DE112021001303T5 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum steuern desselben - Google Patents

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Abstract

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, eine Differenzdrucksteuerung stabil auszuführen, und das eine vereinfachte Konfiguration aufweist, und ein Verfahren zum Steuern desselben bereitzustellen. Ein Brennstoffzellensystem (310), das mit einer Brennstoffzelle (313), einem Turbolader (411), einer Brennstoffabgasleitung (343), einer Oxidationsabgasleitung (333), einer Verbrennungsgas-Zuleitung (328) zum Zuführen von Verbrennungsgas, das von einer Brennkammer (422) abgegeben wurde, zu einer Turbine (423), einer Oxidationsgas-Zuleitung (331) zum Zuführen von Oxidationsgas (A2), das durch einen Kompressor (421) komprimiert wurde, zu einer Kathode (113), einem Regelventil (347), das an der Brennstoffabgasleitung (343) vorgesehen ist, und einer Steuereinheit (20) zum Steuern des Differenzdrucks zwischen dem Druck der Kathode (113) der Brennstoffzelle (313) und dem Druck der Anode (109) davon durch Steuern des Regelventils (347) ausgestattet ist, wobei die Oxidationsabgasleitung (333) nicht mit einem Entlüftungssystem zum Abgeben von Oxidationsabgas (A3) außerhalb des Systems versehen ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren dafür.
  • Stand der Technik
  • Eine Brennstoffzelle, die Energie durch chemisches Umsetzen von Brennstoffgas mit Oxidationsgas erzeugt, weist Eigenschaften wie ausgezeichnete Energieerzeugungseffizienz und Umweltfreundlichkeit auf. Unter Brennstoffzellen erzeugt eine Festoxidbrennstoffzelle (nachstehend als SOFC (solid oxide fuel cell) bezeichnet) Energie durch Verwenden von Keramiken wie Zirkonoxidkeramiken als ein Elektrolyt, Zuführen von Wasserstoff, Stadtgas, Erdgas, Erdöl, Methanol und Gas wie vergastes Gas, das aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen durch eine Vergasungsanlage hergestellt wird, als Brennstoffgas und Reagieren in Hochtemperaturatmosphäre von etwa 700°C bis 1000°C. (Zum Beispiel PTL 1, PTL 2, PTL 3 und PTL 4)
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
    • [PTL 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2013-211265
    • [PTL 2] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2016-95940
    • [PTL 3] Japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2018-32472
    • [PTL 4] Japanisches Patent Nr. 6591112 Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Eine SOFC kann Energieerzeugungseffizienz durch Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine verbessern, und einige werden beispielsweise mit einer Gasturbine (beispielsweise einer Mikrogasturbine) kombiniert. Die SOFC muss einen Differenzdruck zwischen einer Anode (Brennstoffelektrode) und einer Kathode (Luftelektrode) ordnungsgemäß stabil halten. In einem Fall, in dem ein Energieerzeugungssystem, das die SOFC und die Mikrogasturbine kombiniert, aus irgendeinem Grund eine Abschaltung verursacht, wird jedoch ein Generator der Mikrogasturbine entlastet, und es gibt eine Möglichkeit, dass Schutzmaßnahmen für die Mikrogasturbine erforderlich sind. Daher ist es in Vorbereitung auf das Auftreten einer Abschaltung erforderlich, ein Abgabesystem, ein Absperrventil und dergleichen bereitzustellen, die von der Kathode der SOFC abgegebenes Oxidationsabgas an die Atmosphäre (außerhalb des Systems) freisetzen. Das Absperrventil ist jedoch eine teure Vorrichtung und muss den Differenzdruck zwischen der Kathode und der Anode innerhalb eines vorbestimmten Werts steuern. Daher ist es in einem System einschließlich der SOFC wünschenswert, die Konfiguration zu vereinfachen, während ein stabiler Betriebszustand aufrechterhalten wird.
  • Die vorliegende Offenbarung wurde im Hinblick auf solche Umstände gemacht, und die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, Differenzdrucksteuerung stabil durchzuführen, und ein Steuerverfahren dafür bereitzustellen.
  • Lösung für das Problem
  • Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das umfasst: eine Brennstoffzelle, die eine Kathode (Luftelektrode) und eine Anode (Brennstoffelektrode) aufweist; einen Turbolader, der eine Turbine und einen Kompressor aufweist; eine Brennstoffabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Brennstoffabgases zu einer Brennkammer; eine Oxidationsabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsabgases zu der Brennkammer; eine Verbrennungsgas-Zuleitung zum Zuführen eines von der Brennkammer abgegebenen Verbrennungsgases zu der Turbine; eine Oxidationsgas-Zuleitung zum Zuführen eines durch den Kompressor komprimierten Oxidationsgases zu der Kathode durch drehendes Antreiben durch die Turbine; ein Regelventil, das an der Brennstoffabgasleitung vorgesehen ist; und eine Steuereinheit, die das Regelventil steuert, um einen Differenzdruck zwischen einem Druck der Kathode und einem Druck der Anode in der Brennstoffzelle zu steuern, wobei an der Oxidationsabgasleitung ein Entlüftungssystem, das das Oxidationsabgas nach außerhalb des Systems abgibt, nicht vorgesehen ist.
  • Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, das eine Brennstoffzelle, die eine Kathode und eine Anode aufweist, einen Turbolader, der eine Turbine und einen Kompressor aufweist, eine Brennstoffabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Brennstoffabgases zu einer Brennkammer, eine Oxidationsabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsabgases zu der Brennkammer, eine Verbrennungsgas-Zuleitung zum Zuführen eines von der Brennkammer abgegebenen Verbrennungsgases zu der Turbine, eine Oxidationsgas-Zuleitung zum Zuführen eines durch den Kompressor komprimierten Oxidationsgases zu der Kathode durch drehendes Antreiben durch die Turbine und ein Regelventil, das an der Brennstoffabgasleitung vorgesehen ist, enthält, wobei an der Oxidationsabgasleitung ein Entlüftungssystem, das das Oxidationsabgas nach außerhalb des Systems abgibt, nicht vorgesehen ist, wobei das Verfahren umfasst: Steuern des Regelventils, um einen Differenzdruck zwischen einem Druck der Kathode und einem Druck der Anode in der Brennstoffzelle zu steuern.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Differenzdrucksteuerung stabil durchzuführen und die Konfiguration zu vereinfachen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt Beispiel für einen Zellenstapel gemäß Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 zeigt Beispiel für ein SOFC-Modul gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 zeigt Beispiel für einen SOFC-Einsatz gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 zeigt eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel einer katalytischen Brennkammer gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
    • 6 zeigt ein Beispiel für eine Hardwarekonfiguration einer Steuereinheit gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms von Prozedur von Differenzdrucksteuerung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 zeigt ein Beispiel einer Prozedur, um mit dem abnormalen Prozess gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umzugehen.
    • 9 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms von Prozedur von Differenzdrucksteuerung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachstehend wird eine Ausführungsform des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Steuern desselben gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Im Folgenden zeigt zur Vereinfachung der Beschreibung die Positionsbeziehung zwischen jedem der Konfigurationselemente, die mit den Ausdrücken „oben“ und „unten“ auf der Papieroberfläche beschrieben werden, eine senkrechte Oberseite beziehungsweise eine senkrechte Unterseite an, und eine senkrechte Richtung ist nicht exakt und schließt Ungewissheit ein. In der vorliegenden Ausführungsform ist in Bezug auf eine Auf-Ab-Richtung und eine horizontale Richtung, die den gleichen Effekt erhalten können, beispielsweise die Auf-Ab-Richtung auf der Papieroberfläche nicht notwendigerweise auf die senkrechte Auf-Ab-Richtung beschränkt, und die Richtung kann der horizontalen Richtung senkrecht zu der senkrechten Richtung entsprechen.
  • Nachstehend ist, obwohl ein zylindrischer (rohrförmiger) Zellenstapel als ein Beispiel für einen Zellenstapel von Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) beschrieben wird, der Zellenstapel nicht notwendigerweise darauf beschränkt und kann beispielsweise ein flacher Zellenstapel sein. Die Brennstoffzelle ist auf einem Substrat gebildet, aber eine Elektrode (Anode (Brennstoffelektrode) 109 oder eine Kathode (Luftelektrode) 113) kann ohne das Substrat dick gebildet sein und kann auch als das Trägerteil dienen.
  • Zunächst wird ein zylindrischer Zellenstapel, der ein Substratrohr verwendet, als Beispiel gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit Bezug auf 1 beschrieben. Wenn das Substratrohr nicht verwendet wird, kann beispielsweise die Anode 109 dick gebildet sein und kann auch als das Substratrohr verwendet werden, und die Verwendung des Substratrohrs ist nicht beschränkt. Das Substratrohr in der vorliegenden Ausführungsform wird durch Verwenden zylindrischer Form beschrieben, aber das Substratrohr kann rohrförmig sein und der Querschnitt davon ist nicht notwendigerweise auf Kreisform beschränkt und kann beispielsweise elliptische Form aufweisen. Ein Zellenstapel mit flacher rohrförmiger Form oder dergleichen, bei dem Umfangsseitenfläche des Zylinders vertikal versetzt ist, kann verwendet werden. Hier stellt 1 den Aspekt des Zellenstapels gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. Ein Zellenstapel 101 enthält beispielsweise ein zylindrisches Substratrohr 103, mehrere Brennstoffzellen 105, die auf einer Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 gebildet sind, und einen Zwischenverbinder 107, der zwischen den aneinander angrenzenden Brennstoffzellen 105 gebildet ist. Die Brennstoffzelle 105 wird durch Laminieren von Anode 109, Festelektrolytfilm 111 und Kathode 113 gebildet. Der Zellenstapel 101 enthält Bleifilm 115, der elektrisch via den Zwischenverbinder 107 mit der Kathode 113 der Brennstoffzelle 105 verbunden ist, die an einem Ende an dem äußersten Endteil des Substratrohrs 103 in Axialrichtung gebildet ist, und Bleifilm 115, der elektrisch mit der Anode 109 der Brennstoffzelle 105 verbunden ist, die an dem anderen Ende an dem äußersten Endteil gebildet ist, in den mehreren Brennstoffzellen 105, die auf der Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 gebildet sind.
  • Das Substratrohr 103 besteht aus porösem Material, zum Beispiel aus CaO-stabilisiertem ZrO2 (CSZ), einer Mischung aus CSZ und Nickeloxid (NiO), Y2O3-stabilisiertem ZrO2 (YSZ), MgAl2O4 oder dergleichen als Hauptkomponenten. Das Substratrohr 103 stützt die Brennstoffzelle 105, den Zwischenverbinder 107 und den Bleifilm 115 und diffundiert das der Innenumfangsfläche des Substratrohrs 103 zugeführte Brennstoffgas durch Poren des Substratrohrs 103 zu der auf der Außenumfangsfläche des Substratrohrs 103 gebildeten Anode 109.
  • Die Anode 109 besteht aus einem Oxid von Verbundwerkstoff aus Ni und auf Zirkonoxid basierendem Elektrolytmaterial, und beispielsweise wird Ni/YSZ verwendet. Die Dicke der Anode 109 beträgt 50 um bis 250 um, und die Anode 109 kann durch Siebdruckschlamm gebildet werden. In diesem Fall weist die Anode 109 Ni auf, das eine Komponente der Anode 109 ist und das eine katalytische Reaktion auf das Brennstoffgas aufweist. Die katalytische Reaktion wird für das Brennstoffgas, zum Beispiel Mischgas aus Methan (CH4) und Wasserdampf, durchgeführt, das durch das Substratrohr 103 zugeführt und zu Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) umgeformt wird. Die Anode 109 setzt elektrochemisch umgeformtes Gas, das Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) erhält, mit Sauerstoffionen (02-) um, die durch den Festelektrolytfilm 111 in der Umgebung von Schnittstelle mit dem Festelektrolytfilm 111 zugeführt werden, und erzeugt Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) . Zu diesem Zeitpunkt erzeugt die Brennstoffzelle 105 Energie via Elektronen, die von Sauerstoffionen freigesetzt werden.
  • Beispiele des Brennstoffgases, das der Anode 109 der Festoxidbrennstoffzelle zugeführt und verwendet werden kann, enthalten vergastes Gas, das von Vergasungsanlage aus kohlenstoffhaltigem Rohstoff wie Erdöl, Methanol und Kohle produziert wird, zusätzlich zu Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffgas wie Methan (CH4), Stadtgas und Erdgas.
  • Als der Festelektrolytfilm 111 wird hauptsächlich YSZ mit Luftdichtheit, die Passieren von Gas erschwert, und hoher Sauerstoffionenleitfähigkeit bei hoher Temperatur verwendet. Der Festelektrolytfilm 111 überträgt an der Kathode 113 erzeugte Sauerstoffionen (02-) auf die Anode 109. Die Filmdicke des auf der Oberfläche der Anode 109 positionierten Festelektrolytfilms 111 beträgt 10 um bis 100 um, und der Festelektrolytfilm 111 kann durch Siebdruckschlamm gebildet werden.
  • Die Kathode 113 besteht beispielsweise aus einem Oxid auf LaSrMnO3-Basis oder einem Oxid auf LaCoO3-Basis, und die Kathode 113 wird durch Siebdruck oder durch Verwenden eines Spenders mit Schlamm beschichtet. Die Kathode 113 dissoziiert Sauerstoff in dem Oxidationsgas, wie beispielsweise Luft, die in der Umgebung der Schnittstelle mit dem Festelektrolytfilm 111 zugeführt werden soll, und erzeugt Sauerstoffionen (02-).
  • Die Kathode 113 kann auch eine Zweischichtkonfiguration aufweisen. In diesem Fall besteht die Kathodenschicht (Kathodenzwischenschicht) auf der Seite des Festelektrolytfilms 111 aus Material mit hoher Ionenleitfähigkeit und ausgezeichneter katalytischer Aktivität. Die Kathodenschicht (Kathodenleitschicht) auf der Kathodenzwischenschicht kann aus einem Oxid vom Perowskit-Typ bestehen, das durch Sr und Ca-dotiertes LaMnO3 dargestellt wird. Auf diese Weise kann die Energieerzeugungsleistung weiter verbessert werden.
  • Das Oxidationsgas ist Gas, das ungefähr 15% bis 30% Sauerstoff enthält, und repräsentativ ist Luft geeignet. Zusätzlich zu Luft kann jedoch Mischgas aus Verbrennungsabgas und Luft, Mischgas aus Sauerstoff und Luft und dergleichen verwendet werden.
  • Der Zwischenverbinder 107 besteht aus einem leitfähigen Oxid vom Perowskit-Typ, dargestellt durch M1-xLxTiO3 (M ist Erdalkalimetallelement und L ist Lanthanoidelement) wie SrTiO3, und wird durch den Siebdruckschlamm gebildet. Der Zwischenverbinder 107 ist ein dichter Film, so dass sich das Brennstoffgas und das Oxidationsgas nicht miteinander vermischen. Der Zwischenverbinder 107 weist stabile Haltbarkeit und elektrische Leitfähigkeit sowohl unter oxidierender Atmosphäre als auch unter reduzierender Atmosphäre auf. Der Zwischenverbinder 107 verbindet elektrisch die Kathode 113 einer Brennstoffzelle 105 und die Anode 109 der anderen Brennstoffzelle 105 in den Brennstoffzellen 105, die aneinander angrenzen, und verbindet die Brennstoffzellen 105 in Reihe aneinander angrenzend.
  • Da der Bleifilm 115 eine Elektronenleitfähigkeit und einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie andere Materialien aufweisen muss, die den Zellenstapel 101 bilden, besteht der Bleifilm 115 aus Verbundwerkstoff aus Ni und Elektrolytmaterial auf Zirkonoxidbasis wie Ni/YSZ oder M1-xLxTiO3 (M ist Erdalkalimetallelement und L ist Lanthanoidelement) wie SrTiO3. Der Bleifilm 115 leitet Gleichstromleistung, die durch die mehreren Brennstoffzellen 105 erzeugt wird, die miteinander durch den Zwischenverbinder 107 in Reihe verbunden sind, in die Umgebung von Endabschnitt des Zellenstapels 101.
  • Das Substratrohr 103, auf dem der Schlammfilm der Anode 109, des Festelektrolytfilms 111 und des Zwischenverbinders 107 gebildet ist, wird in der Atmosphäre mitgesintert. Die Sintertemperatur ist konkret auf 1350 °C bis 1450 °C eingestellt.
  • Als nächstes wird das Substratrohr 103, auf dem der Schlammfilm der Kathode 113 gebildet ist, in der Atmosphäre auf dem mitgesinterten Substratrohr 103 gesintert. Die Sintertemperatur ist konkret auf 1100°C bis 1250 °C eingestellt. Die Sintertemperatur ist hier niedriger als die Co-Sintertemperatur nach dem Bilden des Substratrohrs 103 zu dem Zwischenverbinder 107.
  • Als nächstes werden ein SOFC-Modul und ein SOFC-Einsatz gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben. Hier stellt 2 einen Aspekt des SOFC-Moduls gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. 3 stellt eine Schnittansicht eines Aspekts des SOFC-Einsatzes gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar.
  • Wie in 2 dargestellt, beinhaltet ein SOFC-Modul (Brennstoffzellenmodul) 201 beispielsweise mehrere SOFC-Einsätze 203 (Brennstoffzellenpatronen) und einen Druckbehälter 205, in dem die mehreren SOFC-Einsätze 203 aufbewahrt sind. Wenngleich ein zylindrischer SOFC-Zellenstapel 101 in 2 als Beispiel beschrieben ist, ist der Zellenstapel nicht darauf beschränkt und kann beispielsweise ein flacher Zellenstapel sein. Das SOFC-Modul 201 enthält eine Brennstoffgas-Zufuhrröhre 207, mehrere Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhren 207a, eine Brennstoffgas-Abgaberöhre 209 und mehrere Brennstoffgas-Abgabezweigröhren 209a. Das SOFC-Modul 201 beinhaltet eine Oxidationsgas-Zufuhrröhre (nicht dargestellt), eine Oxidationsgas-Zufuhrzweigröhre (nicht dargestellt), eine Oxidationsgas-Abgaberöhre (nicht dargestellt) und mehrere Oxidationsgas-Abgabezweigröhren (nicht dargestellt).
  • Die Brennstoffgas-Zufuhrröhre 207 ist an der Außenseite des Druckbehälters 205 vorgesehen, der mit einer Brennstoffgas-Zufuhreinheit zur Zufuhr von Brennstoffgas mit einer vorbestimmten Gaszusammensetzung und vorbestimmten Strömungsrate gemäß dem Ausmaß der Energieerzeugung des SOFC-Moduls 201 verbunden ist, und mit den mehreren Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhren 207a verbunden. Die Brennstoffgas-Zufuhrröhre 207 verzweigt die vorbestimmte Strömungsrate des von der vorstehend beschriebenen Brennstoffgas-Zufuhreinheit zugeführten Brennstoffgases zu den mehreren Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhren 207a und führt das Brennstoffgas. Die Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhre 207a ist mit der Brennstoffgas-Zufuhrröhre 207 verbunden und ist mit den mehreren SOFC-Einsätzen 203 verbunden. Die Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhre 207a führt das von der Brennstoffgas-Zufuhrröhre 207 zugeführte Brennstoffgas mit im Wesentlichen gleichmäßiger Strömungsrate zu den mehreren SOFC-Einsätzen 203 und macht die Energieerzeugungsleistung der mehreren von SOFC-Einsätzen 203 im Wesentlichen gleichmäßig.
  • Die Brennstoffgas-Abgabezweigröhre 209a ist mit den mehreren von SOFC-Einsätzen 203 und mit der Brennstoffgas-Abgaberöhre 209 verbunden. Die Brennstoffgas-Abgabezweigröhre 209a führt das von dem SOFC-Einsatz 203 abgegebene Brennstoffabgas zur Brennstoffgas-Abgaberöhre 209. Die Brennstoffgas-Abgaberöhre 209 ist mit den mehreren von Brennstoffgas-Abgabezweigröhren 209a verbunden, und ein Teil davon ist an der Außenseite des Druckbehälters 205 angeordnet. Die Brennstoffgas-Abgaberöhre 209 führt das von der Brennstoffgas-Abgabezweigröhre 209a abgeleitete Brennstoffabgas mit einer im Wesentlichen gleichen Strömungsrate zu der Außenseite des Druckbehälters 205.
  • Da der Druckbehälter 205 bei Innendruck von 0,1MPa bis ungefähr 3 MPa und bei Innentemperatur der atmosphärischen Temperatur bis ungefähr 550°C betrieben wird, wird Material verwendet, das Drucktoleranz und Korrosionsbeständigkeit in Bezug auf sauerstoffhaltiges Gas aufrechterhält, wie etwa Sauerstoff, der im Oxidationsgas enthalten ist. Zum Beispiel ist ein Edelstahlmaterial wie SUS304 geeignet.
  • Hier wird in der vorliegenden Ausführungsform ein Aspekt beschrieben, bei dem die mehreren SOFC-Einsätze 203 montiert und in dem Druckbehälter 205 gespeichert sind, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und Aspekt, bei dem die SOFC-Einsätze 203 nicht montiert sind und im Druckbehälter 205 gespeichert werden, kann auch eingesetzt werden.
  • Wie in 3 dargestellt, enthält der SOFC-Einsatz 203 mehrere Zellenstapel 101, eine Energieerzeugungskammer 215, einen Brennstoffgas-Zufuhrkopf 217, einen Brennstoffgas-Abgabekopf 219, einen Oxidationsgas-Zufuhrkopf (Luft) 221 und einen Oxidationsgas-Abgabekopf 223. Der SOFC-Einsatz 203 enthält eine obere Rohrplatte 225a, eine untere Rohrplatte 225b, eine obere Wärmedämmung 227a und eine untere Wärmedämmung 227b. In der vorliegenden Ausführungsform weist der SOFC-Einsatz 203 eine Struktur auf, in der der Brennstoffgas-Zufuhrkopf 217, der Brennstoffgas-Abgabekopf 219, der Oxidationsgas-Zufuhrkopf 221 und der Oxidationsgas-Abgabekopf 223 wie in 3 dargestellt derart angeordnet sind, dass das Brennstoffgas und das Oxidationsgas strömen, während sie der Innenseite und der Außenseite des Zellenstapels 101 zugewandt sind, aber diese Struktur ist nicht notwendig, und beispielsweise kann das Gas strömen, während es parallel zu der Innenseite und zu der Außenseite des Zellenstapels 101 ist, und kann das Oxidationsgas in einem Querstrom zu einer Axialrichtung des Zellenstapels 101 strömen.
  • Die Energieerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, der zwischen der oberen Wärmedämmung 227a und der unteren Wärmedämmung 227b gebildet ist. Die Energieerzeugungskammer 215 ist ein Bereich, in dem die Brennstoffzellen 105 des Zellenstapels 101 angeordnet sind, und ist ein Bereich, in dem Energie durch elektrochemisches Umsetzen des Brennstoffgases und des Oxidationsgases erzeugt wird. Die Temperatur in der Umgebung eines Mittelabschnitts der Energieerzeugungskammer 215 in der Längsrichtung des Zellenstapels 101 wird durch eine Temperaturmesseinheit (Temperatursensor, Thermoelement oder dergleichen) überwacht, und Hochtemperaturatmosphäre von ungefähr 700°C bis 1000°C wird während des Dauerbetriebs des SOFC-Moduls 201 erreicht.
  • Der Brennstoffgas-Zufuhrkopf 217 ist ein Bereich, der von einem oberen Gehäuse 229a und einer oberen Rohrplatte 225a des SOFC-Einsatzes 203 umgeben ist, und ist mit der Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhre 207a über ein Brennstoffgas-Zufuhrloch 231a, das in oberem Abschnitt des oberen Gehäuses 229a vorgesehen ist, verbunden. Die mehreren Zellenstapel 101 sind durch ein Dichtungselement 237a mit der oberen Rohrplatte 225a verbunden, und der Brennstoffgas-Zufuhrkopf 217 führt das von der Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhre 207a zugeführte Brennstoffgas durch das Brennstoffgas-Zufuhrloch 231a bei im Wesentlichen gleichmäßiger Strömungsrate an der Innenseite des Substratrohrs 103 der mehreren Zellenstapel 101 und macht die Energieerzeugungsleistung der mehreren Zellenstapel 101 im Wesentlichen gleichförmig.
  • Der Brennstoffgas-Abgabekopf 219 ist ein Bereich, der von einem unteren Gehäuse 229b und der unteren Rohrplatte 225b des SOFC-Einsatzes 203 umgeben ist, und ist mit der Brennstoffgas-Abgabezweigröhre 209a (nicht dargestellt) durch ein Brennstoffgas-Abgabeloch 231b, das in dem unteren Gehäuse 229b vorgesehen ist, verbunden. Die mehreren Zellenstapel 101 sind durch ein Dichtungselement 237b mit der unteren Rohrplatte 225b verbunden, und der Brennstoffgas-Abgabekopf 219 sammelt das Brennstoffabgas, das durch das Innere des Substratrohrs 103 der mehreren Zellenstapel 101 dringt und das dem Brennstoffgas-Abgabekopf 219 zugeführt wird, und führt das Brennstoffabgas zu der Brennstoffgas-Abgabezweigröhre 209a durch das Brennstoffgas-Abgabeloch 231b.
  • Oxidationsgas mit einer vorbestimmten Gaszusammensetzung und einer vorbestimmten Strömungsrate wird gemäß dem Energieerzeugungsbetrag des SOFC-Moduls 201 in die Oxidationsgas-Zufuhrzweigröhre verzweigt und wird mehreren SOFC-Einsätzen 203 zugeführt. Dier Oxidationsgas-Zufuhrkopf 221 ist ein Bereich, der von dem unteren Gehäuse 229b, der unteren Rohrplatte 225b und der unteren Wärmedämmung 227b des SOFC-Einsatzes 203 umgeben ist, und ist durch ein Oxidationsgas-Zufuhrloch 233a, das an Seitenfläche des unteren Gehäuses 229b vorgesehen ist, mit der Oxidationsgas-Zufuhrzweigröhre (nicht dargestellt) verbunden. Der Oxidationsgas-Zufuhrkopf 221 führt eine vorbestimmte Strömungsrate von Oxidationsgas von der Oxidationsgas-Zufuhrzweigröhre (nicht dargestellt) durch das Oxidationsgas-Zufuhrloch 233a zu der Energieerzeugungskammer 215 durch einen Oxidationsgas-Zufuhrspalt 235a, was später beschrieben wird.
  • Der Oxidationsgas-Abgabekopf 223 ist ein Bereich, der von dem oberen Gehäuse 229a, der oberen Rohrplatte 225a und der oberen Wärmedämmung 227a des SOFC-Einsatzes 203 umgeben ist, und ist durch ein Oxidationsgas-Zufuhrloch 233b, das an der Seitenfläche des oberen Gehäuses 229a vorgesehen ist, mit einer Oxidationsgas-Abgabezweigröhre (nicht dargestellt) verbunden. Der Oxidationsgas-Abgabekopf 223 führt das von der Energieerzeugungskammer 215 zugeführte Oxidationsabgas zu dem Oxidationsgas-Abgabekopf 223 durch einen Oxidationsgas-Abgabespalt 235b, der später beschrieben wird, zu der Oxidationsgas-Abgabezweigröhre (nicht dargestellt) durch das Oxidationsgas-Abgabeloch 233b.
  • Die obere Rohrplatte 225a ist an der Seitenplatte des oberen Gehäuses 229a derart befestigt, dass die obere Rohrplatte 225a, die Deckplatte des oberen Gehäuses 229a und die obere Wärmedämmung 227a im Wesentlichen parallel zueinander zwischen der oberen Platte des oberen Gehäuses 229a und der oberen Wärmedämmung 227a sind. Die obere Rohrplatte 225a weist mehrere Löcher auf, die der Anzahl an in dem SOFC-Einsatz 203 vorgesehenen Zellenstapeln 101 entsprechen, und die Zellenstapel 101 werden jeweils in die Löcher eingeführt. Die obere Rohrplatte 225a stützt einen Endabschnitt der mehreren Zellenstapel 101 luftdicht über einen oder beide des Dichtungselements 237a und einem Klebeelement und isoliert ferner den Brennstoffgas-Zufuhrkopf 217 und den Oxidationsgas-Abgabekopf 223 voneinander.
  • Die obere Wärmedämmung 227a ist an unterem Endabschnitt des oberen Gehäuses 229a derart angeordnet, dass die obere Wärmedämmung 227a, die Deckplatte des oberen Gehäuses 229a und die obere Rohrplatte 225a im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an der Seitenplatte des oberen Gehäuses 229a befestigt. Die obere Wärmedämmung 227a weist mehrere Löcher auf, die der Anzahl an in dem SOFC-Einsatz 203 vorgesehenen Zellenstapeln 101 entsprechen. Der Durchmesser des Lochs ist so eingestellt, dass er größer als der Außendurchmesser des Zellenstapels 101 ist. Die obere Wärmedämmung 227a enthält einen Oxidationsgas-Abgabespalt 235b, der zwischen der Innenfläche des Lochs und der Außenfläche des in der oberen Wärmedämmung 227a eingeführten Zellenstapels 101 gebildet ist.
  • Die obere Wärmedämmung 227a trennt die Energieerzeugungskammer 215 und den Oxidationsgas-Abgabekopf 223 voneinander, der Temperaturanstieg der Atmosphäre um die obere Rohrplatte 225a, der die Festigkeitsverschlechterung oder Zunahme der Korrosion aufgrund des sauerstoffhaltigen Gases im Oxidationsgas verursacht, wird unterdrückt. Die obere Rohrplatte 225a und dergleichen bestehen aus hochtemperaturbeständigem metallischem Material wie Inconel, um thermische Verformung zu verhindern, da die obere Rohrplatte 225a und dergleichen der hohen Temperatur in der Energieerzeugungskammer 215 ausgesetzt sind und die Temperaturdifferenz in der oberen Rohrplatte 225a und dergleichen ansteigt. Die obere Wärmedämmung 227a führt das Oxidationsabgas, das die Energieerzeugungskammer 215 durchdrungen ist und das der hohen Temperatur ausgesetzt wurde, zu dem Oxidationsgas-Abgabekopf 223 durch den Oxidationsgas-Abgabespalt 235b.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömen aufgrund der Struktur des oben beschriebenen SOFC-Einsatzes 203 das Brennstoffgas und das Oxidationsgas, während sie der Innenseite und der Außenseite des Zellenstapels 101 zugewandt sind. Dementsprechend tauscht das Oxidationsabgas Wärme mit dem Brennstoffgas aus, das der Energieerzeugungskammer 215 durch das Innere des Substratrohrs 103 zugeführt wird, und wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der Verformung, wie Knicken der oberen Rohrplatte 225a und dergleichen aus metallischem Material nicht auftritt, und wird dem Oxidationsgas-Abgabekopf 223 zugeführt. Die Temperatur des Brennstoffgases steigt via den Wärmeaustausch mit dem aus der Energieerzeugungskammer 215 abgegebenen Oxidationsabgas an, und das Brennstoffgas wird der Energieerzeugungskammer 215 zugeführt. Infolgedessen ist es möglich, das auf zur Energieerzeugung geeigneten Temperatur vorgewärmte Brennstoffgas ohne Verwendung einer Heizung oder dergleichen der Energieerzeugungskammer 215 zuzuführen.
  • Die untere Rohrplatte 225b ist an der Seitenplatte des unteren Gehäuses 229b derart befestigt, dass die untere Rohrplatte 225b, die untere Platte des unteren Gehäuses 229b und die untere Wärmedämmung 227b im Wesentlichen parallel zueinander zwischen der unteren Platte des unteren Gehäuses 229b und der unteren Wärmedämmung 227b sind. Die untere Rohrplatte 225b weist mehrere Löcher auf, die der Anzahl an in dem SOFC-Einsatz 203 vorgesehenen Zellenstapeln 101 entsprechen, und die Zellenstapel 101 werden jeweils in die Löcher eingeführt. Die untere Rohrplatte 225b stützt den anderen Endabschnitt der mehreren Zellenstapel 101 luftdicht via einen oder beide des Dichtungselements 237b und einem Klebeelement und isoliert ferner den Brennstoffgas-Abgabekopf 219 und den Oxidationsgas-Zufuhrkopf 221 voneinander.
  • Die untere Wärmedämmung 227b ist an oberem Endabschnitt des unteren Gehäuses 229b derart angeordnet, dass die untere Wärmedämmung 227b, die untere Platte des unteren Gehäuses 229b und die untere Rohrplatte 225b im Wesentlichen parallel zueinander sind, und ist an der Seitenplatte des unteren Gehäuses 229b befestigt. Die untere Wärmedämmung 227b weist mehrere Löcher auf, die der Anzahl an in dem SOFC-Einsatz 203 vorgesehenen Zellenstapeln 101 entsprechen. Der Durchmesser des Lochs ist so eingestellt, dass er größer als der Außendurchmesser des Zellenstapels 101 ist. Die untere Wärmedämmung 227b enthält den Oxidationsgas-Zufuhrspalt 235a, der zwischen der Innenfläche des Lochs und der Außenfläche des in die untere Wärmedämmung 227b eingeführten Zellenstapels 101 gebildet ist.
  • Die untere Wärmedämmung 227b trennt die Energieerzeugungskammer 215 und den Oxidationsgas-Zufuhrkopf 221 voneinander, die Temperatur der Atmosphäre um die untere Rohrplatte 225b steigt an und die Festigkeitsverschlechterung oder Zunahme der Korrosion aufgrund des sauerstoffhaltigen Gases in dem Oxidationsgas wird unterdrückt. Die untere Rohrplatte 225b und dergleichen bestehen aus einem hochtemperaturbeständigen metallischen Material wie Inconel, jedoch wird eine thermische Verformung verhindert, da die untere Rohrplatte 225b und dergleichen der hohen Temperatur ausgesetzt sind und die Temperaturdifferenz in der unteren Rohrplatte 225b und dergleichen zunimmt. Die untere Wärmedämmung 227b führt das dem Oxidationsgas-Zufuhrkopf 221 zugeführte Oxidationsgas durch den Oxidationsgas-Zufuhrspalt 235a zu der Energieerzeugungskammer 215.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform strömen aufgrund der Struktur des oben beschriebenen SOFC-Einsatzes 203 das Brennstoffgas und das Oxidationsgas, während sie der Innenseite und der Außenseite des Zellenstapels 101 zugewandt sind. Dementsprechend tauscht das Brennstoffabgas, das die Energieerzeugungskammer 215 durchdrungen ist, Wärme mit dem Oxidationsgas aus, das der Energieerzeugungskammer 215 durch das Innere des Substratrohrs 103 zugeführt wird, wird auf eine Temperatur abgekühlt, bei der Verformung, wie Knicken der unteren Rohrplatte 225b und dergleichen aus metallischem Material nicht auftritt, und wird dem Brennstoffgas-Abgabekopf 219 zugeführt. Die Temperatur des Oxidationsgases steigt via den Wärmeaustausch mit dem Brennstoffabgas an und das Brennstoffgas wird der Energieerzeugungskammer 215 zugeführt. Infolgedessen ist es möglich, das Oxidationsgas, dessen Temperatur auf eine zur Energieerzeugung notwendige Temperatur angestiegen ist, ohne Verwendung einer Heizung oder dergleichen der Energieerzeugungskammer 215 zuzuführen.
  • Nachdem die in der Energieerzeugungskammer 215 erzeugte Gleichstromleistung in die Umgebung des Endabschnitts des Zellenstapels 101 durch den Bleifilm 115 aus Ni/YSZ oder dergleichen geleitet wurde, der in den mehreren Brennstoffzellen 105 vorgesehen ist, wird die Gleichstromleistung an einer Stromsammelstange (nicht dargestellt) des SOFC-Einsatzes 203 durch eine Stromsammelplatte (nicht dargestellt) gesammelt und wird zu der Außenseite jedes der SOFC-Einsätze 203 abgeführt. Die Gleichstromleistung, die von dem Stromerfassungsstab zu der Außenseite des SOFC-Einsatzes 203 geleitet wird, verbindet die erzeugte Energie jedes SOFC-Einsatzes 203 mit vorbestimmter Seriennummer und Parallelnummer, wird zu der Außenseite des SOFC-Moduls 201 geleitet, in vorbestimmte Wechselstromleistung via eine Energieumwandlungsvorrichtung (wie einen Wechselrichter), einen Energiekonditionierer und dergleichen (nicht dargestellt), umgewandelt und wird einem Energieverbraucher (zum Beispiel elektrischem Ladegerät oder einem Energieversorgungsnetz) zugeführt.
  • Eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 310 gemäß Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird beschrieben.
  • 4 zeigt eine schematische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 310 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in 4 dargestellt, enthält das Brennstoffzellensystem 310 einen Turbolader 411 und SOFC 313. Die SOFC 313 ist durch Kombinieren eines oder mehrerer SOFC-Module (nicht dargestellt) konfiguriert und wird im Folgenden einfach als „SOFC“ bezeichnet. Das Brennstoffzellensystem 310 verwendet die SOFC 313 zum Erzeugen von Energie. Das Brennstoffzellensystem 310 wird von der Steuereinheit 20 gesteuert.
  • Der Turbolader 411 beinhaltet einen Kompressor 421 und eine Turbine 423, und der Kompressor 421 und die Turbine 423 sind durch eine Drehwelle 424 miteinander verbunden, um integral drehbar zu sein. Der Kompressor 421 wird durch Drehung der Turbine 423 drehend angetrieben, was später beschrieben wird. Die vorliegende Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem Luft als das Oxidationsgas verwendet wird und der Kompressor 421 Luft A komprimiert, die von einer Luftansaugleitung 325 angesaugt wird.
  • Die Luft A wird in den Kompressor 421 angesaugt, der den Turbolader 411 konfiguriert, und wird komprimiert, und die komprimierte Luft A wird als Oxidationsgas A2 der Kathode 113 der SOFC zugeführt. Ein Oxidationsabgas A3, nachdem es bei der chemischen Reaktion zur Energieerzeugung in der SOFC verwendet wurde, wird via eine Oxidationsabgasleitung 333 zu einer katalytischen Brennkammer (Brennkammer) 422 geleitet, ein Brennstoffabgas L3, das bei der chemischen Reaktion zur Energieerzeugung in der SOFC verwendet wird, wird durch ein Umwälzgebläse 348 angehoben, und ein Teil des Brennstoffabgases L3 wird rückgeführt und via eine Brennstoffgasumwälzleitung 349 Brennstoffgasleitung 341 zugeführt, und der andere Teil wird via Brennstoffabgasleitung 343 der katalytischen Brennkammer 422 zugeführt.
  • Auf diese Weise wird ein Teil des Brennstoffabgases L3 und des Oxidationsabgases A3 der katalytischen Brennkammer 422 zugeführt und führt stabil Verbrennung selbst bei relativ niedriger Temperatur durch Verwenden eines Verbrennungskatalysators in einer katalytischen Verbrennungseinheit 461 (unten beschrieben) zur Erzeugung von Verbrennungsgas G durch. Zu diesem Zeitpunkt ist die katalytische Brennkammer 422 mit einer Druckausgleichseinheit (nachstehend als „Druckausgleichsraum“ bezeichnet) 462 versehen, wie in 5 dargestellt. Der Druckausgleichsraum 462 ist ein Bereich zum Ausgleichen des Drucks des Oxidationsabgases A3 und des Brennstoffabgases in einem gemeinsamen Raum und ist auch ein Bereich zum Mischen der Gase. Mit anderen Worten werden in dem Druckausgleichsraum 462 die Drücke des der katalytischen Brennkammer 422 zugeführten Oxidationsabgases A3 und des Brennstoffabgases gleich, und der Druck wird ausgeglichen. Mit anderen Worten werden die Auslassdrücke der Oxidationsabgasleitung 333 und der Brennstoffabgasleitung 343 ausgeglichen. Wenn der Druck ausgeglichen werden kann, ist der Druckausgleichsraum 462 nicht darauf beschränkt, angrenzend an die katalytische Brennkammer 422 angeordnet zu sein.
  • Die katalytische Brennkammer 422 mischt das Brennstoffabgas L3, das Oxidationsabgas A3 und ein Brennstoffgas L1, falls erforderlich, und verbrennt das Mischgas in der katalytischen Verbrennungseinheit 461, um das Verbrennungsgas G zu erzeugen. Die katalytische Verbrennungseinheit 461 ist mit einem Verbrennungskatalysator gefüllt, der beispielsweise Platin oder Palladium als eine katalytische Hauptkomponente enthält, und stabile Verbrennung ist bei relativ niedriger Temperatur und einer niedrigen Sauerstoffkonzentration möglich. Das Brennstoffabgas L3, das Oxidationsabgas A3 und, falls erforderlich, das Brennstoffgas L1 werden in dem Druckausgleichsraum 462 gemischt. Das Verbrennungsgas G wird der Turbine 423 durch eine Verbrennungsgas-Zuleitung 328 zugeführt. Die Turbine 423 wird durch die adiabatische Expansion des Verbrennungsgases G drehend angetrieben, und das Verbrennungsgas wird aus einer Verbrennungsabgasleitung 329 abgegeben.
  • Das Brennstoffgas L1 wird der katalytischen Brennkammer 422 zugeführt, indem die Strömungsrate mit einem Steuerventil 352 gesteuert wird. Das Brennstoffgas L1 ist brennbares Gas und beispielsweise Gas, das durch Verdampfen von Flüssigerdgas (liquefied natural gas - LNG) oder Erdgas, Stadtgas, Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffgasen, wie Methan (CH4), und Gas, das von einer Vergasungsanlage aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen (Erdöl, Kohle und dergleichen) erzeugt wird, erhalten wird. Das Brennstoffgas bedeutet Brennstoffgas, dessen Heizwert im Voraus so eingestellt wurde, dass er im Wesentlichen konstant ist.
  • Das Verbrennungsgas G, dessen Temperatur durch Verbrennung in der katalytischen Brennkammer 422 erhöht wurde, wird durch die Verbrennungsgas-Zuleitung 328 zu der Turbine 423 geleitet, die den Turbolader 411 konfiguriert, und die Turbine 423 wird drehend angetrieben, um Drehkraft zu erzeugen. Durch Antreiben des Kompressors 421 mit dieser Drehkraft wird die von der Luftansaugleitung 325 angesaugte Luft A komprimiert, um komprimierte Luft zu erzeugen. Da die Energie der rotierenden Vorrichtung, die das Oxidationsgas (Luft) komprimiert und bläst, durch den Turbolader 411 erzeugt werden kann, kann die erforderliche zusätzliche Energie reduziert und die Energieerzeugungseffizienz des Energieerzeugungssystems verbessert werden.
  • Ein Wärmetauscher (regenerativer Wärmetauscher) 430 tauscht Wärme zwischen dem von der Turbine 423 abgegebenen Abgas und der von dem Kompressor 421 zugeführten Oxidationsgas A2 aus. Das Abgas wird durch Wärmeaustausch mit dem Oxidationsgas A2 gekühlt und dann durch einen Schornstein (nicht dargestellt) nach außen abgegeben, zum Beispiel durch Abhitzerückgewinnungsausrüstung 442.
  • Die SOFC 313 erzeugt Energie, indem sie bei vorbestimmter Betriebstemperatur reagiert, indem sie das Brennstoffgas L1 als Reduktionsmittel und das Oxidationsgas A2 als sauerstoffhaltiges Gas zuführt.
  • Die SOFC 313 besteht aus einem SOFC-Modul (nicht dargestellt) und nimmt ein Aggregat der mehreren Zellenstapel auf, die in dem Druckbehälter des SOFC-Moduls vorgesehen sind, und die Anode 109, die Kathode 113 und der Festelektrolytfilm 111 sind in dem Zellenstapel (nicht dargestellt) vorgesehen.
  • Die SOFC 313 erzeugt Energie, indem sie der Kathode 113 das Oxidationsgas A2 zuführt und der Anode 109 das Brennstoffgas L1 zuführt, die Energie via eine Energieumwandlungsvorrichtung (wie einen Wechselrichter), wie einen Energiekonditionierer (nicht dargestellt), in vorgegebene Energie umwandelt und die umgewandelte Energie an einen Energieverbraucher liefert.
  • Die SOFC 313 ist mit einer Oxidationsgas-Zuleitung 331 verbunden, um das von dem Kompressor 421 komprimierte Oxidationsgas A2 der Kathode 113 zuzuführen. Das Oxidationsgas A2 wird einer Oxidationsgas-Einleitungseinheit (nicht dargestellt) der Kathode 113 durch die Oxidationsgas-Zuleitung 331 zugeführt. Die Oxidationsgas-Zuleitung 331 ist mit einem Steuerventil 335 zum Anpassen der Strömungsrate der zugeführten Luft A2 versehen. In dem Wärmetauscher 430 tauscht das Oxidationsgas A2 Wärme mit dem Verbrennungsgas aus, das aus der Verbrennungsabgasleitung 329 abgegeben wird, und die Temperatur davon steigt an. Weiterhin ist in der Oxidationsgas-Zuleitung 331 eine Wärmetauscher-Bypassleitung 332 vorgesehen, die den Wärmeübertragungsteil des Wärmetauschers 430 umgeht. In der Wärmetauscher-Bypassleitung 332 ist ein Steuerventil 336 vorgesehen, so dass die Bypass-Strömungsrate des Oxidationsgases reguliert werden kann. Durch Steuern der Öffnung des Steuerventils 335 und des Steuerventils 336 wird das Strömungsverhältnis des Oxidationsgases, das durch den Wärmetauscher 430 strömt, und des Oxidationsgases, das den Wärmetauscher 430 umgeht, reguliert, und die Temperatur des Oxidationsgases A2, das der SOFC 313 zugeführt werden soll, wird reguliert. Die Temperatur des der SOFC 313 zugeführten Oxidationsgases A2 hält eine Temperatur aufrecht, bei der das Brenngas der SOFC 313 und das Oxidationsgas elektrochemisch umgesetzt werden, um Energie zu erzeugen, und die obere Temperaturgrenze ist begrenzt, um die Materialien jeder Komponente in dem Inneren des SOFC-Moduls (nicht darstellt), das die SOFC 313 bildet, nicht zu beschädigen.
  • Die SOFC 313 ist mit der Oxidationsabgasleitung 333 verbunden, um das nach Verwendung durch die Kathode 113 abgegebene Oxidationsabgas A3 via die katalytische Brennkammer 422 der Turbine 423 zuzuführen. Die Oxidationsabgasleitung 333 ist mit einem Abluftkühler 351 versehen. Insbesondere ist in der Oxidationsabgasleitung 333 der Abluftkühler 351 auf der Stromaufwärtsseite einer Öffnung 441 vorgesehen, die später beschrieben wird, und das Oxidationsabgas A3 wird durch Wärmeaustausch mit dem Oxidationsgas A2 gekühlt, das durch die Oxidationsgas-Zuleitung 331 strömt.
  • Die Oxidationsabgasleitung 333 ist mit einer Druckverlusteinheit versehen. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Öffnung 441 als eine Druckverlusteinheit vorgesehen. Die Öffnung 441 fügt dem Oxidationsabgas A3, das durch die Oxidationsabgasleitung 333 strömt, einen Druckverlust hinzu. Die Druckverlusteinheit ist nicht auf die Öffnung 441 beschränkt, und es kann eine Drossel, wie beispielsweise ein Venturi-Rohr, vorgesehen werden, und es kann jedes Mittel verwendet werden, das in der Lage ist, dem Oxidationsabgas A3 Druckverlust hinzuzufügen. Als die Druckverlusteinheit kann beispielsweise ein zusätzlicher Brenner vorgesehen sein. Der zusätzliche Brenner verursacht Druckverlust in dem Oxidationsabgas, und der zusätzliche Brennstoff kann verbrannt werden, wenn Verbrennung erforderlich ist, die die Verbrennungskapazität des katalytischen Brenners 422 übersteigt. Daher kann dem Oxidationsabgas eine ausreichende Wärmemenge zugeführt werden. In dem Brennstoffzellensystem 310 wird die Druckdifferenz zwischen der Seite von Kathode 113 und der Seite von Anode 109 durch ein Regelventil 347 gesteuert, das in der Brennstoffabgasleitung 343 so vorgesehen ist, dass es innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, und somit ist es durch Hinzufügen eines Druckverlusts zu der Oxidationsabgasleitung 333, die in die Brennstoffabgasleitung 343 mündet, möglich, den Betriebsdifferenzdruck, der für stabile Steuerung des in der Brennstoffabgasleitung 343 vorgesehenen Regelventils 347 erforderlich ist, sicherzustellen.
  • Die Oxidationsabgasleitung 333 ist nicht mit einem Entlüftungssystem und einem Entlüftungsventil zum Ablassen des Oxidationsabgas A3 an die Atmosphäre (Außenseite des Systems) versehen. Zum Beispiel gibt es in einem Fall eines Energieerzeugungssystems, das die SOFC und die Gasturbine (zum Beispiel eine Mikrogasturbine) kombiniert, die das von der Kathode 113 abgegebene Oxidationsabgas A3 und das von der Anode 109 abgegebene Brennstoffabgas L3 verbrennt, einen Fall, in dem sich der Druckzustand des Oxidationsgases, das der Kathode 113 zugeführt wird, gemäß der Zustandsänderung der Mikrogasturbine zu dem Zeitpunkt von Anfahren oder Stopp ändert, und ferner besteht eine Möglichkeit, dass die Differenzdrucksteuerung zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 aufgrund plötzlicher Druckschwankungen nicht erfolgreich wird. Daher wird in einem Fall, in dem aus irgendeinem Grund eine Abschaltung auftritt, der Generator der Mikrogasturbine entlastet, und es sind Schutzmaßnahmen für die Mikrogasturbine erforderlich. Daher sind ein Entlüftungssystem und ein Entlüftungsventil, die das Oxidationsabgas A3 zu der Außenseite des Systems, beispielsweise in die Atmosphäre, abgeben, erforderlich. In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch der Turbolader 411 verwendet, es gibt keinen Generator, der mit der Drehwelle kommuniziert, und die Last wird nicht aufgebracht. Da es keinen Fall gibt, in dem die Last während der Fahrt verschwindet, Überdrehung auftritt und der Druck stark ansteigt, kann der Differenzdruckzustand daher durch das Regelventil 347 stabil gesteuert werden, und somit kann ein Mechanismus (verbogenes System und Entlüftung) Ventil) zum Ablassen des Oxidationsabgases A3 an die Atmosphäre weggelassen werden.
  • Die SOFC 313 ist ferner mit der Brennstoffgasleitung 341 zur Zuführung des Brennstoffgases L1 zu einer Brenngaseinleitungseinheit (nicht dargestellt) der Anode 109 und mit der Brennstoffabgasleitung 343 zum Zuführen des Brennstoffabgases L3, das nach Verwendung für die Reaktion in der Anode 109 abgegeben wird, zu der Turbine 423 via die katalytische Brennkammer 422 verbunden. Die Brennstoffgasleitung 341 ist mit einem Steuerventil 342 zum Anpassen der Strömungsrate des der Anode 109 zugeführten Brennstoffgases L1 versehen.
  • Wie in 4 dargestellt, enthält das Brennstoffzellensystem 310 einen Differenzdrucksensor 370, der den Differenzdruck zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 misst. Die Informationen über den von dem Differenzdrucksensor 370 gemessenen Differenzdruckwert zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 werden an die Steuereinheit 20 ausgegeben. Ein Drucksensor kann in jeder Leitung der Kathode 113 und der Anode 109 vorgesehen sein, und der Druck der Kathode 113 und der Druck der Anode 109 können jeweils mit dem durch diese gemessenen Werte berechneten Differenzdruck akzeptabel sein. Die Druckmesspositionen in 4 sind schematisch dargestellt und jede Druckmessposition ist nicht auf die Positionen in 4 beschränkt.
  • Das Umwälzgebläse 348 ist in der Brennstoffabgasleitung 343 vorgesehen. Die Brennstoffabgasleitung 343 ist mit dem Regulierventil 347 zum Regulieren der Strömungsrate eines Teils des Brennstoffabgases L3 versehen, das der katalytischen Brennkammer 422 zugeführt wird. Mit anderen Worten, das Regelventil 347 regelt den Druckzustand des Brennstoffabgases L3. Daher kann, wie später beschrieben wird, der Differenzdruck zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 durch Steuern des Regelventils 347 mit der Steuereinheit 20 reguliert werden.
  • Eine Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350, die das Abgas L3 an die Atmosphäre (Außenseite des Systems) abgibt, ist mit der Brennstoffabgasleitung 343 auf der Stromabwärtsseite des Umwälzgebläses 348 verbunden. Ein Absperrventil (Brennstoffentlüftungsventil) 346 ist an der Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350 vorgesehen. Mit anderen Worten, durch Öffnen des Absperrventils 346 kann ein Teil des Brennstoffabgases L3 der Brennstoffabgasleitung 343 aus der Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350 freigesetzt werden. Durch das Abführen des Brennstoffabgases L3 zu der Außenseite des Systems kann der Überdruck schnell reguliert werden. In der Brennstoffabgasleitung 343 ist die Brennstoffgasumwälzleitung 349 zum Rückführen des Brennstoffabgases L3 zu der Brennstoffgaseinleitungseinheit der Anode 109 der SOFC 313 mit der Brennstoffgasleitung 341 verbunden.
  • Weiterhin ist die Brennstoffgasumwälzleitung 349 mit einer Versorgungsleitung 361 für gereinigtes Wasser zum Zuführen von gereinigtem Wasser zum Umformen des Brennstoffgases L1 an der Anode 109 versehen. Die Versorgungsleitung 361 für gereinigtes Wasser ist mit einer Pumpe 362 versehen. Durch Steuern der Abgabedurchflussrate der Pumpe 362 wird die Menge an gereinigtem Wasser, die der Anode 109 zugeführt wird, reguliert. Da während Energieerzeugung an der Anode Wasserdampf erzeugt wird, enthält das Brennstoffabgas L3 der Brennstoffabgasleitung 343 Wasserdampf. Daher wird der Wasserdampf rückgeführt und durch die Brennstoffgasumwälzleitung 349 zugeführt, und dementsprechend kann die Strömungsrate des durch die Versorgungsleitung 361 für gereinigtes Wasser zugeführten gereinigten Wassers verringert oder unterbrochen werden.
  • Als nächstes wird eine Konfiguration zum Freigeben des von dem Kompressor 421 abgegebenen Oxidationsgases beschrieben. Insbesondere ist in der Oxidationsgas-Zuleitung 331 auf der Stromabwärtsseite des Kompressors 421 eine Oxidationsgas-Blasleitung 444 vorgesehen, so dass das Oxidationsgas strömen kann, so dass es den Wärmetauscher 430 umgeht und freigesetzt wird. Ein Ende der Oxidationsgas-Blasleitung 444 ist mit der Stromaufwärtsseite des Wärmetauschers 430 der Oxidationsgas-Zuleitung 331 verbunden, und das andere Ende ist mit der Stromabwärtsseite des Wärmetauschers 430 der Verbrennungsabgasleitung 329, die die Stromabwärtsseite der Turbine 423 ist, verbunden. Ein Ablassventil (Luftabsaug-Blasventil) 445 ist an der Oxidationsgas-Blasleitung 444 vorgesehen. Mit anderen Worten, durch Öffnen des Ablassventils 445 wird ein Teil des Oxidationsgases, das von dem Kompressor 421 abgegeben wird, durch den Kamin (nicht dargestellt) via die Oxidationsgas-Blasleitung 444 an die Atmosphäre außerhalb des Systems abgegeben.
  • Als nächstes wird die Konfiguration beschrieben, die zum Starten des Brennstoffzellensystems 310 verwendet wird. Die Oxidationsgas-Zuleitung 331 ist mit einem Steuerventil 451 auf der Stromabwärtsseite des Verbindungspunkts mit der Oxidationsgas-Blasleitung 444 versehen, und die Stromabwärtsseite (Stromaufwärtsseite des Wärmetauschers 430) des Steuerventils 451 ist mit einer Anfahrluft-Zuleitung 454 mit einem Gebläse 452 zum Zuführen der Anfahrluft und einem Steuerventil 453 verbunden. Beim Durchführen des Anfahrens des Brennstoffzellensystems 310 schalten das Steuerventil 451 und das Steuerventil 453 auf das Oxidationsgas von dem Kompressor 421 um, während das Gebläse 452 die Anfahrluft an die Oxidationsgas-Zuleitung 331 liefert. In der Oxidationsgas-Zuleitung 331 ist eine Anfahrluft-Heizleitung 455 mit der Stromabwärtsseite (Stromaufwärtsseite des Steuerventils 335) des Wärmetauschers 430 via das Steuerventil 456 mit der Oxidationsabgasleitung 333 auf der Stromabwärtsseite des Abluftkühlers 351 und via ein Steuerventil 457 mit der Oxidationsgas-Zuleitung 331 (Einlassseite der Kathode 113) verbunden. Die Anfahrluft-Heizleitung 455 ist mit einer Anfahrheizung 458 versehen, und das Brennstoffgas L1 wird via ein Steuerventil 459 zugeführt, um das durch die Anfahrluft-Heizleitung 455 strömende Oxidationsgas zu erhitzen.
  • Das Steuerventil 457 reguliert die Strömungsrate des Oxidationsgases, das der Anfahrheizung 458 zugeführt wird, und steuert die Temperatur des Oxidationsgases, das der SOFC 313 zugeführt wird.
  • Das Brennstoffgas L1 wird auch der Kathode 113 via ein Steuerventil 460 zugeführt. Das Steuerventil 460 steuert beispielsweise die Strömungsrate des der Kathode 113 zugeführten Brennstoffgases L1, wenn das Brennstoffgas L1 der Kathode 113 von der Stromabwärtsseite des Steuerventils 457 in der Anfahrluft-Heizleitung 455 zugeführt wird, wenn die SOFC 313 gestartet wird, und die Temperatur der Energieerzeugungskammer wird durch katalytische Verbrennung erhöht.
  • Die Steuereinheit 20 führt Steuerung in dem Brennstoffzellensystem 310 durch. Insbesondere wird die Differenzdrucksteuerung für die SOFC durchgeführt.
  • 6 zeigt ein Beispiel für eine Hardwarekonfiguration der Steuereinheit 20 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
  • Wie in 6 dargestellt ist, ist die Steuereinheit 20 ein Computersystem (Informatiksystem) und enthält beispielsweise eine CPU 11, einen Festspeicher (ROM) 12 zum Speichern eines Programms oder dergleichen, das von der CPU 11 ausgeführt wird, einen Arbeitsspeicher (RAM) 13, der zum Zeitpunkt der Ausführung jedes Programms als ein Arbeitsbereich fungiert, ein Festplattenlaufwerk (HDD) 14 als eine Speichervorrichtung mit großer Kapazität und eine Kommunikationseinheit 15 zum Verbinden mit einem Netzwerk oder dergleichen. Als die Speichervorrichtung mit großer Kapazität kann ein Solid-State-Laufwerk (SSD) verwendet werden. Jedes dieser Teile ist via einen Bus 18 verbunden.
  • Die Steuereinheit 20 kann eine Eingabeeinheit enthalten, die eine Tastatur, eine Maus und dergleichen enthält; und eine Anzeigeeinheit mit einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung zum Anzeigen von Daten.
  • Das Speichermedium zum Speichern des von der CPU 11 ausgeführten Programms oder dergleichen ist nicht auf das ROM 12 beschränkt. Beispielsweise kann das Speichermedium eine andere Hilfsspeichervorrichtung sein, wie beispielsweise eine Magnetplatte, eine magnetooptische Platte oder ein Halbleiterspeicher.
  • Eine Reihe von Prozessen zum Realisieren verschiedener Funktionen (wird später beschrieben) wird auf dem Festplattenlaufwerk 14 oder dergleichen in Form eines Programms gespeichert, die CPU 11 liest das Programm in den RAM 13 oder dergleichen ein und führt eine Informationsverarbeitung und eine arithmetische Verarbeitung aus, und dementsprechend werden verschiedene Funktionen realisiert. Das Programm kann im Voraus in dem ROM 12 oder anderem Speichermedium installiert werden, in einem Zustand vorgesehen werden, in dem es auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert ist, oder via drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsmittel geliefert werden. Das computerlesbare Speichermedium ist eine Magnetplatte, eine magnetooptische Platte, eine CD-ROM, eine DVD-ROM, ein Halbleiterspeicher oder dergleichen.
  • Die Steuereinheit 20 steuert das Regelventil 347, um den Differenzdruck zwischen dem Druck der Kathode 113 und dem Druck der Anode 109 in der Brennstoffzelle zu steuern. In der Brennstoffzelle ist ein Differenzdruckzustand bevorzugt, in dem der Druck der Anode 109 um einen vorbestimmten Differenzdruck (zum Beispiel 0,1 kPa oder mehr und 1 kPa oder weniger) größer als der Druck der Kathode 113 während normalem Betrieb ist. Daher steuert bei der Steuereinheit 20 das Regelventil 347 den Druck auf der Seite von Anode 109, um den Differenzdruck zwischen dem Druck der Kathode 113 und dem Druck der Anode 109 zu regulieren. Der Druck der Kathode 113 ist der Druck des Oxidationsgases oder des Oxidationsabgases A3, das durch die Kathodenleitung strömt, zum Beispiel der Druck des Oxidationsgases in dem SOFC-Modul 201.
  • Der Druck der Anode 109 ist der Druck des Brennstoffgases L1 oder des Brennstoffabgases L3, das durch die Anodenleitung strömt, zum Beispiel der Druck des Brennstoffgases L1 in dem SOFC-Modul 201.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind die Brennstoffabgasleitung 343 und die Oxidationsabgasleitung 333 mit dem Druckausgleichsraum 462 der katalytischen Brennkammer 422 verbunden. Mit anderen Worten sind das Gas, das die Brennstoffkomponente enthält, die von der Brennstoffabgasleitung 343 abgegeben wird, und das Gas, das die Oxidationsgaskomponente enthält, die von der Oxidationsabgasleitung 333 abgegeben wird, mit einem gemeinsamen Raum verbunden, der als der Druckausgleichsraum 462 bezeichnet wird, und der Druck davon wird ausgeglichen, und die Gase werden miteinander vermischt. Mit anderen Worten wird der Druckzustand der Brennstoffabgasleitung 343 und der Oxidationsabgasleitung 333 auf der Auslassseite (Seite von Druckausgleichsraum 462) ausgeglichen. Da darüber hinaus die Öffnung 441 bei der Oxidationsabgasleitung 333 vorgesehen ist, wird ein konstanter Druckverlust gemäß der Strömungsrate des im Inneren strömenden Oxidationsabgases A3 in der Oxidationsabgasleitung 333 hinzugefügt. Daher wird der Druckverlust der Öffnung 441 auf der Grundlage des Drucks des Druckausgleichsraums 462 hinzugefügt, und der Druckverlust der Röhre zu dem Auslass der Kathode 113, wie zum Beispiel der Oxidationsabgasleitung 333, wird hinzugefügt, und der Druckzustand auf der Seite der Kathode 113 wird bestimmt. Derweil ist die Anode 109 via das Regelventil 347 bei der Brennstoffabgasleitung 343 mit dem Druckausgleichsraum 462 verbunden. Daher wird auf der Grundlage des Drucks in dem Druckausgleichsraum 462 ein Druckverlust aufgrund der Regulierung der Öffnung des Regelventils 347 hinzugefügt, und ferner wird ein Druckverlust der Röhre zu dem Auslass der Anode 109, wie zum Beispiel der Brennstoffabgasleitung 343, hinzugefügt, und der Druckzustand auf der Seite der Anode 109 wird bestimmt. Mit anderen Worten kann der Druck auf der Seite der Anode 109 reguliert werden, indem der Druckverlust reguliert wird, der mit der Regulierung der Öffnung des Regelventils 347 einhergeht. Auf diese Weise wird durch Verwenden des Druckausgleichsraums 462 und der Öffnung 441 der Druckverlust der Öffnung 441 dem Oxidationsabgas auf der Grundlage des Drucks in dem Druckausgleichsraum 462 hinzugefügt, und dementsprechend kann eine Druckdifferenz erhalten werden, die ausreicht, um effektive und stabile Steuerung von Druckregulierung durch das bei der Brennstoffabgasleitung 343 vorgesehene Regelventil 347 zu ermöglichen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem der Differenzdruck durch das Regelventil 347 unter Verwendung des Regelventils 347, des Druckausgleichsraums 462 und der Öffnung 441 effektiv gesteuert werden kann, aber sowohl der Druckausgleichsraum 462 als auch die Öffnung 441 können auch einzeln den Differenzdruck durch das Regelventil 347 steuern. Wenn der Betriebsdifferenzdruck für Druckregulierung durch das Regelventil 347 der Brennstoffabgasleitung 343 ohne Einbau der Öffnung (Druckverlusteinheit) 441 sichergestellt werden kann, kann auch nur das Regelventil 347 zum Steuern des Differenzdrucks vorgesehen sein.
  • Die Steuereinheit 20 erfasst den Druck auf der Seite der Kathode 113 und den Druck auf der Seite der Anode 109. Dann wird die Differenz zwischen dem Druck der Kathode 113 und dem Druck der Anode 109 als der Differenzdruck verwendet, und die Öffnung des Regelventils 347 wird so gesteuert, dass der Differenzdruck ein vorbestimmter Differenzdruck wird. Der Druck der Kathode 113 und der Druck der Anode 109 können einzeln erfasst werden, oder der Differenzdruck kann durch Verwenden des Differenzdrucksensors 370 erfasst werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Differenzdruck ein Wert, der durch Subtrahieren des Drucks der Kathode 113 von dem Druck der Anode 109 erhalten wird. Mit anderen Worten ist in einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Anode 109 höher ist, der Differenzdruck ein positiver Wert, und in einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Kathode 113 höher ist, ist der Differenzdruck ein negativer Wert. Beispielsweise wird in einem Fall, in dem der Druck der Anode 109 höher als der vorbestimmte Differenzdruck in Bezug auf den Druck der Kathode 113 ist, Steuerung in der Richtung des Öffnens der Öffnung des Regelventils 347 so durchgeführt, dass der Druck der Anode 109 abnimmt.
  • Auf diese Weise wird der Differenzdruckzustand durch Steuern des Regelventils 347 effektiv reguliert.
  • In einem Fall, in dem eine Abnormalität bei dem Differenzdruckzustand auftritt, führt die Steuereinheit 20 Abnormalitätsreaktionssteuerung durch. Der abnormale Zustand ist ein Fall, in dem die Druckdifferenz der Anode 109 gegenüber der Kathode 113 höher als der vorbestimmte Wert ist. Der vorbestimmte Wert wird als ein unterer Grenzwert eingestellt, von dem angenommen wird, dass er sich in einem Fall, in dem die Anode 109 höher als die Kathode 113 ist, in einem abnormalen Zustand befindet. In der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise ein vorbestimmter Wert in einem Bereich eines Differenzdrucks von 1 kPa oder mehr und 50 kPa oder weniger eingestellt.
  • Insbesondere in einem Fall, in dem die Druckdifferenz der Anode 109 gegenüber der Kathode 113 höher als der vorbestimmte Wert wird, öffnet die Steuereinheit 20 das Absperrventil 346, das in der Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350 vorgesehen ist. Dementsprechend kann ein Teil des von der Anode 109 abgegebenen Brennstoffabgases an die Atmosphäre freigesetzt werden, um den Druck auf der Seite der Anode 109 schnell zu verringern. Daher ist es möglich, den Fall zu verhindern, in dem der Differenzdruckzustand ein abnormaler Zustand wird und andauert, und zu dem stabilen Zustand zurückzukehren.
  • Der abnormale Zustand kann ein Fall sein, in dem die Kathode 113 höher als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Anode 109 ist. In einem solchen Fall wird der vorbestimmte Wert als ein unterer Grenzwert eingestellt, von dem angenommen wird, dass er in einem Fall, in dem die Kathode 113 höher als die Anode 109 ist, ein abnormaler Zustand ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise ein vorbestimmter Wert in einem Bereich eines Differenzdrucks von -50 kPa oder mehr und -1 kPa oder weniger eingestellt.
  • Insbesondere in einem Fall, in dem der Druck der Kathode 113 gegenüber dem Druck der Anode 109 höher als ein vorbestimmter Wert wird, öffnet die Steuereinheit 20 das Ablassventil 445, das in der Oxidationsgas-Blasleitung 444 vorgesehen ist. Dementsprechend kann die Menge an Oxidationsgas, die der Kathode 113 zugeführt wird, verringert werden, und der Druck der Kathode 113 kann schnell gesenkt werden. Daher ist es möglich, einen Fall zu verhindern, in dem der Differenzdruckzustand ein abnormaler Zustand wird und andauert, und zu dem stabilen Zustand zurückzukehren.
  • Als nächstes wird ein Beispiel einer Differenzdrucksteuerung durch die oben beschriebene Steuereinheit 20 unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Prozedur der Differenzdrucksteuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. Der in 7 dargestellte Fluss wird beispielsweise in einem vorbestimmten Steuerzyklus wiederholt ausgeführt.
  • Zunächst werden der Druck der Kathode 113 und der Druck der Anode 109 erfasst, und der Differenzdruck wird bestätigt. Andernfalls kann der Differenzdruck zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 erfasst werden (S101).
  • Als nächstes wird bestimmt, ob der Differenzdruck ein vorbestimmter Differenzdruck ist oder nicht (S102). In S102 kann der Soll-Differenzdruck als ein vorbestimmter Differenzdruckbereich (einschließlich eines vorbestimmten Differenzdrucks) eingestellt werden, und es kann bestimmt werden, ob der Differenzdruck innerhalb des vorbestimmten Differenzdruckbereichs liegt oder nicht.
  • In einem Fall, in dem der Differenzdruck ein vorbestimmter Differenzdruck ist (JA-Bestimmung in S102), endet der Prozess.
  • In einem Fall, in dem der Differenzdruck nicht ein vorbestimmter Differenzdruck ist (NEIN-Bestimmung in S102), wird die Öffnung des Regelventils 347 gesteuert, um die Differenzdruck-Regulierungssteuerung auszuführen (S103).
  • Auf diese Weise wird der Differenzdruckzustand zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 bei einem geeigneten Wert aufrechterhalten.
  • Als nächstes wird ein Beispiel eines Abnormalitätsprozesses durch die oben beschriebene Steuereinheit 20 unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. 8 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms einer Prozedur, um mit dem abnormalen Prozess gemäß der vorliegenden Ausführungsform umzugehen. Der in 8 dargestellte Fluss wird beispielsweise in einem vorbestimmten Steuerzyklus wiederholt ausgeführt.
  • Zunächst werden der Druck der Kathode 113 und der Druck der Anode 109 erfasst (S201). Andernfalls kann der Differenzdruck zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 erfasst werden.
  • Es wird bestimmt, ob der Druck auf der Seite der Anode 109 höher als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Kathode 113 ist oder nicht (S202).
  • In einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Anode 109 nicht höher als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Kathode 113 ist (NEIN-Bestimmung in S202), endet der Prozess.
  • In einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Anode 109 gleich oder höher als der vorbestimmte Wert in Bezug auf die Kathode 113 ist (JA-Bestimmung in S202), wird das bei der Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350 vorgesehene Absperrventil (Brennstoffentlüftungsventil) 346 geöffnet (S203). Auf diese Weise wird sofortige atmosphärische Freigabesteuerung des Brennstoffgases durchgeführt.
  • In einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Anode 109 geringer als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Kathode 113 ist, wird das Absperrventil (Brennstoffentlüftungsventil) 346 geschlossen (S204).
  • Als nächstes wird ein Beispiel des Abnormalitätsprozesses durch die oben beschriebene Steuereinheit 20 unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms einer Prozedur des Abnormalitätsprozesses gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Der in 9 dargestellte Fluss wird beispielsweise in einem vorbestimmten Steuerzyklus wiederholt ausgeführt.
  • Zunächst werden der Druck der Kathode 113 und der Druck der Anode 109 erfasst (S301). Andernfalls kann der Differenzdruck zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 erfasst werden.
  • Es wird bestimmt, ob der Druck auf der Seite der Kathode 113 höher als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Anode 109 ist oder nicht (S302).
  • In einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Kathode 113 nicht höher als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Anode 109 ist (NEIN-Bestimmung in S302), endet der Prozess.
  • In einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Kathode 113 höher als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Anode 109 ist (JA-Bestimmung in S302), wird das bei der Oxidationsgas-Blasleitung 444 vorgesehene Ablassventil (Luftabsaug-Blasventil) 445 geöffnet (S303). Auf diese Weise wird die sofortige atmosphärische Freigabesteuerung des Oxidationsgases durchgeführt.
  • In einem Fall, in dem der Druck auf der Seite der Kathode 113 geringer als ein vorbestimmter Wert in Bezug auf die Anode 109 ist, wird das Ablassventil (Luftabsaug-Blasventil) 445 geschlossen (S304).
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß dem Brennstoffzellensystem und dem Steuerverfahren dafür gemäß der vorliegenden Ausführungsform in einem Fall, in dem das von der Brennstoffzelle abgegebene Brennstoffabgas und das von der Brennstoffzelle abgegebene Oxidationsgas dem Turbolader 411 zugeführt werden, durch Steuern des bei der Brennstoffabgasleitung 343 vorgesehenen Regelventils 347, um den Differenzdruck zwischen dem Druck der Kathode 113 und dem Druck der Anode 109 in der Brennstoffzelle zu steuern, die Druckdifferenz zwischen der Kathode 113 und der Anode 109 in der Brennstoffzelle ordnungsgemäß reguliert werden.
  • In einem Fall des Anwendens der vorliegenden Offenbarung auf ein Energieerzeugungssystem, das die Brennstoffzelle und die Gasturbine (zum Beispiel eine Mikrogasturbine) kombiniert, ändert sich der Druckzustand des Oxidationsgases, das der Kathode 113 zugeführt wird, gemäß der Zustandsänderung der Mikrogasturbine zu dem Zeitpunkt von Anfahren oder Stopp, und somit besteht eine Möglichkeit, dass die Differenzdrucksteuerung zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 aufgrund plötzlicher Druckschwankungen nicht erfolgreich wird. Daher wird in einem Fall, in dem aus irgendeinem Grund eine Abschaltung auftritt, der Generator der Mikrogasturbine entlastet, und es sind Schutzmaßnahmen für die Mikrogasturbine erforderlich. Daher ist es notwendig, ein Entlüftungssystem und ein Entlüftungsventil zum Freisetzen des Oxidationsgases durch die Oxidationsabgasleitung 333 an die Atmosphäre (außerhalb des Systems) vorzusehen, aber wenn der Turbolader 411 auf die Brennstoffzelle angewendet wird und der Differenzdruck durch das Regelventil 347 reguliert wird, wird es möglich, die Notwendigkeit des Entlüftungssystems und des Entlüftungsventils, das das Oxidationsgas an die Atmosphäre freisetzt, zu eliminieren. Daher ist es möglich, die Konfiguration zu vereinfachen und die Kosten zu senken.
  • Durch Vorsehen des Druckausgleichsraums 462, der mit der Brennstoffabgasleitung 343 und mit der Oxidationsabgasleitung 333 verbunden ist und der das Brennstoffabgas und das Oxidationsgas zum Ausgleichen des Drucks mischt, kann der Druckzustand des Auslasses der Oxidationsabgasleitung 333 und des Auslasses der Brennstoffabgasleitung 343 leicht ausgeglichen werden. Daher kann die Druckdifferenz zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 effizienter durch das Regelventil 347 gesteuert werden.
  • Die Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350, die das Brennstoffabgas an die Atmosphäre freisetzt, ist an der Brennstoffabgasleitung 343 vorgesehen, das Absperrventil 346 ist bei der Brennstoffabgas-Freigabeleitung 350 vorgesehen, und dementsprechend kann selbst in einem Fall eines abnormalen Zustand, in dem der Druck des Brennstoffabgases in der Brennstoffabgasleitung 343 höher als ein vorbestimmter Wert ist, das Brennstoffabgas durch das Absperrventil 346 an die Atmosphäre freigesetzt werden. In einem Fall, in dem der Druck der Anode 109 gegenüber dem Druck der Kathode 113 höher als ein vorbestimmter Wert wird, kann durch Öffnen des Absperrventils 346 der Druck der Anode 109 durch das Absperrventil 346 reguliert werden, und der abnormale Zustand kann unterdrückt werden.
  • In einem Fall, in dem die Oxidationsgas-Zuleitung 331 mit der Oxidationsgas-Blasleitung 444 versehen ist, durch die das Oxidationsgas strömt, und die Oxidationsgas-Blasleitung 444 mit dem Ablassventil 445 versehen ist, ist es durch Öffnen des Ablassventils 445 in einem Fall, in dem der Druck der Kathode 113 gegenüber dem Druck der Anode 109 höher als ein vorbestimmter Wert wird, möglich, einen abnormalen Zustand zu unterdrücken, in dem der Druck der Kathode 113 gegenüber dem Druck der Anode 109 höher als der vorbestimmte Wert wird.
  • Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in geeigneter Weise modifiziert werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Das Brennstoffzellensystem und das Steuerverfahren dafür, die in jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben sind, werden beispielsweise wie folgt verstanden.
  • Ein Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält eine Brennstoffzelle (313), die eine Kathode (113) und eine Anode (109) aufweist; einen Turbolader (411), der eine Turbine (423) und einen Kompressor (421) aufweist; eine Brennstoffabgasleitung (343) zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle (313) abgegebenen Brennstoffabgases (L3) zu einer Brennkammer (422); eine Oxidationsabgasleitung (333) zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle (313) abgegebenen Oxidationsabgases (A3) zu der Brennkammer (422); eine Verbrennungsgas-Zuleitung (328) zum Zuführen eines von der Brennkammer (422) abgegebenen Verbrennungsgases (G) zu der Turbine (423); eine Oxidationsgas-Zuleitung (331) zum Zuführen eines durch den Kompressor (421) komprimierten Oxidationsgases (A2) zu der Kathode (113) durch drehendes Antreiben durch die Turbine; ein Regelventil (347), das an der Brennstoffabgasleitung (343) vorgesehen ist; und eine Steuereinheit (20), die das Regelventil (347) steuert, um einen Differenzdruck zwischen einem Druck der Kathode (113) und einem Druck der Anode (109) in der Brennstoffzelle (313) zu steuern, wobei an der Oxidationsabgasleitung (333) ein Entlüftungssystem, das das Oxidationsabgas (A3) nach außerhalb des Systems abgibt, nicht vorgesehen ist.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) bezüglich der vorliegenden Offenbarung kann in einem Fall, in dem das von der Brennstoffzelle (313) abgegebene Brennstoffabgas (L3) und das von der Brennstoffzelle (313) abgegebene Oxidationsgas dem Turbolader (411) zugeführt werden, durch Steuern des bei der Brennstoffabgasleitung (343) vorgesehenen Regelventils (347), um den Differenzdruck zwischen dem Druck der Kathode (113) und dem Druck der Anode (109) in der Brennstoffzelle (313) zu steuern, die Druckdifferenz zwischen der Anode (109) und der Kathode (113) in der Brennstoffzelle (313) ordnungsgemäß reguliert werden.
  • In einem Fall des Anwendens der vorliegenden Offenbarung auf ein Energieerzeugungssystem, das die Brennstoffzelle (313) und die Gasturbine (411) (zum Beispiel eine Mikrogasturbine (411)) kombiniert, ändert sich der Druckzustand des Oxidationsgases, das der Kathode (113) zugeführt wird, gemäß der Zustandsänderung der Mikrogasturbine zu dem Zeitpunkt von Anfahren oder Stopp der Mikrogasturbine (411), und somit besteht eine Möglichkeit, dass die Differenzdrucksteuerung zwischen der Anode 109 und der Kathode 113 aufgrund plötzlicher Druckschwankungen nicht erfolgreich wird. Daher wird in einem Fall, in dem aus irgendeinem Grund eine Abschaltung auftritt, der Generator der Mikrogasturbine entlastet, und es sind Schutzmaßnahmen für die Mikrogasturbine erforderlich. Daher ist es notwendig, ein Entlüftungsventil an der Entlüftungsleitung zum Freisetzen des Oxidationsgases durch die Oxidationsabgasleitung (333) an die Atmosphäre vorzusehen, aber wenn der Turbolader (411) auf die Brennstoffzelle (313) angewendet wird und der Differenzdruck durch das Regelventil (347) reguliert wird, wird es möglich, die Notwendigkeit des Entlüftungsventils des Entlüftungssystems, das das Oxidationsgas an die Atmosphäre freisetzt, zu eliminieren. Daher ist es möglich, die Konfiguration zu vereinfachen und die Kosten zu senken. Das Entlüftungssystem gibt während Betrieb das Oxidationsabgas nach außerhalb des Systems ab.
  • Das Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine Druckausgleichseinheit (462) enthalten, die mit der Brennstoffabgasleitung (343) und mit der Oxidationsabgasleitung (333) verbunden ist und die Drücke des Brennstoffabgases (L3) und des Oxidationsabgases (A3) ausgleicht.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) der vorliegenden Offenbarung sind die Brennstoffabgasleitung (343) und die Oxidationsabgasleitung (333) mit einem gemeinsamen Raumabschnitt verbunden, die Druckausgleichseinheit (462), die die Drücke des Brennstoffabgases (L3) und des Oxidationsabgases ausgleicht, wird gebildet, und dementsprechend kann der Druckzustand des Auslasses der Brennstoffabgasleitung (343) und des Auslasses der Oxidationsabgasleitung (333) leicht ausgeglichen werden. Daher kann die Druckdifferenz zwischen der Kathode (113) und der Anode (109) effizienter durch das Regelventil (347) gesteuert werden. Da das Brennstoffabgas (L3) und das Oxidationsabgas auch in der Druckausgleichseinheit (462) gemischt werden können, ist das Brennstoffzellensystem für Verbrennung geeignet.
  • In dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Druckausgleichseinheit (462) als ein gemeinsamer Raum vorgesehen sein, dem das Brennstoffabgas und das Oxidationsabgas in der Brennkammer (422) zugeführt werden.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch Vorsehen einer Druckausgleichseinheit als ein gemeinsamer Raum, dem das Brennstoffabgas und das Oxidationsabgas in der Brennkammer (422) zugeführt werden, der Druck des Brennstoffabgases (L3) und des Oxidationsgases ausgeglichen werden, und die Gase können miteinander vermischt werden. Insbesondere kann als die Brennkammer eine katalytische Brennkammer verwendet werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Brennkammer (422) das Brennstoffabgas (L3) und das Oxidationsabgas (A3) bei der Druckausgleichseinheit (462) mischen und das Mischgas bei einer katalytischen Verbrennungseinheit (461) unter Verwendung eines Verbrennungskatalysators verbrennen.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) bezüglich der vorliegenden Offenbarung können Druckausgleich und katalytische Verbrennung in der Brennkammer durchgeführt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ferner eine Druckverlusteinheit (441) vorgesehen sein, die bei der Oxidationsabgasleitung (333) vorgesehen ist und die dem Oxidationsabgas (A3) einen Druckverlust hinzufügt.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) bezüglich der vorliegenden Offenbarung ist es durch Vorsehen einer Druckverlusteinheit (zum Beispiel einer Öffnung), die dem Oxidationsgas in der Oxidationsabgasleitung (333) einen Druckverlust hinzufügt, möglich, Differenzdrucksteuerung effizienter via das Regelventil (347) durchzuführen.
  • In dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung können ferner eine Brennstoffabgas-Freigabeleitung (350), die mit der Brennstoffabgasleitung (343) verbunden ist und die das Brennstoffabgas (L3) an die Atmosphäre freisetzt; und ein Absperrventil (346), das an der Brennstoffabgas-Freigabeleitung (350) vorgesehen ist, vorgesehen sein.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) bezüglich der vorliegenden Offenbarung ist die Brennstoffabgas-Freigabeleitung (350), die das Brennstoffgas an die Atmosphäre freisetzt, an der Brennstoffabgasleitung (343) vorgesehen, das Absperrventil (346) ist bei der Brennstoffabgas-Freigabeleitung (350) vorgesehen, und dementsprechend kann selbst in einem Fall eines abnormalen Zustand, in dem der Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffabgasleitung (343) höher als ein vorbestimmter Wert ist, das Brennstoffabgas durch das Absperrventil (346) an die Atmosphäre freigesetzt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Steuereinheit (20) das Absperrventil (346) in einem Fall öffnen, in dem der Druck der Anode (109) gegenüber dem Druck der Kathode (113) höher als ein vorbestimmter Wert wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung kann in einem Fall, in dem der Druck der Anode (109) gegenüber dem Druck der Kathode (113) höher als ein vorbestimmter Wert wird, durch Öffnen des Absperrventils (346) der Druck der Anode (109) durch das Absperrventil (346) reguliert werden, und der abnormale Zustand kann unterdrückt werden.
  • In dem Brennstoffzellensystem (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung können ferner eine Blasleitung (444), die mit der Oxidationsgas-Zuleitung (331) verbunden ist und durch die das Oxidationsgas (A2) strömt; und ein Ablassventil (445), das an der Blasleitung (444) vorgesehen ist, vorgesehen sein, und die Steuereinheit (20) kann das Ablassventil (445) in einem Fall öffnen, in dem der Druck der Kathode (113) gegenüber dem Druck der Anode (109) höher als ein vorbestimmter Wert wird.
  • Gemäß dem Brennstoffzellensystem (310) bezüglich der vorliegenden Offenbarung kann in einem Fall, in dem die Oxidationsgas-Zuleitung (331) mit der Oxidationsgas-Blasleitung (444) versehen ist, durch die das Oxidationsgas strömt, und die Oxidationsgas-Blasleitung (444) mit dem Ablassventil (445) versehen ist, ist es durch Öffnen des Ablassventils (445) in einem Fall, in dem der Druck der Kathode (113) gegenüber dem Druck der Anode (109) höher als ein vorbestimmter Wert wird, möglich, einen abnormalen Zustand zu unterdrücken, in dem der Druck der Kathode (113) gegenüber dem Druck der Anode (109) höher als der vorbestimmte Wert wird.
  • Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (310) gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems (310), das eine Brennstoffzelle (313), die eine Kathode (113) und eine Anode (109) aufweist, einen Turbolader (411), der eine Turbine (423) und einen Kompressor (421) aufweist, eine Brennstoffabgasleitung (343) zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle (313) abgegebenen Brennstoffabgases (L3) zu einer Brennkammer (422), eine Oxidationsabgasleitung (333) zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle (313) abgegebenen Oxidationsabgases (A3) zu der Brennkammer (422), eine Verbrennungsgas-Zuleitung (328) zum Zuführen eines von der Brennkammer (422) abgegebenen Verbrennungsgases (G) zu der Turbine (423), eine Oxidationsgas-Zuleitung (331) zum Zuführen eines durch den Kompressor (421) komprimierten Oxidationsgases (A2) zu der Kathode (113) durch drehendes Antreiben durch die Turbine, und ein Regelventil (347), das an der Brennstoffabgasleitung (343) vorgesehen ist, wobei ein Entlüftungssystem, das das Oxidationsabgas (A3) nach außerhalb des Systems abgibt, nicht an der Oxidationsabgasleitung (333) vorgesehen ist, enthält, wobei das Verfahren enthält: Steuern des Regelventils (347), um einen Differenzdruck zwischen einem Druck der Kathode (113) und einem Druck der Anode (109) in der Brennstoffzelle (313) zu steuern.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    CPU
    12
    ROM
    13
    RAM
    14
    Festplattenlaufwerk
    15
    Kommunikationseinheit
    18
    Bus
    20
    Steuereinheit
    101
    Zellenstapel
    103
    Substratrohr
    105
    Brennstoffzelle
    107
    Zwischenverbinder
    109
    Anode (Brennstoffelektrode)
    111
    Festelektrolytfilm
    113
    Kathode (Luftelektrode)
    115
    Bleifilm
    201
    SOFC-Modul
    203
    SOFC-Einsatz
    205
    Druckbehälter
    207
    Brennstoffgas-Zufuhrröhre
    207a
    Brennstoffgas-Zufuhrzweigröhre
    209
    Brennstoffgas-Abgaberöhre
    209a
    Brennstoffgas-Abgabezweigröhre
    215
    Energieerzeugungskammer
    217
    Brennstoffgas-Zufuhrkopf
    219
    Brennstoffgas-Abgabekopf
    221
    Oxidationsgas-Zufuhrkopf
    223
    Oxidationsgas-Abgabekopf
    225a
    obere Rohrplatte
    225b
    untere Rohrplatte
    227a
    obere Wärmedämmung
    227b
    untere Wärmedämmung
    229a
    oberes Gehäuse
    229b
    unteres Gehäuse
    231a
    Brennstoffgas-Zufuhrloch
    231b
    Brennstoffgas-Abgabeloch
    233a
    Oxidationsgas-Zufuhrloch
    233b
    Oxidationsgas-Abgabeloch
    235a
    Oxidationsgas-Zufuhrspalt
    235b
    Oxidationsgas-Abgabespalt
    237a
    Dichtungselement
    237b
    Dichtungselement
    310
    Brennstoffzellensystem
    313
    SOFC (Brennstoffzelle)
    325
    Luftansaugleitung
    328
    Verbrennungsgas-Zuleitung
    329
    Verbrennungsabgasleitung
    331
    Oxidationsgas-Zuleitung
    332
    Wärmetauscher-Bypassleitung
    333
    Oxidationsabgasleitung
    335
    Steuerventil
    336
    Steuerventil
    341
    Brennstoffgasleitung
    342
    Steuerventil
    343
    Brennstoffabgasleitung
    346
    Absperrventil
    347
    Regelventil
    348
    Umwälzgebläse
    349
    Brennstoffgasumwälzleitung
    350
    Brennstoffabgas-Freigabeleitung
    351
    Abluftkühler
    352
    Steuerventil
    361
    Versorgungsleitung für gereinigtes Wasser
    362
    Pumpe
    370
    Differenzdrucksensor
    411
    Turbolader
    421
    Kompressor
    422
    katalytische Brennkammer (Brennkammer)
    423
    Turbine
    424
    Drehwelle
    430
    Wärmetauscher
    441
    Öffnung (Druckverlusteinheit)
    442
    Abhitzerückgewinnungsausrüstung
    443
    Steuerventil
    444
    Oxidationsgas-Blasleitung
    445
    Ablassventil (Luftabsaug-Blasventil)
    451
    Steuerventil
    452
    Gebläse
    453
    Steuerventil
    454
    Anfahrluft-Zuleitung
    455
    Anfahrluft-Heizleitung
    456
    Steuerventil
    457
    Steuerventil
    458
    Anfahrheizung
    459
    Steuerventil
    460
    Steuerventil
    461
    katalytische Verbrennungseinheit
    462
    Druckausgleichsraum (Druckausgleichseinheit)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2013211265 [0002]
    • JP 201695940 [0002]
    • JP 201832472 [0002]
    • JP 6591112 [0002]

Claims (9)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle, die eine Kathode und eine Anode aufweist; einen Turbolader, der eine Turbine und einen Kompressor aufweist; eine Brennstoffabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Brennstoffabgases zu einer Brennkammer; eine Oxidationsabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsabgases zu der Brennkammer; eine Verbrennungsgas-Zuleitung zum Zuführen eines von der Brennkammer abgegebenen Verbrennungsgases zu der Turbine; eine Oxidationsgas-Zuleitung zum Zuführen eines durch den Kompressor komprimierten Oxidationsgases zu der Kathode durch drehendes Antreiben durch die Turbine; ein Regelventil, das an der Brennstoffabgasleitung vorgesehen ist; und eine Steuereinheit, die das Regelventil steuert, um einen Differenzdruck zwischen einem Druck der Kathode und einem Druck der Anode in der Brennstoffzelle zu steuern, wobei an der Oxidationsabgasleitung ein Entlüftungssystem, das das Oxidationsabgas nach außerhalb des Systems abgibt, nicht vorgesehen ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Druckausgleichseinheit, die mit der Brennstoffabgasleitung und mit der Oxidationsabgasleitung verbunden ist und Drücke des Brennstoffabgases und des Oxidationsabgases ausgleicht.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Druckausgleichseinheit als ein gemeinsamer Raum vorgesehen ist, dem das Brennstoffabgas und das Oxidationsabgas in der Brennkammer zugeführt werden.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Brennkammer das Brennstoffabgas und das Oxidationsabgas an der Druckausgleichseinheit mischt und das Mischgas an einer katalytischen Verbrennungseinheit unter Verwendung eines Verbrennungskatalysators verbrennt.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend: eine Druckverlusteinheit, die bei der Oxidationsabgasleitung vorgesehen ist und die dem Oxidationsabgas einen Druckverlust hinzufügt.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine Brennstoffabgas-Freigabeleitung, die mit der Brennstoffabgasleitung verbunden ist und das Brennstoffabgas an Atmosphäre freisetzt; und ein Absperrventil, das an der Brennstoffabgas-Freigabeleitung vorgesehen ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit das Absperrventil in einem Fall, in dem der Druck der Anode gegenüber dem Druck der Kathode höher als ein vorbestimmter Wert wird, öffnet.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: eine Blasleitung, die mit der Oxidationsgas-Zuleitung verbunden ist und durch die das Oxidationsgas strömt; und ein Ablassventil, das an der Blasleitung vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit das Ablassventil in einem Fall, in dem der Druck der Kathode gegenüber dem Druck der Anode höher als ein vorbestimmter Wert wird, öffnet.
  9. Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle, die eine Kathode und eine Anode aufweist, einen Turbolader, der eine Turbine und einen Kompressor aufweist, eine Brennstoffabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Brennstoffabgases zu einer Brennkammer, eine Oxidationsabgasleitung zum Zuführen eines von der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsabgases zu der Brennkammer, eine Verbrennungsgas-Zuleitung zum Zuführen eines von der Brennkammer abgegebenen Verbrennungsgases zu der Turbine, eine Oxidationsgas-Zuleitung zum Zuführen eines durch den Kompressor komprimierten Oxidationsgases zu der Kathode durch drehendes Antreiben durch die Turbine und ein Regelventil, das an der Brennstoffabgasleitung vorgesehen ist, enthält, wobei an der Oxidationsabgasleitung ein Entlüftungssystem, das das Oxidationsabgas nach außerhalb des Systems abgibt, nicht vorgesehen ist, wobei das Verfahren umfasst: Steuern des Regelventils, um einen Differenzdruck zwischen einem Druck der Kathode und einem Druck der Anode in der Brennstoffzelle zu steuern.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013211265A (ja) 2012-02-27 2013-10-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 複合発電システム及び複合発電システムの運転方法
JP2016095940A (ja) 2014-11-12 2016-05-26 三菱日立パワーシステムズ株式会社 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備える複合発電システム、並びに、固体酸化物形燃料電池システムの停止方法
JP2018032472A (ja) 2016-08-22 2018-03-01 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池システム及びその制御方法、並びに、発電システム及びその制御方法
JP6591112B1 (ja) 2019-05-31 2019-10-16 三菱日立パワーシステムズ株式会社 加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60115172A (ja) * 1983-11-25 1985-06-21 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
JP2001015134A (ja) * 1999-06-29 2001-01-19 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池とガスタービンの複合発電装置
JP2004247117A (ja) * 2003-02-13 2004-09-02 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 燃料電池発電プラントの差圧制御装置
JP4146411B2 (ja) * 2004-09-30 2008-09-10 三菱重工業株式会社 複合発電システム及び複合発電システムの運転方法
JP4074617B2 (ja) * 2004-12-28 2008-04-09 本田技研工業株式会社 触媒燃焼器及び燃焼ヒータ並びに燃料電池システム
US8394552B2 (en) * 2006-09-19 2013-03-12 Hamilton Sundstrand Corporation Jet fuel based high pressure solid oxide fuel cell system
JP5161497B2 (ja) * 2007-06-15 2013-03-13 三菱重工業株式会社 高温型燃料電池および高温型燃料電池の制御方法
JP6116871B2 (ja) * 2012-11-22 2017-04-19 三菱日立パワーシステムズ株式会社 発電システム及び発電システムの運転方法
CN105723552B (zh) * 2013-11-14 2018-04-20 日产自动车株式会社 燃料电池系统
JP6472638B2 (ja) * 2014-10-30 2019-02-20 三菱日立パワーシステムズ株式会社 複合発電システム、その制御装置及び方法並びにプログラム
JP6103120B1 (ja) * 2016-02-12 2017-03-29 富士電機株式会社 燃料電池装置及び燃料電池装置の運転制御方法
JP6785441B2 (ja) * 2016-02-16 2020-11-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 高温動作型燃料電池モジュール
KR102132314B1 (ko) * 2018-02-23 2020-07-09 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013211265A (ja) 2012-02-27 2013-10-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 複合発電システム及び複合発電システムの運転方法
JP2016095940A (ja) 2014-11-12 2016-05-26 三菱日立パワーシステムズ株式会社 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備える複合発電システム、並びに、固体酸化物形燃料電池システムの停止方法
JP2018032472A (ja) 2016-08-22 2018-03-01 三菱日立パワーシステムズ株式会社 燃料電池システム及びその制御方法、並びに、発電システム及びその制御方法
JP6591112B1 (ja) 2019-05-31 2019-10-16 三菱日立パワーシステムズ株式会社 加圧空気供給システム及びこの加圧空気供給システムを備える燃料電池システム並びにこの加圧空気供給システムの起動方法

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