DE102016123106A1

DE102016123106A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102016123106A1
Application number: DE102016123106.1A
Authority: DE
Inventors: Nobuaki OHGURI; Kuniyuki Takahashi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2017-07-06
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: DE102016123106B4; JP6090419B1; JP2017117564A; US20170179508A1

Abstract

Eine Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1) umfasst eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10), welche konfiguriert ist, den Brennstoff und die Luft zu vermischen, eine Mischung aus dem Brennstoff und der Luft unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen, um Verbrennungsgas zu erhalten, und einer Luftelektrode (3b) das Verbrennungsgas zuzuführen, um eine Temperatur eines Brennstoffzellenstapels (3) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) zu erhöhen. Die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) umfasst einen Verbrennungszylinder (13), durch welchen das Verbrennungsgas passiert, einen Kühlzylinder (14), welcher konfiguriert ist, eine äußere Peripherie des Verbrennungszylinders (13) abzudecken, und eine Umgehungsluftleitung (L12), welche konfiguriert ist, einen Teil der Luft einem Luftbereich (E1) zuzuführen, welcher zwischen dem Verbrennungszylinder (13) und dem Kühlzylinder (14) ausgebildet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine einfache Temperatureinstellung des Verbrennungsgases ermöglicht, wenn die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels für kurze Zeit unter Verwendung eines Brenners beim Einschalten der Vorrichtung erhöht wird.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Die Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp, wie beispielsweise einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle, beträgt ungefähr 600°C bis 1.000°C. Folglich wird die Temperatur der Brennstoffzelle vom Hochtemperaturtyp auf eine Raumtemperatur vermindert, wenn der Betrieb einmal gestoppt wurde, und die Brennstoffzelle muss erneut auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden, wenn der Betrieb erneut gestartet wird. In diesem Fall wird Zeit benötigt, um die Brennstoffzelle auf einen Hochtemperaturzustand aufzuheizen, und folglich wird Zeit benötigt, um die Brennstoffzelle zu starten.
Aus diesem Grund ist in der japanischen Offenlegungspatentanmeldung Nr. 2005-317232 ein Inbetriebnahmebrenner in einem Luftzufuhrrohr angeordnet, so dass Brennstoffgas aus einem Brennstoffgas-Zufuhrrohr für einen Brenner zugeführt und verbrannt wird, um Luft aufzuheizen, welche das Luftzufuhrrohr passiert, wobei die Zeit zur Inbetriebnahme reduziert wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Wenn jedoch die Temperatur des Brennstoffzellenstapels von einer Raumtemperatur auf eine hohe Temperatur von ungefähr 600 bis 1.000°C unter Verwendung eines Brenners erhöht wird, ist die Einstellung der Verbrennung von Brennstoff und Luft schwierig, und ein dynamischer Bereich, welcher eine stabile Verbrennungstemperatureinstellung ermöglicht, ist klein. Die Verbrennungsgastemperatur wird auf der Grundlage eines Verhältnisses (Luftverhältnis) zwischen einer Brennstoffmenge und einer Luftmenge bestimmt. Wenn beispielsweise die Temperatur des Verbrennungsgases auf 300 bis 650°C geregelt wird und auf 300°C vermindert wird, wird das Luftverhältnis groß, was eine Verbrennbarkeit unter Verwendung eines Brenners verschlechtert und eine große Menge unverbranntes Gas und Kohlenmonoxid bewirkt. Mit der Verwendung eines Brenners wird die Verbrennungstemperatur scharf erhöht. Wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Verbrennungsgas scharf erhöht wird, tritt in dem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Verzögerung einer Temperaturerhöhung aufweist, leicht Kondensation auf.
Im Hinblick auf die oben stehenden Aufgaben zielt die vorliegende Erfindung auf ein Bereitstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche eine einfache Temperatureinstellung des Verbrennungsgases ermöglicht, wenn die Temperatur eines Brennstoffzellenstapels für kurze Zeit unter Verwendung eines Brenners beim Einschalten der Vorrichtung erhöht wird.
Zum Lösen des oben stehend beschriebenen Problems und zum Erzielen der oben stehend beschriebenen Aufgabe umfasst eine Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Folgendes: einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Brennstoffelektrode, an welche Brennstoff geliefert wird, und eine Luftelektrode aufweist, an welche Luft geliefert wird; eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung, welche konfiguriert ist, den Brennstoff und die Luft zu vermischen, eine Mischung aus dem Brennstoff und der Luft unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen, um Verbrennungsgas zu erhalten, und das Verbrennungsgas der Luftelektrode zuzuführen, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung zu erhöhen. Die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung umfasst Folgendes: einen Verbrennungszylinder, durch welchen das Verbrennungsgas passiert; einen Kühlzylinder, welcher konfiguriert ist, eine äußere Peripherie des Verbrennungszylinders abzudecken; und eine Umgehungsluftleitung, welche konfiguriert ist, einen Teil der Luft einem Luftbereich zuzuführen, welcher zwischen dem Verbrennungszylinder und dem Kühlzylinder ausgebildet ist, um so den Verbrennungszylinder zu kühlen. Die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung ist konfiguriert, der Luftelektrode zuzuführen durch Mischen des Verbrennungsgases, welches in dem Verbrennungszylinder verbrannt wurde und den Verbrennungszylinder passiert hat, mit der Luft, welche dem Luftbereich zugeführt wird.
Die oben stehend beschriebenen und andere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Signifikanz dieser Erfindung wird durch Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung besser verstanden, wenn sie im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, welches eine gesamte Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert;
2 ist ein Diagramm, welches eine ausführliche Konfiguration einer Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung illustriert;
3 ist eine Ausschnittsansicht, welche eine Modifizierung der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung illustriert;
4 ist eine Ausschnittsansicht entlang einer Linie A-A, welche in 3 illustriert ist;
5 ist ein Ablaufdiagramm, welches die Verfahrensweise der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung durch eine Steuervorrichtung illustriert;
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches die ausführliche Verarbeitungsverfahrensweise der Verarbeitung der Temperaturerhöhung durch die in 5 illustrierte Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung illustriert;
7 ist ein Diagramm, welches einen Verarbeitungsablauf gemäß einem ersten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert;
8 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Oberflächentemperatur, einer gesättigten Luftfeuchtemenge, maximaler Feuchtemenge der Außenluftzufuhr, möglicher Feuchtemenge des Verbrennungsgases und einer Solltemperatur des Verbrennungsgases gemäß dem ersten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert;
9 ist ein Diagramm, welches einen Verarbeitungsablauf gemäß einem zweiten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert;
10 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Oberflächentemperatur, einer gesättigten Luftfeuchtemenge eines Brennstoffzellenstapels, einer gesättigten Luftfeuchtemenge der Außenluft, möglicher Feuchtemenge des Verbrennungsgases und einer Solltemperatur des Verbrennungsgases gemäß dem zweiten konkreten Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung illustriert;
11 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration einer ersten Modifizierung der Brennstoffzellenvorrichtung illustriert, bei welcher eine Position einer Heizung in 1 verändert ist.
12 ist ein Blockdiagramm, welches eine Konfiguration einer zweiten Modifizierung der Brennstoffzellenvorrichtung illustriert, bei welcher eine Position einer Heizung in 1 verändert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Folgende beschreibt eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
(Gesamte Konfiguration)
1 ist ein Blockdiagramm, welches die gesamte Konfiguration einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst ein Brennstoffzellenmodul 2. Das Brennstoffzellenmodul 2 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 3, welcher in einem wärmeisolierenden Gehäuse bereitgestellt ist. Der Brennstoffzellenstapel 3 ist ein Zellenstapel mit mehreren Stromerzeugungszellen, welche Strom durch Reaktion des Brennstoffs, welcher aus einer Brennstoffversorgungsleitung L25 zugeführt wird, mit Luft erzeugt, welche aus einer Luftversorgungsleitung L34 zugeführt wird.
Der Brennstoffzellenstapel 3 kann eine bekannte Konfiguration aufweisen, wie beispielsweise eine Konfiguration, bei welcher mehrere zylindrische Stromerzeugungszellen zusammengefasst sind, oder eine Konfiguration, bei welcher beispielsweise mehrere rechteckige plattenförmige Stromerzeugungszellen gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel 3 der Ausführungsform verwendet eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC), in welcher ionenleitende Keramiken als ein Elektrolyt zwischen einer Brennstoffelektrode (Anode) 3a und einer Luftelektrode (Kathode) 3b zwischengeschaltet sind.
Schwefel-Komponenten im rohen Brennstoff (z. B. Methan-Gas, Stadtgas usw.) aus einer Brennstoffversorgungsleitung L21 werden durch eine Entschwefelungsvorrichtung 22 entfernt, welche durch ein Brennstoffgebläse 21 und eine Brennstoffversorgungsleitung L22 verbunden ist. Weiterhin wird der Brennstoff, aus welchem die Schwefel-Komponenten entfernt wurden, durch einen Reformer 23, welcher durch eine Brennstoffversorgungsleitung L23, ein Ventil V1 und eine Brennstoffversorgungsleitung L24 verbunden ist, zu reformiertem Brennstoff reformiert, welcher Wasserstoff enthält, und der reformierte Brennstoff wird über eine Brennstoffversorgungsleitung L25 der Anode 3a zugeführt. Ein Reformierungswasserverdampfer 24 verdampft Wasser, welches über eine Versorgungsleitung L26 zugeführt wird, und führt dem Reformer 23 das verdampfte Wasser über eine Versorgungsleitung L27 zu. Der Reformer 23 erzeugt reformierten Brennstoff, bei welchem roher Brennstoff mit Dampf reformiert wurde. Es ist zu beachten, dass, wenn der Zellenstapel die Funktion des Reformers 23 aufweist, der Reformer 23 weggelassen werden kann.
Inzwischen wird der Kathode 3b Luft aus einer Luftversorgungsleitung L31 durch ein Luftgebläse 31, eine Luftversorgungsleitung L32, eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10, eine Luftversorgungsleitung L33, eine Heizung 32 und eine Luftversorgungsleitung L34 zugeführt, welche ein Ventil V3 aufweist. Der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 wird Brennstoff durch eine Brennstoffversorgungsleitung L11 zugeführt, welche von der Brennstoffversorgungsleitung L23 und einem Ventil V2 abzweigt. Das Ventil V2, welches als eine Brennstoffsteuervorrichtung für den Brenner dient, wird nur bei einer Inbetriebnahme geöffnet, so dass der Brennstoff und Luft, welche aus der Luftversorgungsleitung L32 geliefert wird, vermischt und unter Verwendung eines Brenners verbrannt werden. Dann wird das Verbrennungsgas in die Luftversorgungsleitung L33 gezogen. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 erhöht sich durch das Zuführen des Verbrennungsgases an die Kathode 3b. Es ist zu beachten, dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 mit den Luftversorgungsleitungen L32, L33 verbunden ist, und wenn ein Brenner im Normalbetrieb nicht brennt, wird Luft, welche aus der Luftversorgungsleitung L32 zugeführt wird, so wie sie ist in die Luftversorgungsleitung L33 gezogen. Bei der Ausführungsform dient das Luftgebläse 31 als ein Luftverstärkungsgebläse, welches dem Brennstoffzellenstapel 3 Luft oder Verbrennungsgas zuführt, und als ein Luftverstärkungsgebläse, welches der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 Luft zuführt. Dies kann das System vereinfachen und die Vorrichtung verkleinern.
Die Heizung 32 erhöht eine Temperatur der Luft, welche aus der Luftversorgungsleitung L33 zugeführt wird. Die Heizung 32 wird bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung und im Normalbetrieb verwendet.
Luftabgas, welches aus der Kathode 3b abgezogen wird, wird durch eine Luftvorheizung 33 einem Wärmeaustausch unterzogen und dann über eine Abgasleitung L41 einer Brennkammer 41 zugeführt. Inzwischen wird Brennstoffabgas, welches aus der Anode 3a abgezogen wird, über eine Abgasleitung L42, welche mit der Abgasleitung L41 verbunden ist, der Brennkammer 41 zugeführt. Es ist zu beachten, dass die Brennstoff-Reformierreaktion durch den Reformer 23 eine endotherme Reaktion ist, und folglich kann beispielsweise ein Wärmetauscher an der dem Reformer 23 vorhergehenden Stufe bereitgestellt werden, um Brennstoff unter Verwendung des Brennstoffabgases vorzuheizen. Die Luftvorheizung 33 weist eine Luftversorgungsleitung L35 auf, welche die Luftvorheizung 33 passiert, um im Normalbetrieb Luft vorzuheizen. Wenn die Luftversorgungsleitung L35 verwendet wird, ist das Ventil V3 geschlossen und ein Ventil V4 ist offen. Es ist zu beachten, dass die Ventile V3, V4 als Schalteinheiten fungieren, welche eine Versorgung der Luftelektrode 3b mit Luft oder Verbrennungsgas schalten.
Die Brennkammer 41 verbrennt das zugeführte Brennstoffabgas und Luftabgas mit einem Katalysator. Das Verbrennungsgas wird durch eine Abgasleitung L43, einen Wärmetauscher 42 und eine Abgasleitung L44 an die Atmosphäre abgegeben. Der Wärmetauscher 42 ist ein Wärmetauscher zur Abgaswärmerückgewinnung und erzeugt mit einer daran verbundenem Abgaswärme-Rückgewinnungsleitung L45 warmes Wasser.
(Ausführliche Konfiguration der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung)
2 ist ein Diagramm, welches eine ausführliche Konfiguration der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 illustriert; Wie in 2 illustriert, umfasst die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 eine Mischeinheit 11, eine Brennereinheit 12, einen Verbrennungszylinder 13, einen Kühlzylinder 14 und eine Umgehungsluftleitung L12. Die Mischeinheit 11 mischt Brennstoff, welcher aus der Brennstoffversorgungsleitung L11 zugeführt wird, und Luft, welche aus der Luftversorgungsleitung L32 zugeführt wird. Die Brennereinheit 12 beginnt, das vermischte Gas, welches aus der Mischeinheit 11 einströmt, unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen. Der Verbrennungszylinder 13 verbrennt das vermischte Gas in dem Zylinder als einen Verbrennungsbereich. Die Umgehungsluftleitung L12 führt Luft, welche aus der Luftversorgungsleitung L32 abgezweigt wird, einer Basisendseite (Seite der Brennereinheit 12) des Kühlzylinders 14 zu. Der Kühlzylinder 14 bedeckt die äußere Peripherie des Verbrennungszylinders 13. Zwischen dem Kühlzylinder 14 und dem Verbrennungszylinder 13 ist ein Luftbereich E1 ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Verbrennungszylinder 13 und der Kühlzylinder 14 eine Doppelrohrstruktur ausbilden. Das Verbrennungsgas, welches in dem Verbrennungszylinder 13 verbrannt wurde und den Verbrennungszylinder 13 passiert hat, wird mit Luft vermischt, welche dem Luftbereich E1 zugeführt wird, und wird der Luftelektrode 3b des Brennstoffzellenstapels 3 zugeführt.
Dem Luftbereich E1 wird über die Umgehungsluftleitung L12 Luft zugeführt. Folglich ist es möglich, eine Verbrennungstemperatur in dem Verbrennungszylinder 13 abzukühlen und eine Umgebungstemperatur des Kühlzylinders 14 gering zu halten. Mit dem Verbrennungszylinder 13, welcher aus Lochmetall ausgebildet ist, werden Verbrennungsgas und Luft in dem Luftbereich E1 durch mehrere Löcher in dem Verbrennungszylinder 13 ohne jeden Einfluss auf den Verbrennungszustand vermischt, wobei das Verbrennungsgas weiter abgekühlt wird. Wenn die Temperatur des Verbrennungsgases auf 300 bis 650°C geregelt wird und beispielsweise auf 300°C vermindert wird, kann sie deshalb vermindert werden, ohne ein Luftverhältnis an der Verbrennungseinheit zu erhöhen. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die Verbrennungsgastemperatur zu senken, während unter Verwendung eines Brenners eine Verbrennbarkeit stabilisiert wird. Im Ergebnis kann die Verbrennungsgastemperatur in einem großen dynamischen Bereich stabil eingestellt werden.
Es ist zu beachten, dass ein Loch 15 an der Umgehungsluftleitung L12 bereitgestellt ist, so dass Luft mit einem vorgegebenen Strömungsverhältnis an die Umgehungsluftleitung L12 und an die Luftversorgungsleitung L32 verzweigt wird. Das Loch 15 ist bereitgestellt, um ein Luftströmungsverhältnis einzustellen, weil sie eine vereinfachte Struktur ermöglicht. Eine Öffnung des Lochs 15 wird auf der Grundlage eines Ergebnisses einer vorläufigen Einstellung der Verbrennungsgastemperatur bestimmt. Folglich kann ein variables Strömungsventil an Stelle des Lochs 15 bereitgestellt werden.
Wie in 3 und 4 illustriert, kann ein Spiraldurchgang LL in dem Luftbereich E1 ausgebildet sein, um eine Kontaktfläche der Luft, welche in den Luftbereich E1 strömt, mit dem Verbrennungszylinder 13 auszudehnen und die Kühlwirkung zu verbessern.
Es ist zu beachten, dass, wie in 1 und 2 illustriert, eine Steuervorrichtung C eine Oberflächentemperatureingabe von einem Oberflächentemperaturdetektor T1, welcher eine Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels 3 detektiert, eine Verbrennungstemperatureingabe von einem Verbrennungstemperaturdetektor T2, welcher eine Verbrennungstemperatur in dem Verbrennungszylinder 13 detektiert, eine Lufttemperatureingabe von einem Lufttemperaturdetektor T3, welcher eine Lufttemperatur des Luftbereichs E1 detektiert, und eine Verbrennungsgastemperatureingabe von einem Verbrennungsgastemperaturdetektor T4 erhält, welcher in dem Ausgang des Kühlzylinders 14 angeordnet ist, um eine Verbrennungsgastemperatur zu detektieren. Die Steuervorrichtung C regelt eine Luftmengenzufuhr durch das Luftgebläse 31 auf der Grundlage einer Oberflächentemperatur, einer Verbrennungstemperatur, einer Lufttemperatur und einer Verbrennungsgastemperatur. Die Steuervorrichtung C kann eine Brennstoffmengenzufuhr durch das Brennstoffgebläse 21 regeln oder sowohl eine Luftmengenzufuhr als auch eine Brennstoffmengenzufuhr regeln. Mit der Regelung einer Luftmengenzufuhr durch das Luftgebläse 31 wird die Struktur einfacher. Ferner wird die Luftmengenzufuhr größer und wenn folglich eine Luftmengenzufuhr geregelt wird, kann die Temperatur fein eingestellt werden. Es ist zu beachten, dass die Steuervorrichtung C eine Lufttemperaturerhöhung durch die Heizung 32 auf der Grundlage einer Oberflächentemperatur regelt. Weiterhin regelt die Steuervorrichtung C das Öffnen und Schließen der Ventile V1 bis V4. Die Steuervorrichtung C schließt alle Ventile V1 bis V4, wenn ein Betrieb der Vorrichtung gestoppt wird. Die Steuervorrichtung C schließt die Ventile V1, V4 und öffnet die Ventile V2, V3 bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung. Die Steuervorrichtung C öffnet die Ventile V1, V4 und schließt die Ventile V2, V3 beim Normalbetrieb.
(Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung)
Das Folgende beschreibt die Verfahrensweise der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung durch die Steuervorrichtung C unter Bezugnahme auf die in 5 und 6 illustrierten Ablaufdiagramme. Zuerst regelt die Steuervorrichtung C alle Ventile V1 bis V4 so, dass sie geschlossen sind, wenn der Betrieb der Vorrichtung gestoppt ist. Die Steuervorrichtung C öffnet das Ventil V3 bei Inbetriebnahme der Vorrichtung und regelt die Heizung 32, um eine Temperatur der Luft zu erhöhen, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 zu erhöhen (Schritt S101).
Danach bestimmt die Steuervorrichtung C, ob die Oberflächentemperatur, welche von dem Oberflächentemperaturdetektor T1 detektiert wird, eine vorgegebene Oberflächentemperatur erreicht hat (Schritt S102). Wenn die Oberflächentemperatur nicht die vorgegebene Oberflächentemperatur erreicht hat (Nein bei Schritt S102), geht das Verarbeiten zu Schritt S101, so dass die Heizung 32 die Temperatur weiterhin erhöht.
Wenn inzwischen die Oberflächentemperatur die vorgegebene Oberflächentemperatur erreicht hat (Ja bei Schritt S102), regelt die Steuervorrichtung C die Heizung 32 so, dass sie den Heizbetrieb stoppt, regelt sie die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10, dass sie eine Temperaturerhöhungsverarbeitung durchführt (Schritt S103) und beendet dann die Verarbeitung.
Wie in 6 illustriert, ist bei der Temperaturerhöhungsverarbeitung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 das Ventil zunächst V1 geschlossen und das Ventil V2 geöffnet (Schritt S201). Dies beginnt eine Brennstoffzufuhr über die Brennstoffversorgungsleitung L11 an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10. Dann zündet die Steuervorrichtung C einen Inbetriebnahmebrenner (Schritt S202). Weiterhin bestimmt die Steuervorrichtung C, ob der Inbetriebnahmebrenner gezündet wurde (Schritt S203). Ob der Inbetriebnahmebrenner gezündet wurde, kann beispielsweise durch Detektieren einer Verbrennungstemperatur bestimmt werden. Wenn der Inbetriebnahmebrenner nicht gezündet wurde (Nein bei Schritt S203), geht das Verarbeiten zu Schritt S202, um den Inbetriebnahmebrenner erneut zu zünden.
Wenn auf der anderen Seite der Inbetriebnahmebrenner gezündet wurde (Ja bei Schritt S203), regelt die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgastemperatur durch Regeln eines Luftstroms durch das Luftgebläse 31, so dass eine Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner ist als eine verbleibende Luftfeuchtemenge, welche ermittelt wird durch Subtrahieren einer Luftfeuchtemenge der Luft, welche der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 zugeführt werden soll, von einer gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur (Schritt S204). Dies erhöht die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 3 ohne Kondensation.
Danach bestimmt die Steuervorrichtung C, ob die Oberflächentemperatur eine Zieltemperatur, beispielsweise 600°C, erreicht hat (Schritt S205). Wenn die Oberflächentemperatur die Zieltemperatur nicht erreicht hat (Nein bei Schritt S205), geht das Verarbeiten zu Schritt S204, so dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 eine Temperaturerhöhungs-Regelverarbeitung fortsetzt.
Wenn auf der anderen Seite die Oberflächentemperatur die Zieltemperatur erreicht hat (Ja bei Schritt S205), wird das Ventil V1 geöffnet und wird das Ventil V2 geschlossen, um der Seite der Anode 3a Brennstoff zuzuführen (Schritt S206), während das Ventil V3 geschlossen wird und das Ventil V4 geöffnet wird, um der Kathode 3b Luft durch die Luftvorheizung 33 zuzuführen. Folglich geht das Verarbeiten in den Normalbetrieb. Dann kehrt das Verarbeiten zu Schritt S103 zurück.
(Erstes konkretes Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung)
Als Nächstes wird das erste konkrete Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung bei Schritt S204 unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben. Wie in 7 illustriert, ermittelt die Steuervorrichtung C zuerst eine Oberflächentemperatur D1. Es ist zu beachten, dass die Oberflächentemperatur D1 eine niedrigste Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels 3 ist. Dann berechnet die Steuervorrichtung C eine gesättigte Luftfeuchtemenge D2 entsprechend der ermittelten Oberflächentemperatur D1 auf der Grundlage einer Kurve LA, welche die gesättigte Luftfeuchtemenge relativ zu der Oberflächentemperatur angibt. Es ist zu beachten, dass die Kurve LA ein Näherungsausdruck ist und R ein Korrelationskoeffizient ist.
Dann subtrahiert die Steuervorrichtung C eine maximale Feuchtemenge der Außenluftzufuhr D3, welche in den Produktspezifikationen vorgegeben ist, von der gesättigten Luftfeuchtemenge D2 des Brennstoffzellenstapels 3, um eine verbleibende Luftfeuchtemenge D4 des Brennstoffzellenstapels 3 zu berechnen. Die maximale Feuchtemenge der Außenluftzufuhr D3 ist eine vorgegebene maximale Luftfeuchtemenge und ist beispielsweise eine Feuchtemenge von 56,5 [g/m³] bei 40°C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit.
Danach berechnet die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 auf der Grundlage einer Kurve LB, welche die Beziehung der Verbrennungsgas-Solltemperatur (Zieltemperatur) in Bezug auf die mögliche Feuchtemenge des Verbrennungsgases angibt, wobei eine Erzeugung einer Feuchtemenge der verbleibenden Luftfeuchtemenge D4 im Verbrennungsgas ermöglicht wird. Es ist zu beachten, dass die verbleibende Luftfeuchtemenge D4 und die mögliche Feuchtemenge des Verbrennungsgases den gleichen Wert aufweisen. Weiterhin ist die Kurve LB ein Näherungsausdruck, und R ist ein Korrelationskoeffizient.
Dann führt die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgas-Temperaturregelung durch, bei welcher die Verbrennungsgastemperatur so geregelt wird, dass sie niedriger ist als die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5, so dass die Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner wird als die verbleibende Luftfeuchtemenge D4. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung C eine Temperaturerhöhungsregelung des Brennstoffzellenstapels 3 durchführt, während sie eine Luftmengenzufuhr durch Regeln des Luftgebläses 31 so einstellt, dass die Verbrennungsgastemperatur niedriger wird als die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5.
Es ist zu beachten, dass, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 niedriger ist als 200°C, die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 schwierig wird. Folglich ist es, wie in 8 illustriert, bevorzugt, dass die Heizung 32 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 niedriger ist als 200°C, während es bevorzugt ist, dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 größer oder gleich 200°C ist. Genauer gesagt führt die Heizung 32 die Temperaturerhöhungsregelung mindestens durch, bis die Oberflächentemperatur D1 40°C ist.
In diesem Fall führt die Steuervorrichtung C vorzugsweise die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 durch, wenn die Oberflächentemperatur die Oberflächentemperatur D1 (vorgegebene Oberflächentemperatur bei Schritt S102) bei der Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 von 200°C erreicht.
Eine derartige Verbrennungsgas-Temperaturregelung kann Kondensation des Brennstoffzellenstapels 3 vermeiden und folglich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängern.
(Zweites konkretes Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung)
Als Nächstes wird das zweite konkrete Beispiel der Regelungsverarbeitung der Inbetriebnahmetemperaturerhöhung bei Schritt S204 unter Bezugnahme auf 9 und 10 beschrieben. Bei dem zweiten konkreten Beispiel werden ein Außenlufttemperaturdetektor und ein Außenluftfeuchtigkeitsdetektor, welche nicht illustriert sind, bereitgestellt, um eine gesättigte Luftfeuchtemenge D33 jedes Mal auf der Grundlage einer detektierten Außenlufttemperatur D31 und Außenluftfeuchtigkeit D32 an Stelle der maximalen Feuchtemenge der Außenluftzufuhr D3 zu berechnen, welche in den Produktspezifikationen vorgegeben ist.
Wie in 9 illustriert, ermittelt die Steuervorrichtung C zuerst die Oberflächentemperatur D1. Es ist zu beachten, dass die Oberflächentemperatur D1 eine niedrigste Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels 3 ist. Dann berechnet die Steuervorrichtung C die gesättigte Luftfeuchtemenge D2 entsprechend der ermittelten Oberflächentemperatur D1 auf der Grundlage der Kurve LA, welche die gesättigte Luftfeuchtemenge relativ zu der Oberflächentemperatur angibt. Es ist zu beachten, dass die Kurve LA ein Näherungsausdruck ist und R ein Korrelationskoeffizient ist.
Dann subtrahiert die Steuervorrichtung C die gesättigte Luftfeuchtemenge D33 der Luft (Außenluft), welche auf der Grundlage der Außenlufttemperatur D31 und der Außenluftfeuchtigkeit D32 berechnet wurde, von der gesättigten Luftfeuchtemenge D2 des Brennstoffzellenstapels 3, um die verbleibende Luftfeuchtemenge D4 des Brennstoffzellenstapels 3 zu berechnen. Die gesättigte Luftfeuchtemenge D33 ist beispielsweise 2,83 [g/m³], wenn die Außenlufttemperatur D31 10°C ist und die Außenluftfeuchtigkeit D32 30% relative Luftfeuchtigkeit ist.
Danach berechnet die Steuervorrichtung C die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 auf der Grundlage der Kurve LB, welche die Beziehung der Verbrennungsgas-Solltemperatur (Zieltemperatur) in Bezug auf die mögliche Feuchtemenge des Verbrennungsgases angibt, wobei eine Erzeugung einer Feuchtemenge der verbleibenden Luftfeuchtemenge D4 im Verbrennungsgas ermöglicht wird. Es ist zu beachten, dass die verbleibende Luftfeuchtemenge D4 und die möglichen Feuchtemenge des Verbrennungsgases den gleichen Wert aufweisen. Weiterhin ist die Kurve LB ein Näherungsausdruck, und R ist ein Korrelationskoeffizient.
Dann führt die Steuervorrichtung C eine Verbrennungsgas-Temperaturregelung durch, bei welcher die Verbrennungsgastemperatur so geregelt wird, dass sie niedriger ist als die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5, so dass die Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner wird als die verbleibende Luftfeuchtemenge D4. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung C eine Temperaturerhöhungsregelung des Brennstoffzellenstapels 3 durchführt, während sie eine Luftmengenzufuhr durch Regeln des Luftgebläses 31 so einstellt, dass die Verbrennungsgastemperatur niedriger wird als die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5.
Es ist zu beachten, dass, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 niedriger ist als 200°C, die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 schwierig wird. Folglich ist es, wie in 10 illustriert, bevorzugt, dass die Heizung 32 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 niedriger ist als 200°C, während es bevorzugt ist, dass die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 die Temperaturerhöhungsregelung durchführt, wenn die Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 größer oder gleich 200°C ist. Genauer gesagt führt die Heizung 32 die Temperaturerhöhungsregelung durch, wenn die Oberflächentemperatur D1 5°C ist.
In diesem Fall führt die Steuervorrichtung C vorzugsweise die Temperaturerhöhungsregelung durch die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 durch, wenn die Oberflächentemperatur die Oberflächentemperatur D1 (vorgegebene Oberflächentemperatur bei Schritt S102) bei der Verbrennungsgas-Solltemperatur D5 von 200°C erreicht.
Eine derartige Verbrennungsgas-Temperaturregelung kann Kondensation des Brennstoffzellenstapels 3 vermeiden und folglich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verlängern.
Bei der oben stehend beschriebenen Ausführungsform wird die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 auf der Luftversorgungsleitung bereitgestellt. Jedoch ist die Ausführungsform nicht darauf begrenzt, und die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung 10 kann auf der Brennstoffversorgungsleitung L11 bereitgestellt werden.
Bei der oben stehend beschriebenen Ausführungsform wird die Heizung 32 auf der der Luftversorgungsleitung L34 vorhergehenden Stufe bereitgestellt. Jedoch ist die Ausführungsform nicht darauf begrenzt, und die Heizung kann auf der Luftversorgungsleitung L34 bereitgestellt werden, welche die Luftvorheizung 33 passiert, wie beispielsweise eine Heizung 52, welche in 11 illustriert ist. Wenn die Heizung 52 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, ist hier das Ventil V3 geschlossen und das Ventil V4 ist offen. Weiterhin kann die Heizung (62) auf einer Umgehungsleitung L62 bereitgestellt werden, welche die Luftvorheizung 33 umgeht, wie beispielsweise eine Heizung 62, welche in 12 illustriert ist. Wenn die Heizung 62 eine Temperaturerhöhungsregelung durchführt, sind hier die Ventile V3, V4 geschlossen und ein Ventil V62 ist offen. Es ist zu beachten, dass das Ventil V62 geschlossen ist, wenn die Heizung 62 nicht verwendet wird. Es ist zu beachten, dass Verbrennungsgas anders als die Heizungen 32, 52 die Heizung 62 nicht passiert und eine Vorrichtung mit geringem Wärmewiderstand bei der Ausführungsform angewendet werden kann.
Wie oben stehend beschrieben, kann die vorliegende Erfindung eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels für kurze Zeit erhöhen, einen Temperatureinstellbereich des Verbrennungsgases ausdehnen und eine Temperatureinstellung erleichtern.
Obwohl die Erfindung hinsichtlich spezifischer Ausführungsformen für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, sind die angefügten Ansprüche nicht derartig eingeschränkt, sondern sie sind vorgesehen, alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen zu verkörpern, welche Durchschnittsfachleuten einfallen können und welche ganz in die hier dargelegte grundlegende Lehre fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-317232 [0003]

Claims

Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung (1), Folgendes umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (3), welcher eine Brennstoffelektrode (3a), welcher Brennstoff zugeführt wird, und eine Luftelektrode (3b) umfasst, welcher Luft zugeführt wird; eine Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10), welche konfiguriert ist, den Brennstoff und die Luft zu vermischen, eine Mischung aus dem Brennstoff und der Luft unter Verwendung eines Brenners zu verbrennen, um Verbrennungsgas zu erhalten, und der Luftelektrode (3b) das Verbrennungsgas zuzuführen, um eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (3) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) zu erhöhen, wobei die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) Folgendes umfasst: einen Verbrennungszylinder (13), durch welchen das Verbrennungsgas passiert; einen Kühlzylinder (14), welcher konfiguriert ist, eine äußere Peripherie des Verbrennungszylinders (13) abzudecken; und eine Umgehungsluftleitung (L12), welche konfiguriert ist, einen Teil der Luft einem Luftbereich (E1) zuzuführen, welcher zwischen dem Verbrennungszylinder (13) und dem Kühlzylinder (14) ausgebildet ist, um so den Verbrennungszylinder (13) abzukühlen, und die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) konfiguriert ist, der Luftelektrode (3b) zuzuführen durch Mischen des Verbrennungsgases, welches in dem Verbrennungszylinder (13) verbrannt wurde und den Verbrennungszylinder (13) passiert hat, mit der Luft, welche dem Luftbereich (E1) zugeführt wird.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbrennungszylinder (13) mehrere Löcher zum Mischen des Verbrennungsgases und der Luft in dem Luftbereich (E1) umfasst.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Luftbereich (E1) einen Spiraldurchgang (LL) zum Verwirbeln von Luft umfasst, welche aus der Umgehungsluftleitung (L12) um den Verbrennungszylinder (13) herum einströmt.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umgehungsluftleitung (L12) eine Öffnung (15) umfasst.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Umgehungsluftleitung (L12) ein variables Strömungsventil umfasst.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) auf einer Luftversorgungsleitung (L32, L33) bereitgestellt wird, welche konfiguriert ist, der Luftelektrode (3b) die Luft zuzuführen.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiterhin Folgendes umfassend: eine Luftvorheizung (33), welche konfiguriert ist, die Luft vorzuheizen, welche der Luftelektrode (3b) zugeführt werden soll; eine Brennerbrennstoff-Steuervorrichtung (V2), welche konfiguriert ist, der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) nur bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) den Brennstoff zuzuführen; und eine Schalteinheit (V3, V4), welche konfiguriert ist, um: zu ermöglichen, dass das Verbrennungsgas von der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) unmittelbar der Luftelektrode (3b) zugeführt wird; und zu ermöglichen, dass Luft von der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) im Normalbetrieb durch die Luftvorheizung (33) der Luftelektrode (3b) zugeführt wird.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin Folgendes umfassend: einen Oberflächentemperaturdetektor (T1), welcher konfiguriert ist, eine Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels (3) zu detektieren; eine Heizung (32), welche auf einer Luftversorgungsleitung (L33, L34) bereitgestellt ist, welche der Luftelektrode (3b) die Luft zuführt; und eine Steuervorrichtung (C), wobei die Steuervorrichtung (C) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) keine Zuführung des Brennstoffs an die Inbtriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) durchführt, wenn eine Solltemperatur des Verbrennungsgases entsprechend einer verbleibenden Luftfeuchtemenge, welche durch Subtrahieren einer vorgegebenen maximalen Feuchtemenge der Außenluftzufuhr von einer gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur ermittelt wird, kleiner oder gleich einer vorgegebenen Temperatur ist, und die Heizung (32) regelt, um eine Temperatur der Luft zu erhöhen, welche der Luftelektrode (3b) zugeführt werden soll.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuervorrichtung (C) die Heizung (32) regelt, einen Heizbetrieb zu stoppen, wenn die Oberflächentemperatur einen vorbestimmten Wert erreicht hat, und eine Zufuhr des Brennstoffs an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) startet.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin Folgendes umfassend: einen Oberflächentemperaturdetektor (T1), welcher konfiguriert ist, eine Oberflächentemperatur des Brennstoffzellenstapels (3) zu detektieren; und eine Steuervorrichtung (C), welche konfiguriert ist, eine Strömung des Verbrennungsgases auf der Grundlage der Oberflächentemperatur zu regeln, so dass eine Luftfeuchtemenge in dem Brennstoffzellenstapel (3) nicht gesättigt ist.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 10, weiterhin umfassend einen Verbrennungsgastemperaturdetektor (T4), welcher konfiguriert ist, eine Temperatur des Verbrennungsgases zu detektieren, wobei die Steuervorrichtung (C) eine Temperatur des Verbrennungsgases durch Regeln einer Strömung der Luft regelt, so dass eine Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner ist als eine verbleibende Luftfeuchtemenge, welche durch Subtrahieren einer vorgegebenen maximalen Luftfeuchtemenge der Luft, welche der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) zugeführt werden soll, von einer gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur ermittelt wird.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 10, weiterhin umfassend einen Verbrennungsgastemperaturdetektor (T4), welcher konfiguriert ist, eine Temperatur des Verbrennungsgases zu detektieren, wobei die Steuervorrichtung (C) eine Temperatur des Verbrennungsgases durch Regeln einer Strömung der Luft regelt, so dass die Feuchteerzeugungsmenge des Verbrennungsgases kleiner ist als die verbleibende Luftfeuchtemenge, welche durch Subtrahieren einer Luftfeuchtemenge in der Luft, welche der Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) zugeführt werden soll, von der gesättigten Luftfeuchtemenge entsprechend der Oberflächentemperatur ermittelt wird.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, weiterhin umfassend eine Heizung (32), welche auf einer Luftversorgungsleitung (L33, L34) bereitgestellt ist, um der Luftelektrode (3b) die Luft zuzuführen, wobei die Steuervorrichtung (C) bei einer Inbetriebnahme der Vorrichtung (1) keine Zuführung des Brennstoffs an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) durchführt, wenn eine Solltemperatur des Verbrennungsgases entsprechend der verbleibenden Luftfeuchtemenge kleiner oder gleich einer vorgegebenen Temperatur ist, und die Heizung (32) regelt, um eine Temperatur der Luft zu erhöhen, welche der Luftelektrode (3b) zugeführt werden soll.
Feststoffoxid-Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Steuervorrichtung (C) die Heizung (32) regelt, einen Heizbetrieb zu stoppen, wenn die Oberflächentemperatur entsprechend der verbleibenden Luftfeuchtemenge einen vorbestimmten Wert erreicht hat, und eine Zufuhr des Brennstoffs an die Inbetriebnahmetemperatur-Erhöhungsvorrichtung (10) startet.