side.
- SOFC Solid Oxide Fuel Cell
- the start processing is not executed from the first start processing routine, but the start processing is executed under the same condition as the control processing at the time when the restart request is made. It has been proposed to move to the point of execution.
- the thermal efficiency is increased by placing the fuel cell stack in a storage container that stores the fuel cell stack, and excess gas is burned in the storage container.
- Proposals have been made that can be heated with combustion gas at a higher temperature than before, and can obtain the amount of heat necessary for steam reforming even during low-load operation.
- a heating operation is performed in which the fuel reformer is heated by the combustion heat of the combustion gas.
- the fuel reformer When the temperature of the fuel reformer rises to a temperature within the temperature range above the partial oxidation reaction start temperature and below the steam reformable temperature, the fuel reformer is cooled by the reaction heat of the partial oxidation reaction and the combustion heat of the combustion gas.
- a partial oxidation reforming reaction (hereinafter referred to as “POX”) is performed by heating. Furthermore, when the temperature of the fuel reformer rises to a temperature range above the steam reformable temperature and below the steady temperature, the reaction heat of the partial oxidation reaction, the combustion heat by the combustion gas, and the heat absorption of the steam reforming reaction are controlled to control the fuel.
- ATR autothermal reforming reaction
- SR steam reforming reaction
- An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell (SOFC) capable of achieving stable temperature recovery and shortening of startup time by executing startup.
- SOFC solid oxide fuel cell
- the present invention is a solid oxide fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, and is disposed in a solid oxide fuel cell module.
- a reforming state temperature detector for detecting a reforming state temperature for changing, and a control device for controlling the operation of the fuel cell module, wherein the control device activates the operation of the
- a start control device for controlling, and a stop control device for controlling the stop of the operation of the fuel cell module ignites and burns fuel gas, and then the reformer temperature detector.
- the reformed state temperature detected by the engine is lower than the POX start temperature at which the POX starts, a combustion operation for raising the temperature of the reformer by the combustion heat of the fuel gas is performed, and the reformed state temperature is
- the temperature is within the POX temperature range that is equal to or higher than the POX start temperature and lower than the temperature at which the steam reforming is possible, the POX at normal startup is executed to raise the temperature of the reformer, and the reforming is performed.
- ATR at normal startup is performed to raise the temperature of the reformer, and the reforming is performed.
- the state temperature is equal to or higher than the predetermined steady temperature
- the normal start-up SR is executed in order to raise the temperature of the reformer, and the start-up control device further includes the fuel cell module from a high-temperature state.
- the stop process by the stop control device is executed along with the stop of the operation and the operation is restarted within the ATR temperature zone, the reforming state temperature is at least in a high temperature region within the ATR temperature zone.
- the restart control is executed by SR while skipping the ATR at the normal startup.
- the system when the operation of the fuel cell module is stopped by the stop control device and the operation is restarted within the ATR temperature band,
- the system is configured to perform restart by executing SR using the remaining heat remaining in the fuel cell and the reformer while skipping SR.
- the start-up time can be greatly shortened by devised to execute the restart control that actively uses the residual heat remaining in the fuel cell or reformer.
- the start-up time can be greatly shortened by devised to execute the restart control that actively uses the residual heat remaining in the fuel cell or reformer.
- the restart control that actively uses the residual heat remaining in the fuel cell or reformer.
- the restart control performs restart by ATR when the reforming state temperature is lower than a predetermined temperature in the ATR temperature band at the normal startup, and is within the ATR temperature band. If the temperature is equal to or higher than the predetermined temperature, restart by SR is executed.
- the ATR since the temperature is relatively low below a predetermined temperature within the ATR temperature band, the ATR is executed, so that only a large amount of water is supplied and the endothermic reaction is performed under conditions where the outside air is low.
- the SR is performed, a sudden temperature drop may occur, but this can be reliably prevented and a stable temperature recovery can be achieved in an optimum state.
- the restart control executes restart by SR instead of ATR at the time of normal start at least in a high temperature region within the ATR temperature band, and SR performed by the restart control is normally It is configured to be different from the SR at the time of startup.
- an SR different from the SR at the normal start-up that actively uses the residual heat remaining in the fuel cell module such as the fuel cell or the reformer at the time of restart is executed. As a result, it is possible to suppress the temperature drop of the reformer or the like due to a large amount of water supply, and it is possible to perform temperature recovery more appropriately.
- the SR performed by the restart control is configured to increase the amount of fuel gas supplied compared to the SR at the normal start.
- the SR is relatively low by executing the SR with the combustion temperature kept high. Even if the SR is an endothermic reaction only in the temperature range, the temperature drop of the reformer or the like can be suppressed and a rapid temperature recovery can be achieved.
- the SR performed by the restart control is configured to reduce the amount of water supplied compared to the SR at the normal start.
- the SR performed by the restart control is configured to reduce the amount of water supplied compared to the SR at the normal start.
- the temperature of the reformer is rapidly decreased and the endothermic reaction is rapidly performed. Therefore, it is possible to suppress a sudden drop in a bad spiral state due to a further temperature decrease due to the above, and it is possible to quickly and stably raise the temperature.
- the SR performed by the restart control is changed to the SR at the time of normal startup when the reforming state temperature rises by a predetermined temperature or more.
- the SR performed in the restart control is changed to the SR at the normal startup when the expected temperature increase of the reforming state temperature is achieved, and the active SR is executed. Therefore, it is possible to achieve a stable temperature increase while suppressing a sudden drop in the reformer temperature.
- the restart control performs restart by SR while maintaining a predetermined amount without changing a predetermined supply amount of fuel gas and supply amount of water.
- the SR operation is performed by performing the restart by the SR that maintains a constant amount without changing the predetermined amount of fuel gas and the supply amount of water. Even in an unstable temperature range where the temperature is low, the temperature recovery of the reformer or the like can be performed quickly and stably by preventing the factor that changes the reforming state.
- the apparatus further includes a water supply device that generates pure water and supplies the purified water to the reformer.
- the water supply device includes a water pipe for introducing water into the reformer, and the water supply device. And a heat retaining device for retaining the temperature of the pipe.
- the temperature of the water supplied from the water pipe of the water supply device to the reformer is maintained high at the time of restart by keeping the water pipe warm by the heat holding device of the water supply device. Therefore, it is possible to suppress the temperature drop of the reformer and the cell accompanying the supply of water in the SR at the time of restart.
- an exhaust gas chamber is formed that supports a lower portion of a cell assembly including a plurality of fuel cells and exhausts exhaust gas generated by combustion of fuel gas and oxidant gas.
- the heat retaining device is configured to suppress the temperature drop of the water supplied to the reformer by arranging the water pipe so as to pass through the exhaust gas chamber.
- the temperature of the water supplied to the reformer from the water pipe of the water supply device at the time of restart is determined using the heat of the exhaust gas in the exhaust gas chamber of the cell assembly support device. Since it can be kept high, it is possible to suppress the temperature drop of the reformer and the cell due to the water supply in the SR at the time of restart, and the restart by SR can be reliably performed even in a relatively low temperature range. It becomes possible.
- the present invention further includes a housing member that accommodates the cell assembly, and an exhaust gas passage that communicates with the exhaust gas chamber is disposed on a pair of opposed side surfaces that form the housing member. On the side surface, the passage of the water pipe is arranged.
- the water pipe since the water pipe is separated from the exhaust gas passage with respect to the housing, heat exchange from the housing can be made only with water on the other side, so that the water pipe of the water supply device can be restarted
- the temperature of the water supplied to the reformer can be kept high. Therefore, it is possible to suppress the temperature drop of the reformer or the like accompanying the supply of water in the SR at the time of restart.
- the present invention also relates to a solid oxide fuel cell that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, the solid electrolyte fuel cell being disposed in a solid electrolyte fuel cell module.
- a cell and reforming means for reforming and supplying fuel gas to the fuel cell, and partially oxidizing and reforming the fuel gas by chemically reacting the fuel gas and the oxidant gas in accordance with a predetermined temperature range POX, which is a reforming reaction, and SR, which is a reforming reaction that reforms the fuel gas by chemically reacting the fuel gas with steam, and the fuel gas by using the POX and SR together.
- the reforming means In order to change the reforming means by the reforming means for reforming the fuel gas into hydrogen by any reforming reaction of ATR which is a reforming reaction for autothermal reforming, and the reforming means A reforming state temperature detecting means for detecting the reforming state temperature; and a control means for controlling the operation of the fuel cell module, wherein the control means controls the start of the operation of the fuel cell module. And a stop control means for controlling the stop of the operation of the fuel cell module.
- the start control means ignites and burns the fuel gas, and then detects the reformed state temperature detecting means.
- the reformed state temperature is lower than the POX start temperature at which the POX starts, a combustion operation is performed to raise the temperature of the reforming means by the combustion heat of the fuel gas, and the reformed state temperature is the POX start temperature.
- the temperature is within the POX temperature range below the temperature at which the steam reforming is possible, the POX at normal startup is executed to raise the temperature of the reforming means, and the reforming state temperature is increased.
- the ATR at the normal start-up is executed to raise the temperature of the reforming means, and the reformed state
- the normal start-up SR is executed in order to raise the temperature of the reforming means, and the start-up control means further includes the fuel cell module from a high temperature state.
- the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present invention at the time of restart at the time of stoppage from a high temperature state, instead of skipping the ATR at the time of normal start, by executing restart by SR, by executing restart by SR, By executing the operation that actively uses the residual heat at the time of restart, the start-up time at the time of restart can be greatly shortened.
- FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- 1 is a front sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2.
- 1 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- 1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- 1 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- the fuel flow rate, the reforming air flow rate, the power generation air flow rate, the water flow rate, and the reforming in each operation state of the normal startup and restarting operations of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention is a data table which shows the transition temperature conditions of a mass device and a stack. It is a flowchart which shows the 1st example of the restart control flow for performing restart in the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention.
- FIG. 10 is a time chart showing the operation when the restart is executed based on the first example of the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is the figure compared with the time chart which shows.
- FIG. 12 is a time chart showing the operation when the restart is executed based on the second example of the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention. It is the figure compared with the time chart which shows.
- FIG. 5 is a front cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to another embodiment of the present invention. It is sectional drawing along the XV-XV line
- FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.
- the fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material (not shown, but the heat insulating material is not an essential component and may not be necessary). Is formed. In addition, you may make it not provide a heat insulating material.
- a fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8.
- the fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes.
- the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.
- a combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2.
- this combustion chamber 18 the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas.
- a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas.
- an air heat exchanger 22 for receiving combustion heat and heating air is disposed above the reformer 20.
- the auxiliary unit 4 stores a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as tap water and uses the filter to obtain pure water, and a water flow rate that adjusts the flow rate of the water supplied from the water storage tank.
- An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided.
- the auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas.
- a fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided.
- the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjusting unit. 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second for heating the power generating air supplied to the power generation chamber And a heater 48.
- the first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.
- a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2.
- the hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
- the fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like. Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.
- FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention
- FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
- the fuel cell assembly 12, the reformer 20, and the air heat exchange are sequentially performed from below.
- a vessel 22 is arranged.
- the reformer 20 is provided with a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water and a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof.
- a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water
- a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof.
- an evaporation unit 20a and a reforming unit 20b are formed in order from the upstream side, and the reforming unit 20b is filled with a reforming catalyst.
- the fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20.
- the reforming catalyst a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.
- a fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally.
- a plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b.
- a lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.
- the air heat exchanger 22 includes an air aggregation chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side.
- the air aggregation chamber 70 and the air distribution chamber 72 include six air flow path tubes 74. Connected by.
- three air flow path pipes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is in each set. It flows into each air distribution chamber 72 from the air flow path pipe 74.
- the air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
- An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72, the air introduction pipe 76 extends downward, and the lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10, and the air that has been preheated in the power generation chamber 10. Is introduced.
- an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. Further, as shown in FIG. 3, an exhaust gas passage 80 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 6 a and the rear surface 6 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end side of the exhaust gas passage 80 is formed. Is in communication with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side is in communication with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG. As shown in FIG. 2, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.
- FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
- the fuel cell 84 is a tubular structure that extends in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side.
- An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92.
- the inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a ( ⁇ ) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.
- the upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92.
- the inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected.
- a fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.
- the inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements.
- the mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.
- the electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.
- the outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.
- FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are a ceramic lower support plate 68 and an upper side, respectively. It is supported by the support plate 100.
- the lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 68a and 100a through which the inner electrode terminal 86 can pass.
- the current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an entire outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. And an air electrode connecting portion 102b electrically connected to each other.
- the air electrode connecting portion 102b is formed of a vertical portion 102c extending in the vertical direction on the surface of the outer electrode layer 92 and a plurality of horizontal portions 102d extending in a horizontal direction along the surface of the outer electrode layer 92 from the vertical portion 102c. Has been.
- the fuel electrode connecting portion 102a is linearly directed obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connecting portion 102b toward the inner electrode terminal 86 positioned in the vertical direction of the fuel cell unit 16. It extends.
- the inner electrode terminals 86 at the upper end and the lower end of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14 are external terminals, respectively. 104 is connected. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 (not shown) of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, the 160 fuel cell units 16 Everything is connected in series.
- FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user.
- a device 112 a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing an alarm (warning) in an abnormal state are connected.
- the notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.
- the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4.
- the CO detection sensor 122 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do.
- the hot water storage state detection sensor 124 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).
- the power state detection sensor 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown).
- the power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10.
- the reforming air flow sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
- the fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.
- the water flow rate sensor 134 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20.
- the water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26.
- the pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
- the exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.
- the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated.
- the combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
- the exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
- the reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
- the outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.
- SOFC solid oxide fuel cell
- Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units. Further, the control unit 110 sends a control signal to the inverter 54 to control the power supply amount.
- FIG. 7 is a time chart showing the operation at the time of startup of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to one embodiment of the present invention.
- reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjustment unit 44 to the reformer 20 of the fuel cell module 2 via the first heater 46.
- the power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the air heat exchanger 22 of the fuel cell module 2 via the second heater 48, and this power generation air is supplied to the power generation chamber 10 and the combustion chamber.
- the fuel gas is also supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38, and the fuel gas mixed with the reforming air passes through the reformer 20, the fuel cell stack 14, and the fuel cell unit 16, and It reaches the combustion chamber 18.
- the ignition device 83 is ignited to burn the fuel gas and air (reforming air and power generation air) in the combustion chamber 18.
- Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, and the power generation chamber 10 is warmed by the exhaust gas, and when the exhaust gas rises in the sealed space 8 of the fuel cell module 2, The fuel gas containing the reforming air is warmed, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is also warmed.
- the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the reformer 20 by the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44.
- the heated fuel gas is supplied to the lower side of the fuel cell stack 14 through the fuel gas supply pipe 64, whereby the fuel cell stack 14 is heated from below, and the combustion chamber 18 also has the fuel gas and air.
- the fuel cell stack 14 is also heated from above, and as a result, the fuel cell stack 14 can be heated substantially uniformly in the vertical direction. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction between the fuel gas and air continues in the combustion chamber 18.
- the reformer temperature sensor 148 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate adjustment unit 28 and the fuel flow rate adjustment unit 38 are detected.
- the reforming air flow rate adjusting unit 44 supplies a gas in which fuel gas, reforming air, and water vapor are mixed in advance to the reformer 20.
- an autothermal reforming reaction ATR in which the partial oxidation reforming reaction POX described above and a steam reforming reaction SR described later are used proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 20 in a thermally independent state.
- the reformer temperature sensor 146 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) after the start of the autothermal reforming reaction ATR shown in Formula (2), the reforming air flow rate The supply of reforming air by the adjustment unit 44 is stopped, and the supply of water vapor by the water flow rate adjustment unit 28 is increased. As a result, the reformer 20 is supplied with a gas that does not contain air and contains only fuel gas and water vapor, and the steam reforming reaction SR of formula (3) proceeds in the reformer 20.
- a predetermined temperature for example, 700 ° C.
- this steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the combustion chamber 18. At this stage, since the fuel cell module 2 is in the final stage of start-up, the power generation chamber 10 is heated to a sufficiently high temperature. Therefore, even if the endothermic reaction proceeds, the power generation chamber 10 is greatly reduced in temperature. There is nothing. Even if the steam reforming reaction SR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18.
- the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed in sequence, so that the inside of the power generation chamber 10 The temperature gradually increases.
- the circuit including the fuel cell module 2 is closed, and the fuel cell Power generation by the module 2 is started, so that a current flows in the circuit. Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell 84 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 84 also rises.
- the rated rated temperature at which the fuel cell module 2 is operated becomes, for example, 600 ° C. to 800 ° C.
- FIG. 8 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
- the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28 are operated to supply fuel gas and water vapor to the reformer 20. Reduce the amount.
- the amount of fuel gas and water vapor supplied to the reformer 20 is reduced, and at the same time, the fuel cell module for generating air by the reforming air flow rate adjusting unit 44
- the supply amount into 2 is increased, the fuel cell assembly 12 and the reformer 20 are cooled by air, and these temperatures are lowered.
- the temperature of the power generation chamber decreases to a predetermined temperature, for example, 400 ° C.
- the supply of fuel gas and steam to the reformer 20 is stopped, and the steam reforming reaction SR of the reformer 20 is ended.
- This supply of power generation air continues until the temperature of the reformer 20 decreases to a predetermined temperature, for example, 200 ° C., and when this temperature is reached, the power generation air from the power generation air flow rate adjustment unit 45 is supplied. Stop supplying.
- the steam reforming reaction SR by the reformer 20 and the cooling by the power generation air are used in combination.
- the operation of the fuel cell module can be stopped.
- 9A and 9B show the fuel flow rate, the reforming air flow rate, the power generation in the respective operation states of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment during normal startup and restart operation. It is a data table which shows the transition temperature conditions of the air flow rate for water, water flow rate, and a reformer and a stack
- the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is the same as the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG.
- a control mode hereinafter referred to as “normal start mode 1” that executes the same operation as the normal start operation of the driving (hereinafter referred to as “normal start mode 1”), which is different from the normal start mode 1
- a modification “normal start mode 2” (see FIG. 9B) that performs normal start of operation based on the start mode is disclosed.
- the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment starts operation (so-called “restart” in a state where the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. 8 is stopped. ))
- start mode 1 the restart control mode
- restart mode 2 the restart control mode consisting of two embodiments.
- Each of “restart mode 1” and “restart mode 2” is executed based on the first and second examples (details will be described later) of the corresponding restart control flow. .
- the details of the normal startup mode and the restart mode in FIGS. 9A and 9B will be described later.
- FIG. 10 is a flowchart showing a first example of restart control flow (restart control flow 1) for restarting a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- S indicates each step. First, in S1, it is determined whether or not the fuel cell module 2 is in a stop operation. If the fuel cell module 2 is in a stop operation, the process proceeds to S2 and it is determined whether or not a restart is requested.
- the process proceeds to S3, where the reforming which is part of the reforming state temperature detecting means for detecting the reforming state temperature for changing the reforming state by the reformer 20 is performed.
- the process proceeds to S4, and the reformed state temperature for changing the reformed state by the reformer 20 is detected.
- the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 (that is, the fuel cell 84 itself) or the stack temperature Ts that is the temperature in the power generation chamber 10 is measured by the power generation chamber temperature sensor 142 that is a part of the reforming state temperature detecting means. To do.
- it progresses to S5 and it is determined whether the reformer temperature Tr is 600 degreeC or more.
- the process proceeds to S6, and it is determined whether or not the reformer temperature Tr is less than 200 ° C.
- S6 when it is determined that the reformer temperature Tr is not less than 200 ° C., that is, the reformer temperature Tr is not less than 200 ° C. and less than 600 ° C., the process proceeds to S7, and the data table shown in FIG. The “normal start ATR” by the “restart mode 1” is executed.
- the process proceeds to S8, and it is determined whether or not the reformer temperature Tr is 650 ° C. or higher.
- S8 when it is determined that the reformer temperature Tr is not 650 ° C. or higher, that is, the reformer temperature Tr is 600 ° C. or higher and lower than 650 ° C., the process proceeds to S9, and the data table shown in FIG. The “restart SR” is executed by the “restart mode 1”.
- the process proceeds to S10 and it is determined whether or not the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 600 ° C. or higher. To do. If it is determined in S10 that the stack temperature Ts is 600 ° C. or higher, the process proceeds to S11, and “normal start SR” is executed by “restart mode 1” in the data table shown in FIG. 9A. On the other hand, if it is determined in S10 that the stack temperature Ts is not 600 ° C. or higher, that is, the reformer temperature Tr is 600 ° C. or higher, the stack temperature Ts is lower than 600 ° C. Then, “restart SR” by “restart mode 1” in the data table shown in FIG. 9A is executed.
- S1 it is determined whether or not the fuel cell module 2 is in a stop operation. If the fuel cell module 2 is not in a stop operation, the process proceeds to S12 to determine whether or not there is a restart request based on misfire during startup. . If it is determined in S12 that the restart is based on misfire during startup, and if it is determined in S6 that the reformer temperature Tr is less than 200 ° C., the value of the temperature sensor is apparently high. However, since not all the fuel cell modules have been in a high temperature state for a long time, there is no situation in which the heat is uniformly stored, so there is no situation in which the restart control based on the residual heat can be executed. Reactivation is executed based on “normal activation mode 1” in the data table shown in FIG.
- FIG. 11 is a time chart showing the operation when the restart is executed based on the first example of the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. It is the figure compared with the time chart which shows operation
- the time chart in the upper part of FIG. 11 is a time chart showing the normal startup operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) when “normal startup mode 1” in the data table shown in FIG. 9A is executed.
- 11 is a time chart showing the restart operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) when “restart mode 1” in the data table shown in FIG. 9A is executed. It is a chart.
- restart flow 1 the description of the restart operation based on the first example (restart flow 1) of the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment below is shown in FIG. Reference is made only to the data table relating to “normal start mode 1” and “restart mode 1”, and the operation at the time of restart by the “restart mode 1” of the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present embodiment shown in FIG. Will be described in comparison with the operation at the time of normal activation in “normal activation mode 1”.
- the column “state” of “normal start mode 1” shown in FIG. 9A represents each operation state at the time of normal start from the upper stage toward the lower stage, and each operation state is as follows. They are distinguished by being abbreviated as “at the time of ignition”, “combustion operation”, “normal start POX”, “normal start ATR”, and “normal start SR”. Incidentally, with respect to time t, which is the horizontal axis of the time chart of “normal start mode 1” in FIG.
- the time of “ignition” is set to t1, and “normal start POX”, “normal start ATR”, and “ The times when shifting to the “normal startup SR” are t2, t3, and t4, respectively, the temperature of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 at the time t is Tr (t), and at the time t.
- the stack temperature measured by the power generation chamber temperature sensor 142 be Ts (t).
- Tr (t 4) 650 ° C.
- W3 In the temperature band in the temperature band from 250 ° C. to less than 600 ° C. (250 ° C.
- the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is a predetermined steady temperature Tr ( t4), and the activation is controlled in a control band (hereinafter, “normal activation mode SR control band B4”) in which SR is executed when the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 600 ° C. or higher. ing.
- the column “fuel flow rate” shown in FIGS. 9A and 9B indicates the fuel gas supplied to the reformer 20 from the fuel flow rate adjustment unit 38 which is the fuel gas supply means of the auxiliary unit 4.
- the flow rate [L / min] is shown.
- the column “reforming air flow rate” shown in FIGS. 9A and 9B shows a reforming air flow rate adjusting unit which is an oxidant gas supply means of the auxiliary unit 4 in each operation state. 44 shows the flow rate [L / min] of the oxidizing gas (reforming air) supplied to the reformer 20 from the first heater 46 as the oxidizing gas heating means.
- the column of “power generation air flow rate” shown in FIG. 9A and FIG. 9B indicates that power is generated from the power generation air flow rate adjustment unit 45 of the auxiliary unit 4 via the second heater 48 in each operation state.
- the flow rate [L / min] of the power generation air supplied to the chamber 10 is shown.
- the column “water flow rate” shown in FIGS. 9A and 9B is a water supply means that generates pure water of the auxiliary unit 4 and supplies it to the reformer 20 in each operation state.
- the flow rate [cc / min] of pure water supplied from a certain water flow rate adjustment unit 28 to the reformer 20 is shown.
- “reformer temperature” of “transition temperature condition” in the “normal start POX” status column of “normal start mode 1” is indicated as “600 ° C. or higher”, and “stack temperature” is “250”.
- the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is 600 ° C. or more, and this is the stack measured by the power generation chamber temperature sensor 142. When the temperature Ts becomes 250 ° C. or higher, it means that the operation state of “normal start POX” is shifted to the operation state of “normal start ATR”.
- the “state” column of “restart mode 1” shown in FIG. 9A represents each operation state at the time of restart in time series from the upper stage to the lower stage.
- time t which is the horizontal axis of the time chart of “restart mode 1” in FIG. 11
- the time of “ignition” is set to t11
- the times when shifting to the “normal startup SR” are t13, t14a, and t14b, respectively.
- the operation state “at the time of ignition” of “restart mode 1” shown in FIG. 9A is the reformer temperature sensor 148 when the restart is requested during the stop operation of the fuel cell module 2.
- Is a predetermined temperature Tr that is lower than the POX start temperature Tr (t2) ( 300 ° C.) of the normal startup mode POX control band B2 of the “normal startup mode 1” described above.
- the operation state of “normal start ATR” executed in the restart mode ATR control band B13 of “restart mode 1” is “normal start” executed in the normal start mode ATR control band B3 of “normal start mode 1”. Only the temperature ranges of the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts are different from the operation state of “ATR”, and “fuel flow rate”, “reforming air flow rate”, “power generation air flow rate”, and “water flow rate”. Are the same.
- band W13 is a normal startup POX temperature band W2 (300 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 600 ° C., Ts ⁇ ) in which“ normal startup POX ”is executed in the normal startup mode POX control zone B2 of“ normal startup mode 1 ”. 250 ° C.) and the temperature zone of the reformer temperature Tr partially overlap (200 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 600 ° C., Ts ⁇ 500 ° C.).
- the normal startup ATR temperature band W3 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.) in which “normal startup ATR” is executed in the startup mode ATR control band B3 is the stack temperature Ts. Only partially overlap.
- the operation state “restart SR” in “restart mode 1” shown in S9 of FIG. 9A and FIG. 10 executes an SR different from “normal start SR” in “normal start mode 1”.
- the restart is controlled by the control band to be used (hereinafter referred to as “restart mode SR control band B14a”). More specifically, the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts in which “restart SR” is executed in the restart mode SR control band B14a of “restart mode 1” (hereinafter referred to as “restart SR temperature”).
- Band W14a ”) is a normal startup ATR temperature band W3 (600 ° C.
- ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C.) in which“ normal startup ATR ”is executed in the normal startup mode ATR control band B3 of“ normal startup mode 1 ”.
- ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.
- the temperature band partially overlaps (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 500 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.).
- restart ATR temperature band W14a (600 ° C. ⁇ Tr (t) in which “restart SR” of “restart mode 1” is executed. ) ⁇ 650 ° C., 500 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C. ”
- Normal startup ATR temperature band W3 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C.) in which“ normal startup SR ”of“ normal startup mode 1 ”is executed
- “ ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.” there is a portion that partially overlaps, “normal activation ATR” in “normal activation mode 1” is not executed.
- the “fuel flow rate” in the operation state of “restart SR” in “restart mode 1” is 3.5 [L / min], and “normal start mode 1”. Is less than the “fuel flow rate” (4.0 [L / min]) in the “normal start-up ATR” operation state, and the “fuel flow rate” in the “normal start-up SR” operation state in the “normal start-up mode 1” (3 0.0 [L / min]).
- the “water flow rate” in the operation state of “restart SR” in “restart mode 1” is 6.0 [cc / min], and “normal start mode 1”. More than the “water flow rate” (3.0 [cc / min]) in the “normal start-up ATR” operating state, the “water flow rate” (8 in the “normal start-up SR” operating state in the “normal start-up mode 1” (8 0.0 [cc / min]).
- the operation state of “normal start SR” in “restart mode 1” shown in S11 of FIG. 9A and FIG. 10 is the temperature range of the reformer temperature Tr and stack temperature Ts (hereinafter “normal start SR”).
- Temperature zone W14b ”) is the same as the normal startup SR temperature zone W4 (650 ° C. ⁇ Tr (t), 600 ° C. ⁇ Ts) of“ normal startup mode 1 ”, and“ normal startup mode 1 ”of“ normal startup mode 1 ”
- the restart is controlled in a control band (hereinafter referred to as “restart mode ATR control band B14b”) that executes the same SR as “SR”.
- the normal start ATR temperature band W3 (600) in which the reformer temperature Tr and stack temperature Ts are “normal start mode 1” due to the stop of the operation of the fuel cell module 2.
- the temperature falls within the normal start ATR temperature zone W3 and falls from the high temperature side corresponding to the temperature range corresponding to ° C ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C., the fuel cell stack 14 and the reforming
- the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts are set to the normal startup ATR temperature band W3 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C. ⁇ Ts Even within ⁇ 600 ° C.), the execution of “normal activation ATR” in the normal activation mode ATR control band B3 by “normal activation mode 1” is skipped.
- the restart SR temperature band W14a of “restart mode 1” (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 500 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.)
- the “fuel flow rate” is smaller than the “normal start ATR” in the “normal start mode 1” and larger than the “normal start SR” in the “normal start mode 1”
- the “water flow rate” is The “restart SR” in “restart mode 1” is executed more than “normal start ATR” in “normal start mode 1” and less than “normal start SR” in “normal start mode 1”.
- restart mode control bands of “restart mode 1” when restart is performed based on misfire at start-up, the reformer temperature Tr and stack temperature Ts are “restart mode”. Even if the restart ATR temperature zone W14a rises from the low temperature side and is within the restart ATR temperature zone W14a or W14b, the remaining heat remaining in the fuel cell stack 14 and the reformer 20 is used. Since it is unlikely to be possible, “restart SR” and “normal start SR” in the restart mode control band of “restart mode 1” are prohibited, and “combustion operation” after ignition of “normal start mode 1” (See S12 and S13 in FIG. 10).
- the time t14a when shifting from “normal start ATR” in “restart mode 1” to “restart SR” is from “normal start ATR” in “normal start mode 1” to “ The time is less than the time t4 when shifting to the “normal activation SR”, and the activation time due to the restart is shorter than the activation time due to the normal activation.
- the normal startup in which the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts are “normal startup mode 1”.
- Restart SR temperature band W14a 600 ° C ⁇ restart SR
- ATR temperature band W3 600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.
- the “restart mode 1” restart ATR temperature band W14a has the “fuel flow rate” of “normal start mode 1” “normal start” Less than “ATR” and more than “normal start SR” in “normal start mode 1”, and "water flow” is higher than “normal start ATR” in "normal start mode 1” and "normal start mode 1” It is possible to execute “restart SR” in “restart mode 1” which is less than “normal start SR” in “”.
- the oxidation of the fuel cell 84 is reduced.
- the burden on the fuel battery cell 84 due to the abnormally high temperature can be reduced, and the durability of the fuel battery cell 84 can be improved.
- the “normal startup mode 1” “normal startup ATR” is executed in a temperature range corresponding to the “normal startup mode 1” normal startup ATR temperature band W3. The required startup time can be greatly reduced.
- restart ATR when restart is performed based on misfire at the time of start-up, “restart ATR” and “normal start SR” in the restart mode control band of “restart mode 1” can be prohibited. Therefore, damage to the fuel cell unit 16 can be suppressed.
- the reformer temperature is changed from “at the time of ignition” in “restart mode 1” at the time of restart.
- the optimum temperature without lowering the temperature of the fuel cell unit 16 is obtained. The temperature can be recovered stably in the state.
- band W13 200 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 600 ° C., Ts ⁇ 500 ° C.
- “restart mode 1” “normal start ATR” is executed
- “restart mode 1” restart mode SR control band B14a In order to execute “restart SR” of “restart mode 1” in the restart SR temperature zone W14a (650 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 500 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.) A stable temperature recovery can be achieved in an optimal state without incurring a rapid temperature drop of the fuel cell stack 14 by executing SR, which is only the supply and endothermic reaction.
- the remaining heat remaining in the fuel cell stack 14 and the reformer 20 at the time of restart instead of skipping at least a part of “normal activation ATR” of the normal activation mode ATR control band B3 of “normal activation mode 1”, “normal activation SR” of “normal activation mode 1” "Restart SR 1" by "Restart Mode 1" different from “” can be performed, so that it is possible to suppress the temperature drop of the reformer 20 due to a large amount of water supply, and temperature recovery can be performed more appropriately. it can.
- FIG. 12 is a flowchart showing a second example of restart control flow (restart control flow 2) for restarting a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
- S indicates each step. First, in S101, it is determined whether or not the fuel cell module 2 is in a stop operation. If the fuel cell module 2 is in a stop operation, the process proceeds to S102 and it is determined whether or not a restart is requested.
- the process proceeds to S103, the temperature Tr of the reformer 20 is measured by the reformer temperature sensor 148, and then the process proceeds to S104.
- a stack temperature Ts that is a temperature in the vicinity of the stack 14 (that is, the fuel cell 84 itself) is measured.
- it progresses to S105 and it is determined whether the reformer temperature Tr is 400 degreeC or more.
- the process proceeds to S106, and it is determined whether or not the reformer temperature Tr is lower than 200 ° C. If it is determined in S106 that the reformer temperature Tr is not less than 200 ° C., that is, the reformer temperature Tr is not less than 200 ° C. and less than 400 ° C., the process proceeds to S107, and the data table shown in FIG. The "normal start ATR1" is executed by the "restart mode 2".
- the process proceeds to S110, and it is determined whether or not the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 600 ° C. or higher. To do. If it is determined in S110 that the stack temperature Ts is 600 ° C. or higher, the process proceeds to S111, and “normal startup SR” is executed by “restart mode 2” in the data table shown in FIG. 9B.
- the process proceeds to S112. Then, it is determined whether or not the stack temperature Ts is raised by 50 ° C. within the range of 500 ° C. or more and less than 600 ° C.
- S101 it is determined whether or not the fuel cell module 2 is in a stop operation. If the fuel cell module 2 is not in a stop operation, the process proceeds to S114 to determine whether or not there is a request for restart based on misfire at the time of start. To do. If a restart request based on misfire is later determined in S114, and if it is determined in S106 that the reformer temperature Tr is less than 200 ° C., the process proceeds to S115, and is shown in FIG. 9B. Reactivation is executed according to “normal activation mode 2” in the normal activation data table.
- FIG. 13 is a time chart showing the operation when the restart is executed based on the third example of the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. It is the figure compared with the time chart which shows operation
- the time chart in the upper part of FIG. 13 is a time chart showing the normal startup operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) when “normal startup mode 2” in the data table shown in FIG. 9B is executed.
- the time chart at the bottom of FIG. 13 is a time showing the restart operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) when “restart mode 2” in the data table shown in FIG. 9B is executed. It is a chart.
- restart flow 2 the description of the restart operation based on the second example (restart flow 2) of the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment below is shown in FIG. Reference is made only to the data table relating to “normal start mode 2” and “restart mode 2”, and the operation at the time of restart by the “restart mode 2” of the solid oxide fuel cell (SOFC) of this embodiment shown in FIG. Will be described in comparison with the operation at the time of normal startup in “normal startup mode 2”.
- the normal startup control in the “normal startup mode 2” is performed from “at the time of ignition” to “combustion operation”, “normal startup POX”, “normal startup ATR1”, “normal startup ATR2”. ”And“ normal startup SR ”are sequentially executed.
- the time t which is the horizontal axis of the time chart of “normal start mode 2” in FIG. 13
- the time of “ignition” is set to t101
- the times when shifting to “ATR1”, “normally activated ATR2”, and “normally activated SR” are t102, t103, t104, and t105, respectively.
- normal start mode POX control band B102 a control band in which the reformer 20 is heated by the heat of reaction by POX and the combustion heat of the fuel gas to execute POX
- the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 250 ° C. or higher and lower than 400 ° C. (250 ° C. ⁇ Ts ⁇ 400 ° C.) (hereinafter “normal start-up ATR1 temperature band W103”). )
- the control band hereinafter referred to as “normal start mode ATR1 control band B103” in which the reformer 20 is heated by controlling the reaction heat by POX, the combustion heat of the fuel gas, and the heat absorption by SR, and ATR is executed. Controls startup.
- the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is in the temperature range from 400 ° C. to less than 600 ° C. (400 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.).
- a control band (hereinafter referred to as “normal start mode ATR2 control band”) that controls the gas combustion heat and the heat absorption by SR to heat the reformer 20 and execute ATR different from “normal start mode ATR1” in “normal start mode 2”. B104 ”) is controlling the activation.
- the transition temperature conditions of the stack temperature Ts are different from each other as described above, and the normal start ATR1 temperature band W103 is normal.
- the “fuel flow rate” and “reforming air flow rate” of “normal startup ATR1” are “fuel flow rate” and “reforming for normal startup ATR2”.
- a characteristic difference is that the “water flow rate” of “normally activated ATR1” is set to be smaller than the “water flow rate” of “normally activated ATR2”, while it is set to be larger than “air flow rate”. is there.
- the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is a predetermined steady-state temperature Tr (t105).
- activation is controlled in a control band (hereinafter, “normal activation mode SR control band B105”) in which SR is performed when the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 600 ° C. or higher.
- the operation state of “at the time of ignition” in “restart mode 2” shown in FIG. 9B is detected by the reformer temperature sensor 148 when restart is requested during the stop operation of the fuel cell module 2.
- the normal activation based on the “normal activation mode 2” is executed from the “combustion operation” after the ignition in the “normal activation mode 2” (FIG. 12). (See S106 and S115).
- the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts in which the “normal start ATR1” is executed in the restart mode ATR control band B203 of the “restart mode 2” (200 ° C. ⁇ Tr ⁇ 400 C, Ts ⁇ 400 ° C.
- normal start ATR temperature band W203 is a normal start POX temperature band W2 in which “normal start POX” is executed in the normal start mode POX control band B102 of “normal start mode 1” Although the temperature band partially overlaps with (300 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 600 ° C., Ts ⁇ 250 ° C.), “normal start ATR1” in the normal start mode ATR control band B103 of “normal start mode 2”.
- the normal start-up ATR temperature band W103 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.) where only the stack temperature Ts is partially overlapped is executed. It is.
- the operation state “normal start ATR2” of “restart mode 2” shown in S109 of FIG. 9B and FIG. 12 is “normal start ATR2” and “restart mode 2” of “normal start mode 2”.
- Is controlled in a control band (hereinafter referred to as “restart mode ATR control band B204”) that executes an ATR different from “normal start ATR1”.
- the temperature range of the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts in which the “normal start ATR2” is executed in the restart mode ATR control band B204 of the “restart mode 2” 400 ° C. ⁇ Tr (t ) ⁇ 600 ° C., 400 ° C. ⁇ Ts ⁇ 500 ° C.
- normal start ATR temperature band W204 “normal start ATR2” is executed in the normal start mode ATR2 control band B104 of “normal start mode 2”. Only the normal startup ATR2 temperature band W104 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 400 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.) and the stack temperature Ts are partially overlapped.
- restart mode SR control band B 205a the temperature range of the reformer temperature Tr and the stack temperature Ts at which “restart SR” is executed in the restart mode SR control band B 205a of “restart mode 2” (600 ° C. ⁇ Tr (t ) ⁇ 650 ° C., 500 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.
- restart SR temperature band W205a “normal start ATR2” is executed in the normal start mode ATR2 control band B104 of “normal start mode 2”. This is a temperature band that partially overlaps the normal startup ATR temperature band W104 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 400 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.).
- restart ATR temperature band W205a (600 ° C. ⁇ Tr (t) in which “restart SR” of “restart mode 2” is executed. ) ⁇ 650 ° C., 500 ° C. ⁇ Ts ⁇ 600 ° C. ”
- Normal startup ATR2 temperature band W104 (600 ° C. ⁇ Tr (t) ⁇ 650 ° C., 250 ° C.) in which“ normal startup ATR2 ”of“ normal startup mode 2 ”is executed Although “ ⁇ Ts ⁇ 600 ° C.”, the “normal activation mode 2” “normal activation ATR2” is not executed.
- restart mode SR control band B205a of the “restart mode 2” when the stack temperature Ts is raised by 50 ° C. within the range of 500 ° C. or more and less than 600 ° C., The process is shifted to execution of “startup SR” (see S112 and S111 in FIG. 12).
- the “fuel flow rate” in the operation state of “restart SR” in “restart mode 2” is 3.5 [L / min], and “normal start mode 2”. Less than the “fuel flow rate” (4.0 [L / min]) in the “normal start ATR2” operating state, and the “fuel flow rate” in the “normal start SR” operating state in the “normal start mode 2” (3 0.0 [L / min]).
- the “water flow rate” in the operation state of “restart SR” in “restart mode 2” is 6.0 [cc / min], and “normal start mode 2”. More than the “water flow rate” (3.0 [cc / min]) in the “normal start ATR2” operating state, the “water flow rate” in the “normal start SR” operating state in the “normal start mode 2” (8 0.0 [cc / min]).
- the operation state of “normal start SR” in “restart mode 2” shown in S111 of FIG. 9B and FIG. 12 is a temperature band of the reformer temperature Tr and stack temperature Ts (hereinafter “normal start SR”).
- Temperature zone W205b ”) is the same as the normal startup SR temperature zone W105 (650 ° C. ⁇ Tr (t), 600 ° C. ⁇ Ts) of“ normal startup mode 2 ”, and“ normal startup mode 2 ”
- the restart is controlled by a control band for executing the same SR as the “SR” (hereinafter referred to as “restart mode SR control band B 205 b”).
- the “restart SR” after the temperature increase in the “restart mode 2” is changed to “normal”.
- “normal start SR” of “normal start mode 2” predetermined in the normal start mode SR control band B205 in which “normal start SR” of “normal start mode 2” is executed. Since “normal start-up SR” is executed while maintaining “fuel flow rate” and “water flow rate” at constant amounts, the reforming state changes even during an unstable temperature range where the temperature is low in SR operation. As a result, the transition from “restart SR” to “normal start SR” after the temperature increase in “restart mode 2” is stabilized, and the reformer 20 and the fuel cell stack 14 are Rapid and stable temperature recovery Ukoto can.
- FIG. 14 is a front sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to another embodiment of the present invention
- FIG. 15 is a sectional view taken along line XV-XV in FIG.
- FIG. 16 is a perspective view of a manifold portion of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to another embodiment of the present invention as viewed obliquely from above.
- FIGS. 14 to 16 the same parts as those of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
- the cell assembly support unit 204 for supporting the lower portion of the fuel cell assembly 12 disposed below the reformer 20 is provided. It has been.
- the cell assembly support unit 204 includes a support member 204a and a partition plate 204b.
- the support member 204a is fixed to the base member 206, which is the base of the fuel cell module 200, and both end portions in the longitudinal direction of the partition plate 204b (the left end portion and the right end portion of the partition plate 204b in FIG. 14) are used as the base member 206. It is supported at a predetermined interval from above.
- the cell assembly support unit 204 forms an exhaust gas chamber 204 c between the base member 206 and the cell assembly support unit 204.
- an exhaust gas passage 208 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 202 a and the rear surface 202 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 202, and the lower end side of the exhaust gas passage 208 Is in communication with the exhaust gas chamber 204c.
- An exhaust gas discharge pipe 210 is connected to the lower surface of the exhaust gas chamber 204c, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 210 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG.
- a pure water introduction pipe 212 for introducing pure water into the reformer 20, and introduction of a reformed gas for introducing reformed fuel gas and reforming air.
- a pipe 214, an air introduction pipe 216 for introducing the preheated air into the power generation chamber 10, and a mixing chamber 218 to which the downstream ends of the pure water introduction pipe 212 and the reformed gas introduction pipe 214 are connected are arranged. ing.
- the pure water introduction pipe 212 and the reformed gas introduction pipe 214 extend upward from the lower side of the base member 206 of the fuel cell module 200 to the exhaust gas chamber 204c, and then horizontally in the exhaust gas chamber 204c. It extends in the direction and is connected to the mixing chamber 218, and uses the heat of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 204c by passing the pure water introduction pipe 212 and the reformed gas introduction pipe 214 into the exhaust gas chamber 204c.
- the steam (pure water) and the reforming air before being supplied to the reformer 20 are kept warm, and the temperature drop can be suppressed.
- a pipe 220 is connected between the mixing chamber 218 and the upstream end side of the reformer 20 so as to extend in the vertical direction, and fuel gas in which water vapor (pure water) is mixed in the mixing chamber 218.
- the air is sent into the reformer 20 through the pipe 220 and is reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20.
- the piping 220 is disposed adjacent to a side surface 202c (the left side surface of the housing 202 in FIG. 14) different from the pair of the front surface 202a and the rear surface 202b facing the housing 202 forming the exhaust gas passage 208. Since the water vapor (pure water) in 220 is kept warm, it is possible to suppress the temperature drop of the water vapor (pure water) and the reforming air before being supplied to the reformer 20.
- a fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward, and further, a manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally within.
- a plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b.
- the temperature of water vapor (pure water) supplied to the reformer 20 from the pure water introduction pipe 212 via the pipe 220 at the time of restart can be maintained high using the heat of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 204c. The decrease can be suppressed.
- the pipe 220 is separated from the exhaust gas passage 208 with respect to the housing 202, heat exchange from the housing 202 can be made only with water on the other side surface 202c. Therefore, the temperature of the water supplied from the pipe 220 to the reformer 20 at the time of restart can be maintained high.
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Abstract
本発明は、燃料電池モジュール2内に配置された燃料電池セル84と、改質器20と、この改質器内で改質可能な改質状態温度を検出する改質器温度センサ148及び発電室温度センサ142と、燃料電池モジュールの運転を制御する制御部110を有し、この制御部は、高温状態から燃料電池モジュールの運転の停止が実行されている状態で改質状態温度が通常起動時のATR温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、通常起動時のATRをスキップしてSRによって再起動制御を実行する。
Description
本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型燃料電池に関する。
固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
このSOFCにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、SOFC外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、SOFC及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
従来のSOFCにおいては、運転中に燃料ガスの供給系統のマイコンメータが異常を検知したり、地震等に伴う異常が発生した際、或いは補機類のメンテナンスなどを行う際には、運転を一時的に停止させる必要がある。そして、これらの異常などの一時的な要因が解消した後、或いは、メンテナンスが終了した後には、安定した発電に向けて、できるだけ短い時間での迅速な運転の再起動が要求される。
そこで、燃料電池システムにおける運転の再起動の迅速化を図るために、従来のSOFCにおいては、例えば、特許文献1に記載されているように、燃料電池システムの所定の制御処理中に再起動要求がなされた場合には、燃料電池システムの停止処理ルーチンをすべて実行した後に最初の起動処理ルーチンから起動処理を実行するのではなく、起動処理を再起動要求がなされた時点の制御処理と同条件の時点に移行して実行するようにしたものが提案されている。
そこで、燃料電池システムにおける運転の再起動の迅速化を図るために、従来のSOFCにおいては、例えば、特許文献1に記載されているように、燃料電池システムの所定の制御処理中に再起動要求がなされた場合には、燃料電池システムの停止処理ルーチンをすべて実行した後に最初の起動処理ルーチンから起動処理を実行するのではなく、起動処理を再起動要求がなされた時点の制御処理と同条件の時点に移行して実行するようにしたものが提案されている。
一方、例えば、特許文献2に記載されている従来のSOFCでは、燃料電池セルスタックを収容している収容容器内に配置することによって熱効率を高めると共に、余剰ガスを収容容器内で燃焼させることによって従来よりも高温の燃焼ガスで加熱でき、低負荷運転時にも水蒸気改質に必要な熱量を得ることができるものが提案されている。この従来のSOFCにおいては、迅速な起動を行うために、起動時に燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱する加熱運転を行い、燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の温度帯域内の温度まで上昇すると、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱して部分酸化改質反応(以下「POX」と呼ぶ)を行うようになっている。さらに、燃料改質器の温度が水蒸気改質可能温度以上で定常温度未満の温度帯域まで上昇すると、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用したオートサーマル改質反応(以下「ATR」と呼ぶ)を行い、燃料改質器の温度が定常状態になると、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質反応(以下「SR」と呼ぶ)を行うようになっている。すなわち、このような従来のSOFCにおいては、起動時の燃料改質器の温度上昇に伴ってPOX、ATR、SRという順序を踏まえて燃料の改質を行いながら起動を実行するため、安定した迅速な起動ができるようになっている。
しかしながら、上述した特許文献1及び特許文献2のSOFCにおいては、運転の再起動時には、停止中の燃料電池セルやスタックに残存している余熱も考慮すると燃料電池セルやスタックの一部が高温状態になっていることが少なくない。
これに関し、本発明者らは、このような燃料電池セルやスタックが高温状態にあるときに、特にPOXによって再起動を行うとセルに大きな負担を与えてしまうという重要な新たな課題を見出した。
より具体的には、制御上の改質器温度はPOX運転が可能な状態に見えても、停止運転制御中からの再起動では燃料電池セルやスタックの一部が高温状態となっていることがあるため、燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の温度帯域内にあるとしてPOXを行ってしまうと、POXは空気を投入して部分酸化を伴う発熱反応であるため、セルに酸化影響を与えたり、異常な高温状態になることがあり、これがセル自身の耐久性や発電能力を除々に低下させてしまうという重要な課題を見出した。この課題を解決し、さらに再起動に要する時間をも大幅に短縮させることをも実現すべくなされたものである。
これに関し、本発明者らは、このような燃料電池セルやスタックが高温状態にあるときに、特にPOXによって再起動を行うとセルに大きな負担を与えてしまうという重要な新たな課題を見出した。
より具体的には、制御上の改質器温度はPOX運転が可能な状態に見えても、停止運転制御中からの再起動では燃料電池セルやスタックの一部が高温状態となっていることがあるため、燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の温度帯域内にあるとしてPOXを行ってしまうと、POXは空気を投入して部分酸化を伴う発熱反応であるため、セルに酸化影響を与えたり、異常な高温状態になることがあり、これがセル自身の耐久性や発電能力を除々に低下させてしまうという重要な課題を見出した。この課題を解決し、さらに再起動に要する時間をも大幅に短縮させることをも実現すべくなされたものである。
一方、上述した特許文献1及び特許文献2においては、再起動の更なる迅速化を図るために通常起動時であればATRの運転を行う温度帯域であるとしてもATRをスキップしてSRを実行するという思想について何ら開示も示唆もされておらず、上述した新たな課題を解決するものではない。
そこで、本発明は、上述した新たな課題を解決するためになされたものであり、高温からの温度低下を伴った停止時にあっては、通常起動時のATRをスキップさせる代わりに、SRによる再起動を実行することにより、安定した温度回復ならびに起動時間の短縮を図ることができる固体電解質型燃料電池(SOFC)を提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型燃料電池であって、固体電解質型の燃料電池モジュール内に配置された固体電解質型の燃料電池セルと、燃料ガスを改質して上記燃料電池セルに供給する改質器であって、所定の温度帯域に応じて燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料ガスを部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、燃料ガスと水蒸気を化学反応させることにより燃料ガスを水蒸気改質する改質反応であるSR、及び、上記POXと上記SRとを併用させることにより燃料ガスをオートサーマル改質する改質反応であるATRのいずれかの改質反応によって燃料ガスを水素に改質する上記改質器と、上記改質器による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出器と、上記燃料電池モジュールの運転を制御する制御装置と、を有し、上記制御装置は、上記燃料電池モジュールの運転の起動を制御する起動制御装置と、上記燃料電池モジュールの運転の停止を制御する停止制御装置と、を備え、上記起動制御装置は、燃料ガスを着火して燃焼させた後、上記改質器温度検出器が検出した上記改質状態温度が上記POXが開始するPOX開始温度よりも低い場合には、燃料ガスの燃焼熱によって上記改質器を昇温させる燃焼運転を実行し、上記改質状態温度が上記POX開始温度以上であり且つ上記水蒸気改質が可能な温度未満のPOX温度帯域内にある場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のPOXを実行し、上記改質状態温度が上記水蒸気改質が可能な温度以上であり且つ所定の定常温度未満のATR温度帯域内にある場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のATRを実行し、上記改質状態温度が上記所定の定常温度以上である場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のSRを実行し、上記起動制御装置は、更に、上記燃料電池モジュールが高温状態からの停止に伴って上記停止制御装置による停止処理が実行され、上記ATR温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、上記改質状態温度が少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域では上記通常起動時のATRをスキップしてSRによって再起動制御を実行することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、停止制御装置によって燃料電池モジュールの運転の停止が実行されている状態でATR温度帯域内で運転の再起動が行われた際には、通常起動時のSRをスキップして燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用したSRの実行による再起動を行うように構成されている。この結果、通常起動時のATRを行わないことによって、見かけ上の温度が低くても大きな余熱を持つことに起因して発生する燃料電池セルに酸化の影響を与えることを防止でき、セルの耐久性を向上させることができる。また、燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用した再起動制御を実行するように工夫したことにより、起動時間を大幅に短縮することができる。また、燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用した再起動制御を実行するように工夫したことにより、起動時間を大幅に短縮することができる。さらに、起動からの失火に基づいて再起動を行った場合には、改質状態温度が通常起動時のATR温度帯域内にあっても、セルや改質器の余熱を利用できる可能性が低いため、通常起動時のATRとは異なる再起動制御を禁止することにより燃料電池セルへのダメージを抑制することができる。
このように構成された本発明においては、停止制御装置によって燃料電池モジュールの運転の停止が実行されている状態でATR温度帯域内で運転の再起動が行われた際には、通常起動時のSRをスキップして燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用したSRの実行による再起動を行うように構成されている。この結果、通常起動時のATRを行わないことによって、見かけ上の温度が低くても大きな余熱を持つことに起因して発生する燃料電池セルに酸化の影響を与えることを防止でき、セルの耐久性を向上させることができる。また、燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用した再起動制御を実行するように工夫したことにより、起動時間を大幅に短縮することができる。また、燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用した再起動制御を実行するように工夫したことにより、起動時間を大幅に短縮することができる。さらに、起動からの失火に基づいて再起動を行った場合には、改質状態温度が通常起動時のATR温度帯域内にあっても、セルや改質器の余熱を利用できる可能性が低いため、通常起動時のATRとは異なる再起動制御を禁止することにより燃料電池セルへのダメージを抑制することができる。
本発明において、好ましくは、上記再起動制御は、上記改質状態温度が上記通常起動時のATR温度帯域内の所定温度未満である場合にはATRによる再起動を実行し、上記ATR温度帯域内の所定温度以上である場合には、上記SRによる再起動を実行する。
このように構成された本発明においては、ATR温度帯域内の所定温度未満では比較的温度が低いためATRを実行することで、外気等が低い条件下では、多くの水の供給及び吸熱反応だけとなるSRを実行することで急激な温度低下を招いてしまうことが生じるがこれを確実に防止して最適な状態で安定した温度の回復を図ることができる。
このように構成された本発明においては、ATR温度帯域内の所定温度未満では比較的温度が低いためATRを実行することで、外気等が低い条件下では、多くの水の供給及び吸熱反応だけとなるSRを実行することで急激な温度低下を招いてしまうことが生じるがこれを確実に防止して最適な状態で安定した温度の回復を図ることができる。
本発明において、好ましくは、上記再起動制御は、少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域において通常起動時のATRの代わりにSRによる再起動を実行し、この再起動制御で行われるSRは、通常起動時のSRとは異なるように構成されている。
このように構成された本発明においては、再起動時に燃料電池セルや改質器などの燃料電池モジュールに残存している余熱を積極的に利用した通常起動時のSRとは異なるSRを実行することにより、多くの水供給に伴って改質器等の温度降下を招くことを抑制でき温度回復を一層適切に行うことができる。
このように構成された本発明においては、再起動時に燃料電池セルや改質器などの燃料電池モジュールに残存している余熱を積極的に利用した通常起動時のSRとは異なるSRを実行することにより、多くの水供給に伴って改質器等の温度降下を招くことを抑制でき温度回復を一層適切に行うことができる。
本発明において、好ましくは、上記再起動制御で行われるSRは、上記通常起動時のSRよりも燃料ガスの供給量を多くするように構成されている。
このように構成された本発明においては、通常起動時のSRよりも燃料ガスの供給量を多くしたSRによる再起動制御を実行することにより、燃焼温度を高く保ったSRの実行によって比較的低い温度帯域での吸熱反応だけのSRであっても改質器等の温度降下を抑制し、迅速な温度回復を図ることができる。
このように構成された本発明においては、通常起動時のSRよりも燃料ガスの供給量を多くしたSRによる再起動制御を実行することにより、燃焼温度を高く保ったSRの実行によって比較的低い温度帯域での吸熱反応だけのSRであっても改質器等の温度降下を抑制し、迅速な温度回復を図ることができる。
本発明において、好ましくは、上記再起動制御で行われるSRは、上記通常起動時のSRより水の供給量を少なくするように構成されている。
このように構成された本発明においては、通常起動時のSRよりも水の供給量を少なくしたSRによる再起動制御を実行することにより、改質器の急激な温度低下及び、急激な吸熱反応による更なる温度低下という悪いスパイラル状態に一気に落ち込むことを抑制することができ、迅速で安定した昇温を図ることができる。
このように構成された本発明においては、通常起動時のSRよりも水の供給量を少なくしたSRによる再起動制御を実行することにより、改質器の急激な温度低下及び、急激な吸熱反応による更なる温度低下という悪いスパイラル状態に一気に落ち込むことを抑制することができ、迅速で安定した昇温を図ることができる。
本発明において、好ましくは、上記再起動制御で行われるSRは、上記改質状態温度が予め決定された所定温度以上上昇した時点で通常起動時のSRに変更される。
このように構成された本発明においては、再起動制御で行われるSRにおいて、改質状態温度の期待された温度上昇が図れた時点で通常起動時のSRに変更され、積極的なSRを実行するため、改質器温度の急低下を抑えつつ、安定した昇温を図ることができる。
このように構成された本発明においては、再起動制御で行われるSRにおいて、改質状態温度の期待された温度上昇が図れた時点で通常起動時のSRに変更され、積極的なSRを実行するため、改質器温度の急低下を抑えつつ、安定した昇温を図ることができる。
本発明において、好ましくは、上記再起動制御は、予め決定された燃料ガスの供給量及び水の供給量を変更させることなく一定量を維持してSRによる再起動を実行する。
このように構成された本発明においては、予め決定された燃料ガスの量、及び、水の供給量を変更させることなく一定量を維持したSRによる再起動を実行することにより、SR運転には温度が低い不安定な温度帯域中であっても、改質状態を変化させる要因を防止するようにしたことで改質器等の温度回復を迅速で安定的に行うことができる。
このように構成された本発明においては、予め決定された燃料ガスの量、及び、水の供給量を変更させることなく一定量を維持したSRによる再起動を実行することにより、SR運転には温度が低い不安定な温度帯域中であっても、改質状態を変化させる要因を防止するようにしたことで改質器等の温度回復を迅速で安定的に行うことができる。
本発明において、好ましくは、更に、純水を生成して上記改質器に供給する水供給装置を有し、この水供給装置は、上記改質器に水を導入する水配管と、この水配管を保温する保温装置と、を備えている。
このように構成された本発明においては、水供給装置の保温装置が水配管を保温することにより、再起動時に水供給装置の水配管から改質器に供給される水の温度を高く維持することができるため、再起動時のSRにおける水の供給に伴う改質器やセルの温度低下を抑制することができる。
このように構成された本発明においては、水供給装置の保温装置が水配管を保温することにより、再起動時に水供給装置の水配管から改質器に供給される水の温度を高く維持することができるため、再起動時のSRにおける水の供給に伴う改質器やセルの温度低下を抑制することができる。
本発明において、好ましくは、更に、複数の燃料電池セルを備えたセル集合体の下部を支持すると共に燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼によって生成された排気ガスが排出される排気ガス室を形成するセル集合体支持装置を有し、上記保温装置は、上記水配管を上記排気ガス室内に経由させるように配置することにより、改質器に供給される水の温度低下を抑制するように構成されている。
このように構成された本発明においては、セル集合体支持装置の排気ガス室内における排気ガスの熱を利用し、再起動時に水供給装置の水配管から改質器に供給される水の温度を高く維持することができるため、再起動時のSRにおける水の供給に伴う改質器やセルの温度低下を抑制することができ、比較的低い温度帯域でもSRによる再起動を確実に行うことが可能となる。
このように構成された本発明においては、セル集合体支持装置の排気ガス室内における排気ガスの熱を利用し、再起動時に水供給装置の水配管から改質器に供給される水の温度を高く維持することができるため、再起動時のSRにおける水の供給に伴う改質器やセルの温度低下を抑制することができ、比較的低い温度帯域でもSRによる再起動を確実に行うことが可能となる。
本発明において、好ましくは、更に、上記セル集合体を収容するハウジング部材を備え、このハウジング部材を形成する対向する一対の側面には上記排気ガス室に連通する排気ガス通路が配置され、他の側面には、上記水配管の通路が配置されている。
このように構成された本発明においては、水配管をハウジングに対して排気ガス通路と分離させたためハウジングからの熱交換を他の側面では水のみとできるため、再起動時に水供給装置の水配管から改質器に供給される水の温度を高く維持することができる。よって、再起動時のSRにおける水の供給に伴う改質器等の温度低下を抑制することができる。
このように構成された本発明においては、水配管をハウジングに対して排気ガス通路と分離させたためハウジングからの熱交換を他の側面では水のみとできるため、再起動時に水供給装置の水配管から改質器に供給される水の温度を高く維持することができる。よって、再起動時のSRにおける水の供給に伴う改質器等の温度低下を抑制することができる。
また、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型燃料電池であって、固体電解質型の燃料電池モジュール内に配置された固体電解質型の燃料電池セルと、燃料ガスを改質して上記燃料電池セルに供給する改質手段であって、所定の温度帯域に応じて燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料ガスを部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、燃料ガスと水蒸気を化学反応させることにより燃料ガスを水蒸気改質する改質反応であるSR、及び、上記POXと上記SRとを併用させることにより燃料ガスをオートサーマル改質する改質反応であるATRのいずれかの改質反応によって燃料ガスを水素に改質する上記改質手段と、上記改質手段による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出手段と、上記燃料電池モジュールの運転を制御する制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの運転の起動を制御する起動制御手段と、上記燃料電池モジュールの運転の停止を制御する停止制御手段と、を備え、上記起動制御手段は、燃料ガスを着火して燃焼させた後、上記改質状態温度検出手段が検出した上記改質状態温度が上記POXが開始するPOX開始温度よりも低い場合には、燃料ガスの燃焼熱によって上記改質手段を昇温させる燃焼運転を実行し、上記改質状態温度が上記POX開始温度以上であり且つ上記水蒸気改質が可能な温度未満のPOX温度帯域内にある場合には、上記改質手段を昇温させるために通常起動時のPOXを実行し、上記改質状態温度が上記水蒸気改質が可能な温度以上であり且つ所定の定常温度未満のATR温度帯域内にある場合には、上記改質手段を昇温させるために通常起動時のATRを実行し、上記改質状態温度が上記所定の定常温度以上である場合には、上記改質手段を昇温させるために通常起動時のSRを実行し、上記起動制御手段は、更に、上記燃料電池モジュールが高温状態からの停止に伴って上記停止制御手段による停止処理が実行され、上記ATR温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、上記改質状態温度が少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域では上記通常起動時のATRをスキップしてSRによって再起動制御を実行することを特徴としている。
本発明の固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、高温状態からの停止時における再起動時にあっては、通常起動時のATRをスキップさせる代わりに、SRによる再起動を実行することにより、再起動時に余熱を積極的に利用した運転の実行により再起動時の起動時間を大幅に短縮することができる。
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を説明する。
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。
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。
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。)を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この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(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
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、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。
次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
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。
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。
次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)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線に沿って断面図である。
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。
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。
改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。
このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。
次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。
空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
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。
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。
次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
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。
次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
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。
燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
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。
さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。
次に図6により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
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。
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。
次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
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。
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。
電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等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。
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。
水流量センサ134は、改質器20に供給される純水(水蒸気)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。
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。
発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定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。
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。
これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
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。
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。
次に図7により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
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。
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。
先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の空気用熱交換器22へ供給し、この発電用空気が、発電室10及び燃焼室18に到達する。
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。
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。
次に、点火装置83により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器22内の発電用空気も暖める。
このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管64により燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
CmHn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ148により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。
式(2)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ146により改質器20が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット44による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット28による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器20には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器20において、式(3)の水蒸気改質反応SRが進行する。
CmHn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室18からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール2の起動の最終段階であるため、発電室10内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室10が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室18では継続して燃焼反応が進行する。
このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置83により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セル84の温度が燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格定格温度、例えば、600℃~800℃になる。
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル84で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。
次に、図8により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を説明する。図8は、本実施形態により固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
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。
また、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、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と同時に、改質用空気流量調整ユニット44による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応SRを終了する。この発電用空気の供給は、改質器20の温度が所定温度、例えば、200℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2の運転停止を行うとき、改質器20による水蒸気改質反応SRと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
次に、図9~図13を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による再起動時の動作を説明する。図9(A)及び図9(B)は、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動時と再起動時の動作の各運転状態における燃料流量、改質用空気流量、発電用空気流量、水流量、及び、改質器及びスタックの移行温度条件を示すデータテーブルである。
まず、図9(A)及び図9(B)に示すように、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)は、上述した図7に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作と同一の動作を運転の通常起動時の動作として実行する制御モード(以下「通常起動モード1」)と(図9(A)参照)、この通常起動モード1とは異なる通常起動モードに基づいて運転の通常起動を実行する変形例「通常起動モード2」(図9(B)参照)を開示している。
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)は、図8に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の停止動作が実行されている状態で運転の起動(いわゆる「再起動」)が要求された場合にこの運転の再起動を実行する例として2つの実施形態からなる再起動制御モード(以下「再起動モード1」及び「再起動モード2」)を開示し、これらの「再起動モード1」及び「再起動モード2」のそれぞれは、対応する再起動制御フローの第1例及び第2例(詳細は後述する)のそれぞれに基づいて実行されるようになっている。
なお、図9(A)及び図9(B)における各通常起動モード及び各再起動モードの詳細については後述する。
なお、図9(A)及び図9(B)における各通常起動モード及び各再起動モードの詳細については後述する。
つぎに、図10により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第1例を具体的に説明する。図10は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)において再起動を行うための再起動制御フローの第1例(再起動制御フロー1)を示すフローチャートである。図10において、Sは各ステップを示している。
まず、S1において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中である場合には、S2に進み、再起動を要求するか否かを判定する。
まず、S1において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中である場合には、S2に進み、再起動を要求するか否かを判定する。
S2において、再起動を要求すると判定した場合には、S3に進み、改質器20による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出手段の一部である改質器温度センサ148により改質器20の温度(以下「改質器温度Tr」)を測定した後、S4に進み、改質器20による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出手段の一部である発電室温度センサ142により、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の近傍の温度、或いは発電室10の温度であるスタック温度Tsを測定する。
つぎに、S5に進み、改質器温度Trが600℃以上であるか否かを判定する。
つぎに、S5に進み、改質器温度Trが600℃以上であるか否かを判定する。
S5において、改質器温度Trが600℃以上でないと判定した場合には、S6に進み、改質器温度Trが200℃未満であるか否かを判定する。
S6において、改質器温度Trが200℃未満でない、すなわち、改質器温度Trが200℃以上600℃未満であると判定した場合には、S7に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「通常起動ATR」を実行する。
S6において、改質器温度Trが200℃未満でない、すなわち、改質器温度Trが200℃以上600℃未満であると判定した場合には、S7に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「通常起動ATR」を実行する。
一方、S5において、改質器温度Trが600℃以上であると判定した場合には、S8に進み、改質器温度Trが650℃以上であるか否かを判定する。
S8において、改質器温度Trが650℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが600℃以上650℃未満であると判定した場合には、S9に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「再起動SR」を実行する。
S8において、改質器温度Trが650℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが600℃以上650℃未満であると判定した場合には、S9に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「再起動SR」を実行する。
一方、S8において、改質器温度Trが650℃以上であると判定した場合には、S10に進み、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが600℃以上であるか否かを判定する。
S10において、スタック温度Tsが600℃以上であると判定した場合には、S11に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「通常起動SR」を実行する。一方、S10において、スタック温度Tsが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが600℃以上であるにもかかわらず、スタック温度Tsが600℃未満であると判定した場合には、S9に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「再起動SR」を実行する。
S10において、スタック温度Tsが600℃以上であると判定した場合には、S11に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「通常起動SR」を実行する。一方、S10において、スタック温度Tsが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが600℃以上であるにもかかわらず、スタック温度Tsが600℃未満であると判定した場合には、S9に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」による「再起動SR」を実行する。
つぎに、S1において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中でない場合には、S12に進み、起動中における失火に基づく再起動要求があるか否かを判定する。
S12において、起動中における失火に基づく再起動であると判定した場合、及び、S6において、改質器温度Trが200℃未満であると判定した場合には、温度センサーの値は見かけ上高くても燃料電池モジュール全てが長時間高温状態になっているわけではないので満遍なく蓄熱されている状況にないことから余熱に基く再起動制御が実行できる状況にはないのでS13に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「通常起動モード1」に基いて再起動を実行する。
S12において、起動中における失火に基づく再起動であると判定した場合、及び、S6において、改質器温度Trが200℃未満であると判定した場合には、温度センサーの値は見かけ上高くても燃料電池モジュール全てが長時間高温状態になっているわけではないので満遍なく蓄熱されている状況にないことから余熱に基く再起動制御が実行できる状況にはないのでS13に進み、図9(A)に示すデータテーブル中の「通常起動モード1」に基いて再起動を実行する。
つぎに、図9~図11を参照しながら、図10に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第1例に基づいて再起動を実行した場合の動作をより具体的に説明する。
図11は、図10に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第1例に基づいて再起動を実行した場合の動作を示すタイムチャートについて、通常起動時の動作を示すタイムチャートと比較した図である。
なお、図11の上段のタイムチャートは、図9(A)に示すデータテーブル中の「通常起動モード1」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動の動作を示すタイムチャートであり、図11の下段のタイムチャートは、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動の動作を示すタイムチャートである。
図11は、図10に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第1例に基づいて再起動を実行した場合の動作を示すタイムチャートについて、通常起動時の動作を示すタイムチャートと比較した図である。
なお、図11の上段のタイムチャートは、図9(A)に示すデータテーブル中の「通常起動モード1」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動の動作を示すタイムチャートであり、図11の下段のタイムチャートは、図9(A)に示すデータテーブル中の「再起動モード1」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動の動作を示すタイムチャートである。
また、以下の本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第1例(再起動フロー1)に基づく再起動の動作の説明については、図9(A)に示す「通常起動モード1」と「再起動モード1」に関するデータテーブルのみを参照すると共に、図11に示す本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)の「再起動モード1」による再起動時の動作について、「通常起動モード1」による通常起動時の動作と比較しながら説明する。
まず、図9(A)に示す「通常起動モード1」のデータテーブルの見方について説明する。
図9(A)に示す「通常起動モード1」の「状態」という欄は、上段から下段に向かって時系列順に通常起動時の各運転状態をそれぞれ表したものであり、各運転状態について、「着火時」、「燃焼運転」、「通常起動POX」、「通常起動ATR」、「通常起動SR」と略記して区別している。
ちなみに、図11における「通常起動モード1」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt1とし、順次「通常起動POX」、「通常起動ATR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt2、t3、及び、t4とし、時間tにおいて改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度をTr(t)とし、時間tにおいて発電室温度センサ142により測定されたスタック温度をTs(t)とする。
図9(A)に示す「通常起動モード1」の「状態」という欄は、上段から下段に向かって時系列順に通常起動時の各運転状態をそれぞれ表したものであり、各運転状態について、「着火時」、「燃焼運転」、「通常起動POX」、「通常起動ATR」、「通常起動SR」と略記して区別している。
ちなみに、図11における「通常起動モード1」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt1とし、順次「通常起動POX」、「通常起動ATR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt2、t3、及び、t4とし、時間tにおいて改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度をTr(t)とし、時間tにおいて発電室温度センサ142により測定されたスタック温度をTs(t)とする。
図9(A)に示す「通常起動モード1」の「着火時」という運転状態は、点火装置83を点火し、燃料ガスが着火して燃焼を開始した状態であり、この着火時(t=t1)に改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度を「着火時温度Tr(t1)」とすると、この着火時温度Tr(t1)は、POXが開始するとき(t=t2)の改質器20の温度(以下「POX開始温度Tr(t2)」)(=300℃)よりも低くなっている。
つぎに、「通常起動モード1」の「燃焼運転」という運転状態は、燃料ガスの着火後に燃焼を開始してから、この燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を加熱して燃焼運転を実行する制御帯域(以下「燃焼運転制御帯域B1」)で起動を制御しており、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度が着火時温度Tr(t1)からPOX開始温度Tr(t2)(=300℃)未満までの温度帯域W1で実行されるものである。
つぎに、「通常起動モード1」の「通常起動POX」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)がPOX開始温度Tr(t2)(=300℃)以上であり且つSRが可能なSR可能温度(以下「SR可能温度Tr(t3)」)(=600℃)未満までの温度帯域(以下「通常起動POX温度帯域W2」)内にあるとき(300℃≦Tr(t)<600℃)、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を加熱してPOXを実行する制御帯域(以下「通常起動モードPOX制御帯域B2」)で起動を制御している。
つぎに、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器温度TrがSR可能温度Tr(t3)(=600℃)以上であり且つ所定の定常温度Tr(t4)(=650℃)未満までの温度帯域(600℃≦Tr(t)<650℃)にあり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが250℃以上600℃未満までの温度帯域(250℃≦Ts<600℃)にある温度帯域(以下「通常起動ATR温度帯域W3」)において、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱とSRによる吸熱を制御して改質器20を加熱し、ATRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードATR制御帯域B3」)で起動を制御している。
つぎに、「通常起動モード1」の「通常起動SR」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が650℃以上の所定の定常温度Tr(t4)であり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが600℃以上にあるときにSRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードSR制御帯域B4」)で起動を制御している。
なお、図9(A)及び図9(B)に示す「燃料流量」という欄は、補機ユニット4の燃料ガス供給手段である燃料流量調整ユニット38から改質器20に供給される燃料ガスの流量[L/min]を示している。
また、図9(A)及び図9(B)に示す「改質用空気流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の酸化剤ガス供給手段である改質用空気流量調整ユニット44から、酸化剤ガス加熱手段である第1ヒータ46を経て改質器20に供給される酸化剤ガス(改質用空気)の流量[L/min]を示している。
また、図9(A)及び図9(B)に示す「改質用空気流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の酸化剤ガス供給手段である改質用空気流量調整ユニット44から、酸化剤ガス加熱手段である第1ヒータ46を経て改質器20に供給される酸化剤ガス(改質用空気)の流量[L/min]を示している。
さらに、図9(A)及び図9(B)に示す「発電用空気流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の発電用空気流量調整ユニット45から第2ヒータ48を経て発電室10に供給される発電用空気の流量[L/min]を示している。
また、図9(A)及び図9(B)に示す「水流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の純水を生成して改質器20に供給する水供給手段である水流量調整ユニット28から改質器20に供給される純水の流量[cc/min]を示している。
また、図9(A)及び図9(B)に示す「水流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の純水を生成して改質器20に供給する水供給手段である水流量調整ユニット28から改質器20に供給される純水の流量[cc/min]を示している。
さらに、図9(A)及び図9(B)に示す「移行温度条件」の「改質器温度」及び「スタック温度」という欄については、運転状態が次の運転状態に移行する際の改質器20の温度Tr及び燃料電池セルスタック14の温度Tsを示している。
より具体的に説明すると、例えば、「通常起動モード1」の「燃焼運転」の状態欄における「移行温度条件」の「改質器温度」は「300℃以上」と示されているが、このことは、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が300℃以上になると、「燃焼運転」の運転状態が「通常起動POX」の運転状態へ移行されることを意味している。
同様に、「通常起動モード1」の「通常起動POX」の状態欄における「移行温度条件」の「改質器温度」は「600℃以上」と示されており、「スタック温度」は「250℃以上」と示されているが、このことは、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が600℃以上になり、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが250℃以上になると、「通常起動POX」の運転状態から「通常起動ATR」の運転状態へ移行されることを意味している。
より具体的に説明すると、例えば、「通常起動モード1」の「燃焼運転」の状態欄における「移行温度条件」の「改質器温度」は「300℃以上」と示されているが、このことは、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が300℃以上になると、「燃焼運転」の運転状態が「通常起動POX」の運転状態へ移行されることを意味している。
同様に、「通常起動モード1」の「通常起動POX」の状態欄における「移行温度条件」の「改質器温度」は「600℃以上」と示されており、「スタック温度」は「250℃以上」と示されているが、このことは、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が600℃以上になり、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが250℃以上になると、「通常起動POX」の運転状態から「通常起動ATR」の運転状態へ移行されることを意味している。
つぎに、図9(A)に示す「再起動モード1」のデータテーブルの見方について説明するが、上述した「通常起動モード1」のデータテーブルの見方と基本的には同様であるため、「通常起動モード1」のデータテーブルとの相違点や特徴的な点に着目して説明する。
まず、図9(A)に示す「再起動モード1」の「状態」という欄は、上段から下段に向かって時系列順に再起動時の各運転状態をそれぞれ表したものであり、各運転状態について、「着火時」、「通常起動ATR」、「再起動SR」、「通常起動SR」と略記している。
ちなみに、図11における「再起動モード1」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt11とし、順次「通常起動ATR」、「再起動SR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt13、t14a、及び、t14bとする。
まず、図9(A)に示す「再起動モード1」の「状態」という欄は、上段から下段に向かって時系列順に再起動時の各運転状態をそれぞれ表したものであり、各運転状態について、「着火時」、「通常起動ATR」、「再起動SR」、「通常起動SR」と略記している。
ちなみに、図11における「再起動モード1」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt11とし、順次「通常起動ATR」、「再起動SR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt13、t14a、及び、t14bとする。
つぎに、図9(A)に示す「再起動モード1」の「着火時」という運転状態は、燃料電池モジュール2の停止運転中に再起動が要求された場合に、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が、上述した「通常起動モード1」の通常起動モードPOX制御帯域B2のPOX開始温度Tr(t2)(=300℃)よりも低い所定温度Tr(t11)(=200℃)未満である場合には、「通常起動モード1」に基づく通常起動が「通常起動モード1」の着火後の「燃焼運転」から実行されるようになっている(図10のS6及びS13参照)。
一方、改質器20の温度Tr(t11)が所定温度(=200℃)以上である場合には、点火装置83を点火し、燃料ガスの着火後、直ちに「再起動モード1」の「通常起動ATR」の運転状態に移行される(図10のS6及びS7参照)。
一方、改質器20の温度Tr(t11)が所定温度(=200℃)以上である場合には、点火装置83を点火し、燃料ガスの着火後、直ちに「再起動モード1」の「通常起動ATR」の運転状態に移行される(図10のS6及びS7参照)。
つぎに、図9(A)及び図10のS7に示す「再起動モード1」の「通常起動ATR」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t11)が所定温度(=200℃)以上である場合に、点火装置83を点火し、燃料ガスの着火後、直ちに移行してATRを実行する制御帯域(以下「再起動モードATR制御帯域B13」)で再起動を制御している。
この「再起動モード1」の再起動モードATR制御帯域B13で実行される「通常起動ATR」の運転状態は、「通常起動モード1」の通常起動モードATR制御帯域B3で実行される「通常起動ATR」の運転状態とは、改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域のみが異なり、「燃料流量」、「改質用空気流量」、「発電用空気流量」、及び、「水流量」が同一となっている。
この「再起動モード1」の再起動モードATR制御帯域B13で実行される「通常起動ATR」の運転状態は、「通常起動モード1」の通常起動モードATR制御帯域B3で実行される「通常起動ATR」の運転状態とは、改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域のみが異なり、「燃料流量」、「改質用空気流量」、「発電用空気流量」、及び、「水流量」が同一となっている。
より具体的に説明すると、「再起動モード1」の再起動モードATR制御帯域B13で「通常起動ATR」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「通常起動ATR温度帯域W13」)は、「通常起動モード1」の通常起動モードPOX制御帯域B2で「通常起動POX」が実行される通常起動POX温度帯域W2(300℃≦Tr(t)<600℃、Ts<250℃)と改質器温度Trの温度帯域が一部重複する温度帯域(200℃≦Tr(t)<600℃、Ts<500℃)となっているが、「通常起動モード1」の通常起動モードATR制御帯域B3で「通常起動ATR」が実行される通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)とはスタック温度Tsのみが一部重複している。
つぎに、図9(A)及び図10のS9に示す「再起動モード1」の「再起動SR」という運転状態は、「通常起動モード1」の「通常起動SR」とは異なるSRを実行する制御帯域(以下「再起動モードSR制御帯域B14a」)で再起動を制御している。
より具体的に説明すると、「再起動モード1」の再起動モードSR制御帯域B14aで「再起動SR」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「再起動SR温度帯域W14a」)は、「通常起動モード1」の通常起動モードATR制御帯域B3で「通常起動ATR」が実行される通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)と一部重複する温度帯域(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)となっている。
より具体的に説明すると、「再起動モード1」の再起動モードSR制御帯域B14aで「再起動SR」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「再起動SR温度帯域W14a」)は、「通常起動モード1」の通常起動モードATR制御帯域B3で「通常起動ATR」が実行される通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)と一部重複する温度帯域(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)となっている。
また、「再起動モード1」の再起動モードSR制御帯域B14aにおいては、特に、「再起動モード1」の「再起動SR」が実行される再起動ATR温度帯域W14a(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)について「通常起動モード1」の「通常起動SR」が実行される通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)と一部重複している部分があるにもかかわらず、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」は実行されない。
さらに、図9(A)に示すように、「再起動モード1」の「再起動SR」の運転状態における「燃料流量」は3.5[L/min]であり、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」の運転状態における「燃料流量」(4.0[L/min])よりは少なく、「通常起動モード1」の「通常起動SR」の運転状態における「燃料流量」(3.0[L/min])よりは多くなっている。
また、図9(A)に示すように、「再起動モード1」の「再起動SR」の運転状態における「水流量」は6.0[cc/min]であり、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」の運転状態における「水流量」(3.0[cc/min])よりは多く、「通常起動モード1」の「通常起動SR」の運転状態における「水流量」(8.0[cc/min])よりは少なくなっている。
つぎに、図9(A)及び図10のS11に示す「再起動モード1」の「通常起動SR」という運転状態は、改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「通常起動SR温度帯域W14b」)が「通常起動モード1」の通常起動SR温度帯域W4(650℃≦Tr(t)、600℃≦Ts)と同一となっており、「通常起動モード1」の「通常起動SR」と同一のSRを実行する制御帯域(以下「再起動モードATR制御帯域B14b」)で再起動を制御している。
つぎに、特に、上述した「再起動モード1」による「通常起動ATR」から「再起動SR」を経て「通常起動SR」を実行する制御帯域(以下「「再起動モード1」の再起動モード制御帯域」)に着目し、この再起動モード制御帯域による再起動を「通常起動モード1」による通常起動と比較する。
「再起動モード1」の再起動モード制御帯域においては、燃料電池モジュール2の運転の停止により、改質器温度Tr及びスタック温度Tsが「通常起動モード1」の通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)に相当する温度帯域の高温側から低下してこの通常起動ATR温度帯域W3内にあるときには、燃料電池セルスタック14や改質器20に残存している余熱を積極的に利用することにより、たとえ改質器温度Tr及びスタック温度Tsが通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)内にあっても、「通常起動モード1」による通常起動モードATR制御帯域B3の「通常起動ATR」の実行をスキップする。
そして、このスキップした「通常起動モード1」の「通常起動ATR」の代わりに、「再起動モード1」の再起動SR温度帯域W14a(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)において、「燃料流量」が「通常起動モード1」の「通常起動ATR」よりも少なく且つ「通常起動モード1」の「通常起動SR」よりも多く、且つ、「水流量」が「通常起動モード1」の「通常起動ATR」よりは多く且つ「通常起動モード1」の「通常起動SR」よりは少ない「再起動モード1」の「再起動SR」を実行する。
しかしながら、「再起動モード1」の一連の再起動モード制御帯域においては、ATRを完全に禁止するわけではなく、改質器温度Tr及びスタック温度Tsが「通常起動モード1」の再起動SR温度帯域W14a(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)よりも低温側の「再起動モード1」の通常起動ATR温度帯域W13(200℃≦Tr(t)<600℃、Ts<500℃)内にあるときには、「再起動モード1」の「通常起動ATR」を実行する。
一方、「再起動モード1」の一連の再起動モード制御帯域においては、例えば、起動時の失火に基づいて再起動を行った場合に、改質器温度Tr及びスタック温度Tsが「再起動モード1」の再起動ATR温度帯域W14aの低温側から上昇してこの再起動ATR温度帯域W14a又はW14b内にあったとしても、燃料電池セルスタック14や改質器20に残存している余熱を利用できる可能性が低いため、「再起動モード1」の再起動モード制御帯域における「再起動SR」及び「通常起動SR」を禁止して、「通常起動モード1」の着火後の「燃焼運転」から実行する(図10のS12及びS13参照)。
また、図11に示すように、「再起動モード1」の「通常起動ATR」から「再起動SR」に移行するときの時間t14aは、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」から「通常起動SR」に移行するときの時間t4よりも少ない時間となっており、再起動による起動時間が通常起動による起動時間に比べて短くなっている。
上述した本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第1例による再起動制御によれば、改質器温度Tr及びスタック温度Tsが「通常起動モード1」の通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)と重複する「再起動モード1」の「再起動SR」の再起動SR温度帯域W14a(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)の高温側から低下してこの再起動SR温度帯域W14a内にあるときには、燃料電池セルスタック14や改質器20に残存している余熱を積極的に利用することにより、たとえ改質器温度Tr及びスタック温度Tsが通常起動ATR温度帯域W3(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)内にあっても、「通常起動モード1」による通常起動モードATR制御帯域B2の「通常起動ATR」の実行をスキップすることができる。
そして、このスキップした「通常起動モード1」の「通常ATR」の代わりに、「再起動モード1」の再起動ATR温度帯域W14aにおいて、「燃料流量」が「通常起動モード1」の「通常起動ATR」よりも少なく且つ「通常起動モード1」の「通常起動SR」よりも多く、且つ、「水流量」が「通常起動モード1」の「通常起動ATR」よりは多く且つ「通常起動モード1」の「通常起動SR」よりは少ない「再起動モード1」の「再起動SR」を実行することができる。
この結果、再起動時に「通常起動モード1」による通常起動モードATR制御帯域B3の通常起動ATRの実行をスキップすることなくそのまま通常起動ATRを実行した場合に比べて、燃料電池セル84の酸化や異常高温による燃料電池セル84への負担を軽減することができ、燃料電池セル84の耐久性を向上させることができる。
この結果、再起動時に「通常起動モード1」による通常起動モードATR制御帯域B3の通常起動ATRの実行をスキップすることなくそのまま通常起動ATRを実行した場合に比べて、燃料電池セル84の酸化や異常高温による燃料電池セル84への負担を軽減することができ、燃料電池セル84の耐久性を向上させることができる。
また、燃料電池セルスタック14や改質器20に残存している余熱を積極的に利用することにより、「通常起動モード1」の「燃焼運転」、「通常起動POX」、「通常起動ATR」をスキップし、「再起動モード1」の「着火時」から「通常起動ATR」、「再起動SR」、及び、「通常起動SR」を順次実行することにより、着火時からATR、SRへの移行を早めることができる。この結果、再起動時に仮に「通常起動モード1」の通常起動ATR温度帯域W3に相当する温度領域内で「通常起動モード1」の「通常起動ATR」を実行した場合に比べて、再起動に要する起動時間を大幅に短縮させることができる。
一方、例えば、起動時の失火に基づいて再起動を行った場合には、「再起動モード1」の再起動モード制御帯域における「再起動ATR」及び「通常起動SR」を禁止することができるため、燃料電池セルユニット16のダメージを抑制することができる。
一方、例えば、起動時の失火に基づいて再起動を行った場合には、「再起動モード1」の再起動モード制御帯域における「再起動ATR」及び「通常起動SR」を禁止することができるため、燃料電池セルユニット16のダメージを抑制することができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第1例による再起動制御によれば、再起動時には「再起動モード1」の「着火時」から改質器温度Tr及びスタック温度Tsの上昇に伴って「通常起動ATR」、「再起動SR」、及び、「通常起動SR」を順次実行することにより、燃料電池セルユニット16の温度降下を招くことなく最適な状態で安定した温度の回復を図ることができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第1例による再起動制御によれば、「再起動モード1」の再起動モードATR制御帯域B13の通常起動ATR温度帯域W13(200℃≦Tr(t)<600℃、Ts<500℃)において「再起動モード1」の「通常起動ATR」を実行し、「再起動モード1」の再起動モードSR制御帯域B14aの再起動SR温度帯域W14a(650℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)において、「再起動モード1」の「再起動SR」を実行するため、多くの水の供給及び吸熱反応だけとなるSRを実行することによる燃料電池セルスタック14の急激な温度降下を招くことなく最適な状態で安定した温度の回復を図ることができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第1例による再起動制御によれば、再起動時に燃料電池セルスタック14や改質器20に残存している余熱を積極的に利用することにより、「通常起動モード1」の通常起動モードATR制御帯域B3の「通常起動ATR」の少なくとも一部をスキップする代わりに、「通常起動モード1」の「通常起動SR」と異なる「再起動モード1」による「再起動SR」を実行するため、多くの水供給に伴って改質器20の温度降下を招くことを抑制でき、温度回復を一層適切に行うことができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第1例による再起動制御によれば、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」をスキップする代わりに、「再起動モード1」の再起動モードSR制御帯域B14aにおいて、「通常起動モード1」の「通常起動SR」よりも「燃料流量」が多い「再起動モード1」の「再起動SR」を実行することにより、燃焼温度を高く保ったSRの実行によって比較的低い温度帯域での吸熱反応だけのSRであっても改質器20及び燃料電池セルスタック14の温度降下を抑制し、迅速な温度回復を図ることができる。
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第1例による再起動制御によれば、「通常起動モード1」の「通常起動ATR」をスキップする代わりに、「通常起動モード1」の「通常起動SR」よりも「水流量」が少ない「再起動モード1」の「再起動SR」を実行することにより、改質器20の急激な温度低下及び、急激な吸熱反応による更なる温度低下という悪いスパイラル状態に一気に落ち込むことを抑制することができ、迅速で安定した昇温を図ることができる。
つぎに、図12により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第2例を具体的に説明する。図12は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)において再起動を行うための再起動制御フローの第2例(再起動制御フロー2)を示すフローチャートである。図12において、Sは各ステップを示している。
まず、S101において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中である場合には、S102に進み、再起動を要求するか否かを判定する。
まず、S101において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中である場合には、S102に進み、再起動を要求するか否かを判定する。
S102において、再起動を要求すると判定した場合には、S103に進み、改質器温度センサ148により改質器20の温度Trを測定した後、S104に進み、発電室温度センサ142により燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の近傍の温度であるスタック温度Tsを測定する。
つぎに、S105に進み、改質器温度Trが400℃以上であるか否かを判定する。
つぎに、S105に進み、改質器温度Trが400℃以上であるか否かを判定する。
S105において、改質器温度Trが400℃以上でないと判定した場合には、S106に進み、改質器温度Trが200℃未満であるか否かを判定する。
S106において、改質器温度Trが200℃未満でない、すなわち、改質器温度Trが200℃以上400℃未満であると判定した場合には、S107に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動ATR1」を実行する。
S106において、改質器温度Trが200℃未満でない、すなわち、改質器温度Trが200℃以上400℃未満であると判定した場合には、S107に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動ATR1」を実行する。
また、S105において、改質器温度Trが400℃以上であると判定した場合には、S108に進み、改質器温度Trが600℃以上であるか否かを判定する。
S108において、改質器温度Trが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが400℃以上600℃未満であると判定した場合には、S109に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動ATR2」を実行する。
S108において、改質器温度Trが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが400℃以上600℃未満であると判定した場合には、S109に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動ATR2」を実行する。
一方、S108において、改質器温度Trが600℃以上であると判定した場合には、S110に進み、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが600℃以上であるか否かを判定する。
S110において、スタック温度Tsが600℃以上であると判定した場合には、S111に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動SR」を実行する。
S110において、スタック温度Tsが600℃以上であると判定した場合には、S111に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動SR」を実行する。
一方、S110において、スタック温度Tsが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが600℃以上であるにもかかわらず、スタック温度Tsが600℃未満であると判定した場合には、S112に進み、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温したか否かを判定する。
また、S112において、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温したと判定した場合には、S111に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「通常起動SR」を実行する。
一方、S112において、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温していないと判定した場合には、S113に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「再起動SR」を実行する。
一方、S112において、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温していないと判定した場合には、S113に進み、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」による「再起動SR」を実行する。
つぎに、S101において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中でない場合には、S114に進み、起動時における失火に基づく再起動の要求があるか否かを判定する。
S114において、失火に基づく再起動の要求があと判定した場合、及び、S106において、改質器温度Trが200℃未満であると判定した場合には、S115に進み、図9(B)に示す通常起動データテーブル中の「通常起動モード2」に従って再起動を実行する。
S114において、失火に基づく再起動の要求があと判定した場合、及び、S106において、改質器温度Trが200℃未満であると判定した場合には、S115に進み、図9(B)に示す通常起動データテーブル中の「通常起動モード2」に従って再起動を実行する。
つぎに、図9(B)、図12及び図13を参照しながら、図12に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第2例に基づいて再起動を実行した場合の動作をより具体的に説明する。
図13は、図14に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第3例に基づいて再起動を実行した場合の動作を示すタイムチャートについて、通常起動時の動作を示すタイムチャートと比較した図である。
なお、図13の上段のタイムチャートは、図9(B)に示すデータテーブル中の「通常起動モード2」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動の動作を示すタイムチャートであり、図13の下段のタイムチャートは、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動の動作を示すタイムチャートである。
図13は、図14に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第3例に基づいて再起動を実行した場合の動作を示すタイムチャートについて、通常起動時の動作を示すタイムチャートと比較した図である。
なお、図13の上段のタイムチャートは、図9(B)に示すデータテーブル中の「通常起動モード2」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動の動作を示すタイムチャートであり、図13の下段のタイムチャートは、図9(B)に示すデータテーブル中の「再起動モード2」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動の動作を示すタイムチャートである。
また、以下の本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローの第2例(再起動フロー2)に基づく再起動の動作の説明については、図9(B)に示す「通常起動モード2」と「再起動モード2」に関するデータテーブルのみを参照すると共に、図13に示す本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)の「再起動モード2」による再起動時の動作について、「通常起動モード2」による通常起動時の動作と比較しながら説明する。
まず、図9(B)に示すように、「通常起動モード2」による通常起動制御は、「着火時」から「燃焼運転」、「通常起動POX」、「通常起動ATR1」、「通常起動ATR2」、及び、「通常起動SR」を順次実行するものである。ここで、図13における「通常起動モード2」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt101とし、順次「燃焼運転」、「通常起動POX」、「通常起動ATR1」、「通常起動ATR2」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt102、t103、t104、及び、t105とする。
図9(B)に示す「通常起動モード2」の「着火時」という運転状態は、点火装置83を点火し、燃料ガスが着火して燃焼を開始した状態であり、この着火時(t=t101)に改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度を「着火時温度Tr(t1)」とすると、この着火時温度Tr(t101)は、POXが開始するとき(t=t102)の改質器20の温度(以下「POX開始温度Tr(t102)」)(=300℃)よりも低くなっている。
つぎに、「通常起動モード2」の「燃焼運転」という運転状態は、燃料ガスの着火後に燃焼を開始してから、この燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を加熱して燃焼運転を実行する制御帯域(以下「燃焼運転制御帯域B101」)で起動を制御しており、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度が着火時温度Tr(t101)からPOX開始温度Tr(t102)(=300℃)未満までの温度帯域W101で実行されるものである。
つぎに、「通常起動モード2」の「通常起動POX」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)がPOX開始温度Tr(t102)(=300℃)以上であり且つSRが可能なSR可能温度(以下「SR可能温度Tr(t103)」)(=600℃)未満までの温度帯域(以下「通常起動POX温度帯域W102」)内にあるとき(300℃≦Tr(t)<600℃)、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を加熱してPOXを実行する制御帯域(以下「通常起動モードPOX制御帯域B102」)で起動を制御している。
つぎに、「通常起動モード2」の「通常起動ATR1」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)がSR可能温度Tr(t103)(=600℃)以上であり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが250℃以上400℃未満までの温度帯域(250℃≦Ts<400℃)(以下「通常起動ATR1温度帯域W103」)にあるとき、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱とSRによる吸熱を制御して改質器20を加熱し、ATRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードATR1制御帯域B103」)で起動を制御している。
つぎに、「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)がSR可能温度Tr(t103)(=600℃)以上であり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが400℃以上600℃未満までの温度帯域(400℃≦Ts<600℃)にあるとき、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱とSRによる吸熱を制御して改質器20を加熱し、「通常起動モード2」の「通常起動ATR1」とは異なるATRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードATR2制御帯域B104」)で起動を制御している。
ここで、「通常起動モード2」の「通常起動ATR1」と「通常起動ATR2」の相違点については、上述したようにスタック温度Tsの移行温度条件が互いに異なり、通常起動ATR1温度帯域W103が通常起動ATR2温度帯域W104よりも低温側にある点以外にも、「通常起動ATR1」の「燃料流量」及び「改質用空気流量」が「通常起動ATR2」の「燃料流量」及び「改質用空気流量」よりも多く設定されているのに対し、「通常起動ATR1」の「水流量」は「通常起動ATR2」の「水流量」よりも少なく設定されている点が特徴的な相違点である。
つぎに、「通常起動モード2」の「通常起動SR」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が所定の定常温度Tr(t105)であり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが600℃以上にある場合にSRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードSR制御帯域B105」)で起動を制御している。
つぎに、図9(B)に示すように、「再起動モード2」による再起動制御は、「着火時」から「通常起動ATR1」、「通常起動ATR2」、「再起動SR」、及び、「通常起動SR」を順次実行するものである。ここで、図15における「再起動モード3」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt201とし、順次「通常起動ATR1」、「通常起動ATR2」、「再起動SR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt203、t204、t205a、及び、t205bとする。
図9(B)に示す「再起動モード2」の「着火時」という運転状態は、燃料電池モジュール2の停止運転中に再起動が要求された場合に、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が、上述した「通常起動モード2」の通常起動モードPOX制御帯域B102のPOX開始温度Tr(t102)(=300℃)よりも低い所定温度Tr(t201)(=200℃)未満である場合には、「通常起動モード2」に基づく通常起動が「通常起動モード2」の着火後の「燃焼運転」から実行されるようになっている(図12のS106及びS115参照)。
一方、改質器20の温度Tr(t201)が所定温度(=200℃)以上である場合には、点火装置83を点火し、燃料ガスの着火後、直ちに「再起動モード2」の「通常起動ATR1」の運転状態に移行される(図12のS107参照)。
この「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B203で実行される「通常起動ATR1」の運転状態は、「通常起動モード2」の通常起動モードATR制御帯域B103で実行される「通常起動ATR1」の運転状態とは、改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域のみが異なり、「燃料流量」、「改質用空気流量」、「発電用空気流量」、及び、「水流量」が同一となっている。
この「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B203で実行される「通常起動ATR1」の運転状態は、「通常起動モード2」の通常起動モードATR制御帯域B103で実行される「通常起動ATR1」の運転状態とは、改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域のみが異なり、「燃料流量」、「改質用空気流量」、「発電用空気流量」、及び、「水流量」が同一となっている。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B203で「通常起動ATR1」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(200℃≦Tr<400℃、Ts<400℃)(以下「通常起動ATR温度帯域W203」)は、「通常起動モード1」の通常起動モードPOX制御帯域B102で「通常起動POX」が実行される通常起動POX温度帯域W2(300℃≦Tr(t)<600℃、Ts<250℃)と一部重複する温度帯域となっているが、「通常起動モード2」の通常起動モードATR制御帯域B103で「通常起動ATR1」が実行される通常起動ATR温度帯域W103(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)とはスタック温度Tsのみが一部重複している。
つぎに、図9(B)及び図12のS107に示す「再起動モード2」の「通常起動ATR1」という運転状態は、「通常起動モード2」の「通常起動ATR1」とは異なるATRを実行する制御帯域(以下「再起動モードATR制御帯域B203」)で再起動を制御している。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B203で「通常起動ATR1」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「通常起動ATR温度帯域W203」)は、「通常起動モード2」の通常起動モードPOX制御帯域B102で「通常起動POX」が実行される通常起動POX温度帯域W102(300℃≦Tr(t)<600℃、Ts<250℃)と一部重複する温度帯域(200℃≦Tr(t)<400℃、Ts<400℃)となっているが、「通常起動モード2」の通常起動モードATR制御帯域B103で「通常起動ATR1」が実行される通常起動ATR温度帯域W103(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<400℃)とはスタック温度Tsのみが重複した温度帯域となっている。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B203で「通常起動ATR1」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「通常起動ATR温度帯域W203」)は、「通常起動モード2」の通常起動モードPOX制御帯域B102で「通常起動POX」が実行される通常起動POX温度帯域W102(300℃≦Tr(t)<600℃、Ts<250℃)と一部重複する温度帯域(200℃≦Tr(t)<400℃、Ts<400℃)となっているが、「通常起動モード2」の通常起動モードATR制御帯域B103で「通常起動ATR1」が実行される通常起動ATR温度帯域W103(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<400℃)とはスタック温度Tsのみが重複した温度帯域となっている。
つぎに、図9(B)及び図12のS109に示す「再起動モード2」の「通常起動ATR2」という運転状態は、「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」及び「再起動モード2」の「通常起動ATR1」とは異なるATRを実行する制御帯域(以下「再起動モードATR制御帯域B204」)で再起動を制御している。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B204で「通常起動ATR2」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(400℃≦Tr(t)<600℃、400℃≦Ts<500℃)(以下「通常起動ATR温度帯域W204」)は、「通常起動モード2」の通常起動モードATR2制御帯域B104で「通常起動ATR2」が実行される通常起動ATR2温度帯域W104(600℃≦Tr(t)<650℃、400℃≦Ts<600℃)とスタック温度Tsのみが一部重複する温度帯域となっている。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードATR制御帯域B204で「通常起動ATR2」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(400℃≦Tr(t)<600℃、400℃≦Ts<500℃)(以下「通常起動ATR温度帯域W204」)は、「通常起動モード2」の通常起動モードATR2制御帯域B104で「通常起動ATR2」が実行される通常起動ATR2温度帯域W104(600℃≦Tr(t)<650℃、400℃≦Ts<600℃)とスタック温度Tsのみが一部重複する温度帯域となっている。
つぎに、図9(B)及び図12のS113に示す「再起動モード2」の「再起動SR」という運転状態は、「通常起動モード2」の「通常起動SR」とは異なるSRを実行する制御帯域(以下「再起動モードSR制御帯域B205a」)で再起動を制御している。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205aで「再起動SR」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)(以下「再起動SR温度帯域W205a」)は、「通常起動モード2」の通常起動モードATR2制御帯域B104で「通常起動ATR2」が実行される通常起動ATR温度帯域W104(600℃≦Tr(t)<650℃、400℃≦Ts<600℃)と一部重複する温度帯域となっている。
より具体的に説明すると、「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205aで「再起動SR」が実行される改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)(以下「再起動SR温度帯域W205a」)は、「通常起動モード2」の通常起動モードATR2制御帯域B104で「通常起動ATR2」が実行される通常起動ATR温度帯域W104(600℃≦Tr(t)<650℃、400℃≦Ts<600℃)と一部重複する温度帯域となっている。
しかしながら、「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205aにおいては、特に、「再起動モード2」の「再起動SR」が実行される再起動ATR温度帯域W205a(600℃≦Tr(t)<650℃、500℃≦Ts<600℃)について「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」が実行される通常起動ATR2温度帯域W104(600℃≦Tr(t)<650℃、250℃≦Ts<600℃)と一部重複している部分があるにもかかわらず、「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」は実行されない。
また、「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205aにおいては、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温した時点で、「再起動モード2」による「通常起動SR」の実行に移行されるようになっている(図12のS112及びS111参照)。
また、「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205aにおいては、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温した時点で、「再起動モード2」による「通常起動SR」の実行に移行されるようになっている(図12のS112及びS111参照)。
さらに、図9(B)に示すように、「再起動モード2」の「再起動SR」の運転状態における「燃料流量」は3.5[L/min]であり、「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」の運転状態における「燃料流量」(4.0[L/min])よりは少なく、「通常起動モード2」の「通常起動SR」の運転状態における「燃料流量」(3.0[L/min])よりは多くなっている。
また、図9(B)に示すように、「再起動モード2」の「再起動SR」の運転状態における「水流量」は6.0[cc/min]であり、「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」の運転状態における「水流量」(3.0[cc/min])よりは多く、「通常起動モード2」の「通常起動SR」の運転状態における「水流量」(8.0[cc/min])よりは少なくなっている。
つぎに、図9(B)及び図12のS111に示す「再起動モード2」の「通常起動SR」という運転状態は、改質器温度Tr及びスタック温度Tsの温度帯域(以下「通常起動SR温度帯域W205b」)が「通常起動モード2」の通常起動SR温度帯域W105(650℃≦Tr(t)、600℃≦Ts)と同一となっており、「通常起動モード2」の「通常起動SR」と同一のSRを実行する制御帯域(以下「再起動モードSR制御帯域B205b」)で再起動を制御している。
ちなみに、「再起動モード2」の「再起動SR」が実行される再起動モードSR制御帯域B205aにおいて、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温した後に「通常起動SR」に移行されてから「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205bにおいて「通常起動SR」が実行されるまでの昇温後の「再起動SR」について着目すると、「再起動モード2」の昇温後の「再起動SR」から「通常起動SR」までの実行については、「通常起動モード2」の「通常起動SR」が実行される通常起動モードSR制御帯域B205において予め定められた「通常起動モード2」の「通常起動SR」の「燃料流量」及び「水流量」を一定量に維持して「通常起動SR」を実行しているものといえる。
さらに、「再起動モード2」の「通常起動ATR2」から「再起動SR」に移行するときの時間t205aについても、「通常起動モード2」の「通常起動ATR2」から「通常起動SR」に移行するときの時間t105よりも少ない時間となっており、再起動による起動時間が通常起動による起動時間に比べて短くなっている。
上述した本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第2例による再起動制御によれば、「再起動モード2」の再起動モードSR制御帯域B205aにおいて、「通常起動モード2」の「通常起動SR」よりは「燃料流量」が多く且つ「水流量」が少ない「再起動モード2」の「再起動SR」が実行され、スタック温度Tsが500℃以上600℃未満の範囲内で50℃昇温した時点で「通常起動SR」に移行され、積極的なSRが実行されるため、改質器20の温度の急低下を抑えつつ、安定した昇温を図ることができる。
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローの第2例による再起動制御によれば、「再起動モード2」の昇温後の「再起動SR」から「通常起動SR」までの実行については、「通常起動モード2」の「通常起動SR」が実行される通常起動モードSR制御帯域B205において予め定められた「通常起動モード2」の「通常起動SR」の「燃料流量」及び「水流量」を一定量に維持して「通常起動SR」が実行されるため、SR運転には温度が低い不安定な温度帯域中であっても、改質状態を変化させる要因を防止するようにしたことで「再起動モード2」の昇温後の「再起動SR」から「通常起動SR」までの移行が安定し、改質器20及び燃料電池セルスタック14の温度回復を迅速で安定的に行うことができる。
つぎに、本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を説明する。
図14は本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す正面断面図であり、図15は図14のXV-XV線に沿った断面図であり、図16は本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールにおけるマニホールド部分を斜め上方から見た斜視図である。
ここで、図14~図16において、上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の部分と同一の部分については同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
図14は本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す正面断面図であり、図15は図14のXV-XV線に沿った断面図であり、図16は本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールにおけるマニホールド部分を斜め上方から見た斜視図である。
ここで、図14~図16において、上述した本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の部分と同一の部分については同一の符号を付し、それらの説明は省略する。
図14~図16に示すように、燃料電池モジュール200のハウジング202内には、改質器20の下方に配置された燃料電池セル集合体12の下部を支持するセル集合体支持ユニット204が設けられている。
このセル集合体支持ユニット204は、支持部材204aと仕切り板204bを備えている。
支持部材204aは、燃料電池モジュール200の基部であるベース部材206に固定され、仕切り板204bの長手方向の両側端部(図14の仕切り板204bの左側端部及び右側端部)をベース部材206から上方に所定間隔を置いて支持している。
このセル集合体支持ユニット204は、支持部材204aと仕切り板204bを備えている。
支持部材204aは、燃料電池モジュール200の基部であるベース部材206に固定され、仕切り板204bの長手方向の両側端部(図14の仕切り板204bの左側端部及び右側端部)をベース部材206から上方に所定間隔を置いて支持している。
また、セル集合体支持ユニット204は、ベース部材206との間に排気ガス室204cを形成している。
さらに、図15に示すように、ハウジング202の長手方向に沿った面である前面202aと後面202bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路208が形成され、この排気ガス通路208の下端側は、排気ガス室204cと連通している。
また、排気ガス室204cの下面には、排気ガス排出管210が接続され、この排気ガス排出管210の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
さらに、図15に示すように、ハウジング202の長手方向に沿った面である前面202aと後面202bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路208が形成され、この排気ガス通路208の下端側は、排気ガス室204cと連通している。
また、排気ガス室204cの下面には、排気ガス排出管210が接続され、この排気ガス排出管210の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
さらに、排気ガス室204c内には、改質器20に純水を導入するための純水導入管212と、改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管214と、発電室10に余熱された空気を導入する空気導入管216と、これら純水導入管212と被改質ガス導入管214のそれぞれの下流端側が接続される混合室218が配置されている。
この混合室218内においては、純水導入管212から供給された水蒸気(純水)と被改質ガス導入管214から供給された改質される燃料ガスと改質用空気が混合されるようになっている。
また、これら純水導入管212と被改質ガス導入管214については、燃料電池モジュール200のベース部材206の下方側から排気ガス室204c内まで上方に延びた後、排気ガス室204c内で水平方向に延びて混合室218に接続されており、純水導入管212と被改質ガス導入管214を排気ガス室204c内に経由させることにより、排気ガス室204c内の排気ガスの熱を利用して改質器20に供給される前の水蒸気(純水)や改質用空気が保温され、温度低下を抑制することができるようになっている。
この混合室218内においては、純水導入管212から供給された水蒸気(純水)と被改質ガス導入管214から供給された改質される燃料ガスと改質用空気が混合されるようになっている。
また、これら純水導入管212と被改質ガス導入管214については、燃料電池モジュール200のベース部材206の下方側から排気ガス室204c内まで上方に延びた後、排気ガス室204c内で水平方向に延びて混合室218に接続されており、純水導入管212と被改質ガス導入管214を排気ガス室204c内に経由させることにより、排気ガス室204c内の排気ガスの熱を利用して改質器20に供給される前の水蒸気(純水)や改質用空気が保温され、温度低下を抑制することができるようになっている。
また、混合室218と改質器20の上流端側との間には、配管220が上下方向に延びるように接続されており、混合室218内で水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、配管220を経て改質器20内へ送られ、改質器20内に充填された改質触媒により改質されるようになっている。
さらに、配管220は、排気ガス通路208を形成するハウジング202の対向する一対の前面202a及び後面202bとは異なる側面202c(図14のハウジング202の左側側面)に隣接して配置されており、配管220内の水蒸気(純水)が保温されることにより、改質器20に供給される前の水蒸気(純水)や改質用空気の温度低下を抑制することができるようになっている。
さらに、配管220は、排気ガス通路208を形成するハウジング202の対向する一対の前面202a及び後面202bとは異なる側面202c(図14のハウジング202の左側側面)に隣接して配置されており、配管220内の水蒸気(純水)が保温されることにより、改質器20に供給される前の水蒸気(純水)や改質用空気の温度低下を抑制することができるようになっている。
また、改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。
上述した本発明の他の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、再起動時に純水導入管212から配管220を経て改質器20に供給される水蒸気(純水)の温度について、排気ガス室204c内の排気ガスの熱を利用して高く維持することができるため、再起動時のATRにおける水蒸気(純水)の供給に伴う燃料電池セル84や改質器20の温度低下を抑制することができる。
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、配管220をハウジング202に対して排気ガス通路208と分離させたためハウジング202からの熱交換を他の側面202cでは水のみとできるため、再起動時に配管220から改質器20に供給される水の温度を高く維持することができる。
1 固体電解質型燃料電池
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
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
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
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
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
150 外気温度センサ
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
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
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
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
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
150 外気温度センサ
Claims (12)
- 燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型燃料電池であって、
固体電解質型の燃料電池モジュール内に配置された固体電解質型の燃料電池セルと、
燃料ガスを改質して上記燃料電池セルに供給する改質器であって、所定の温度帯域に応じて燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料ガスを部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、燃料ガスと水蒸気を化学反応させることにより燃料ガスを水蒸気改質する改質反応であるSR、及び、上記POXと上記SRとを併用させることにより燃料ガスをオートサーマル改質する改質反応であるATRのいずれかの改質反応によって燃料ガスを水素に改質する上記改質器と、
上記改質器による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出器と、
上記燃料電池モジュールの運転を制御する制御装置と、を有し、
上記制御装置は、上記燃料電池モジュールの運転の起動を制御する起動制御装置と、上記燃料電池モジュールの運転の停止を制御する停止制御装置と、を備え、
上記起動制御装置は、燃料ガスを着火して燃焼させた後、上記改質器温度検出器が検出した上記改質状態温度が上記POXが開始するPOX開始温度よりも低い場合には、燃料ガスの燃焼熱によって上記改質器を昇温させる燃焼運転を実行し、
上記改質状態温度が上記POX開始温度以上であり且つ上記水蒸気改質が可能な温度未満のPOX温度帯域内にある場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のPOXを実行し、
上記改質状態温度が上記水蒸気改質が可能な温度以上であり且つ所定の定常温度未満のATR温度帯域内にある場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のATRを実行し、
上記改質状態温度が上記所定の定常温度以上である場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のSRを実行し、
上記起動制御装置は、更に、上記燃料電池モジュールが高温状態からの停止に伴って上記停止制御装置による停止処理が実行され、上記ATR温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、上記改質状態温度が少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域では上記通常起動時のATRをスキップしてSRによって再起動制御を実行することを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 上記再起動制御は、上記改質状態温度が上記通常起動時のATR温度帯域内の所定温度未満である場合にはATRによる再起動を実行し、上記ATR温度帯域内の所定温度以上である場合には、上記SRによる再起動を実行する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記再起動制御は、少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域において通常起動時のATRの代わりにSRによる再起動を実行し、この再起動制御で行われるSRは、通常起動時のSRとは異なるように構成されている請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記再起動制御は、少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域において通常起動時のATRの代わりにSRによる再起動を実行し、この再起動制御で行われるSRは、通常起動時のSRとは異なるように構成されている請求項2記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記再起動制御で行われるSRは、上記通常起動時のSRよりも燃料ガスの供給量を多くするように構成されている請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記再起動制御で行われるSRは、上記通常起動時のSRより水の供給量を少なくするように構成されている請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記再起動制御で行われるSRは、上記改質状態温度が予め決定された所定温度以上上昇した時点で通常起動時のSRに変更される請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記再起動制御は、予め決定された燃料ガスの供給量及び水の供給量を変更させることなく一定量を維持してSRによる再起動を実行する請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
- 更に、純水を生成して上記改質器に供給する水供給装置を有し、この水供給装置は、上記改質器に水を導入する水配管と、この水配管を保温する保温装置と、を備えている請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 更に、複数の燃料電池セルを備えたセル集合体の下部を支持すると共に燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼によって生成された排気ガスが排出される排気ガス室を形成するセル集合体支持装置を有し、上記保温装置は、上記水配管を上記排気ガス室内に経由させるように配置することにより、改質器に供給される水の温度低下を抑制するように構成されている請求項9記載の固体電解質型燃料電池。
- 更に、上記セル集合体を収容するハウジング部材を備え、このハウジング部材を形成する対向する一対の側面には上記排気ガス室に連通する排気ガス通路が配置され、他の側面には、上記水配管の通路が配置されている請求項9記載の固体電解質型燃料電池。
- 燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型燃料電池であって、
固体電解質型の燃料電池モジュール内に配置された固体電解質型の燃料電池セルと、
燃料ガスを改質して上記燃料電池セルに供給する改質手段であって、所定の温度帯域に応じて燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料ガスを部分酸化改質する改質反応であるPOX、及び、燃料ガスと水蒸気を化学反応させることにより燃料ガスを水蒸気改質する改質反応であるSR、及び、上記POXと上記SRとを併用させることにより燃料ガスをオートサーマル改質する改質反応であるATRのいずれかの改質反応によって燃料ガスを水素に改質する上記改質手段と、
上記改質手段による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出手段と、
上記燃料電池モジュールの運転を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの運転の起動を制御する起動制御手段と、上記燃料電池モジュールの運転の停止を制御する停止制御手段と、を備え、
上記起動制御手段は、燃料ガスを着火して燃焼させた後、上記改質状態温度検出手段が検出した上記改質状態温度が上記POXが開始するPOX開始温度よりも低い場合には、燃料ガスの燃焼熱によって上記改質手段を昇温させる燃焼運転を実行し、
上記改質状態温度が上記POX開始温度以上であり且つ上記水蒸気改質が可能な温度未満のPOX温度帯域内にある場合には、上記改質手段を昇温させるために通常起動時のPOXを実行し、
上記改質状態温度が上記水蒸気改質が可能な温度以上であり且つ所定の定常温度未満のATR温度帯域内にある場合には、上記改質手段を昇温させるために通常起動時のATRを実行し、
上記改質状態温度が上記所定の定常温度以上である場合には、上記改質手段を昇温させるために通常起動時のSRを実行し、
上記起動制御手段は、更に、上記燃料電池モジュールが高温状態からの停止に伴って上記停止制御手段による停止処理が実行され、上記ATR温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、上記改質状態温度が少なくとも上記ATR温度帯域内の高温領域では上記通常起動時のATRをスキップしてSRによって再起動制御を実行することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
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