JP2007059359A - 固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数個の固体酸化物形燃料電池スタックを併置した固体酸化物形燃料電池システムを運転するに際して、各固体酸化物形燃料電池スタックの出力特性を十分発揮させ、発電効率を最大にする。
【解決手段】複数個の固体酸化物形燃料電池スタックを併置した固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法であって、各固体酸化物形燃料電池スタックの燃料流量、空気流量及び負荷量を独立に制御し、システム全体として発電効率を最大にすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法。
【選択図】図６

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムの転制御方法に関し、より詳しくは複数個の固体酸化物形燃料電池スタックを併置した固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（以下適宜“ＳＯＦＣ”とも言う）は、電解質材料を挟んでアノードとカソードが配置され、アノード／電解質／カソードの三層ユニットで構成される。その作動温度は８５０〜１０００℃程度、通常１０００℃と高いが、最近では６５０〜８５０℃程度で作動するものも開発されつつある。

ＳＯＦＣは、セル一つでは高々０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためにその複数個を電気的に接続して構成される。例えば、平板方式のＳＯＦＣでは、インターコネクタとセルとを交互に積層してスタック化される。インターコネクタは、セル間を電気的に接続するとともに、アノード及びカソードのそれぞれに燃料及び酸化剤ガス（空気、酸素富化空気または酸素。以下“空気”と言う）を分配供給し、利用済みの燃料及び空気を排出するように構成され、その運転時に、アノード側に燃料を供給し、カソード側に空気を供給することで電力が得られる。

その運転に際して、積層された各セルのうち、性能の高いセルでは電気化学反応がより進行するが、この反応は発熱反応であるので、電気化学反応がより進行するセルでは温度がより高くなる。このため、スタック内のセル間に温度分布差が生じる。また、ＳＯＦＣスタックは、通常断熱容器中に収容して使用されるが、断熱容器に収容しても完全には断熱できないので、容器壁から外部への不可避的な熱放散に起因して、積層中央部のセルの温度は積層両端部のセルの温度に比べて高いので、これによってもスタック内のセル間に温度分布差が生じる。

ところで、ＳＯＦＣスタックは、一個とは限らず、電力需要量などの事情に応じてその複数個を併置しても使用される。このように複数個のＳＯＦＣスタックを併置して構成したＳＯＦＣシステムの場合にも、ＳＯＦＣスタック内のセル間で生じる温度分布差と同じく、各ＳＯＦＣスタック間で温度分布差が発生することは不可避である。その温度分布差により、ＳＯＦＣシステムを構成する各ＳＯＦＣスタックそれぞれの出力特性が異なっているにもかかわらず、通常、各ＳＯＦＣスタックを単純に並列あるいは直列に接続して電力が取り出される。

図１〜２はその接続態様を示す図で、図１は複数個のＳＯＦＣスタックを電気的に並列に接続して電力を取り出す態様、図２は複数個のＳＯＦＣスタックを電気的に直列に接続して電力を取り出す態様である。なお、図１〜２中点線枠は断熱容器を模式的に示し、この点後述図９〜１１においても同じである。図１〜２のとおり、各ＳＯＦＣスタックからの電力は、通常、単一の負荷に接続されて取り出される。

このようなＳＯＦＣシステムは、例えば、定格７５０℃というような温度で運転されるが、その一般的な運転制御方法としては、従来、ＳＯＦＣシステムを全体として温度制御するような方法しか講じられていない。この制御方法において、制御可能な要素はアノードへの燃料供給量とカソードへの空気供給量のみである。このため、ＳＯＦＣシステムの温度が全体として高い場合には温度が上がり過ぎないようにＳＯＦＣシステム全体として多量の空気を流し、逆に、ＳＯＦＣシステムの温度が低い場合にはＳＯＦＣシステム全体として空気流量を減らすといった単純な制御となる。

図３は、ＳＯＦＣシステムを構成する各ＳＯＦＣスタックへの燃料及び空気の供給態様を示す図である。その供給態様は、図１のような並列接続の場合も図２のような直列接続の場合も同じである。図３のとおり、燃料は共通の供給管１から分岐管１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを介して各スタックへ均等に供給され、空気は共通の供給管２から分岐管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを介して各スタックへ均等に供給される。このように、燃料は単一の燃料系統により供給され、それに対応して、空気も単一の空気系統により供給される。

なお、各ＳＯＦＣスタックから排出される利用済み燃料（アノードオフガス）と利用済み空気（カソードオフガス）は通常燃焼してシステム外に排出されるが、図２ではそれらの部分は省略して“排ガス”として示している。この点後述図６についても同じである。

ところで、単一のＳＯＦＣスタックの場合と同様、複数個のＳＯＦＣスタックを併置したＳＯＦＣシステムの場合にも、通常断熱容器中に収容して使用される。しかし、断熱容器壁から外部への不可避的な熱放散に起因して、例えばシステム内の両端部に位置するＳＯＦＣスタックの温度は、中央部のＳＯＦＣスタックの温度に比べて低く、これによってスタック間に温度分布差が生じ、各ＳＯＦＣスタック間に出力差を生じる。また、アノードオフガスとカソードオフガスの燃焼は通常断熱容器内で行われるので、燃焼域の位置や燃焼ガス流の偏りなどによっても温度分布差が生じる。

そのような温度分布差に起因して異なった出力のＳＯＦＣスタックの複数個を併置したＳＯＦＣシステムを温度制御するに際して、前述のようにＳＯＦＣシステム全体として空気の供給量を制御するのみでは、各ＳＯＦＣスタックの出力特性を十分発揮しきれず、ＳＯＦＣシステム全体として見た発電効率は、個々のＳＯＦＣスタックが有する出力特性を十分発揮した場合の総和の発電効率よりも低くなってしまう。

本発明は、以上の問題を解決することを課題とし、複数個のＳＯＦＣスタックを併置したＳＯＦＣシステムにおいて、各ＳＯＦＣスタックの出力特性を十分発揮し、発電効率を最大にするＳＯＦＣシステムの運転制御方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、複数個の固体酸化物形燃料電池スタックを併置した固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法である。そして、燃料流量、空気流量及び負荷量を独立に制御して、個々の固体酸化物形燃料電池スタックの性能を、安全性をみて、最大限に引き出し、システム全体としての発電効率を最大、最適に制御することを特徴とする。

本発明においては、その具体的方法として、予め各ＳＯＦＣスタックごとに電流−電圧特性を温度の関数として実測し、その測定データを基に、電池制御限界の電圧下限値を設定することで行うことができる。温度により異なる性能データは、ＳＯＦＣシステムを構成する各ＳＯＦＣスタックについて予め定条件環境で測定する。そして、そのデータを基に各ＳＯＦＣスタックの安全値、性能を予測する。

図４〜５は、温度レベルが例えば７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃と異なる４個のＳＯＦＣスタックを図１のように並列接続して電力を取り出す場合の特性を説明する図である。図４はそのＳＯＦＣシステム全体としての平均電流密度、平均出力密度を示し、横軸はセル電圧、左縦軸は平均電流密度（図４中プロット符号＝黒□）、右縦軸は平均出力密度（図４中プロット符号＝白□）である。図５はそれら４個のＳＯＦＣスタックごとの電流密度、出力密度を示し、横軸はセル電圧、左縦軸は電流密度、右縦軸は出力密度である。

なお、図４〜５では、ＳＯＦＣスタックを構成するセル一つあたりに換算した電圧（Ｖ）に対する電流密度（Ａ/ｃｍ²）、出力密度（Ｗ/ｃｍ²）として示しているので、ＳＯＦＣスタックを構成する全セルの有効面積を掛けることでＳＯＦＣスタック全体としての値となる。

図１のように４個のＳＯＦＣスタックを並列接続し、図３のように各ＳＯＦＣスタックに燃料、空気を均等に流して運転すると、図４のとおり、４個のスタックは、共通のセル電位となる。例えば０．５Ｖのセル電位で運転すると、それぞれのスタックはその電位における電流密度及び出力密度となる。その時、４個のスタックの出力密度の総和としては、セル電位０．５Ｖ近辺で出力密度が最大となり、その平均出力密度の値は０．１７８Ｗ/ｃｍ²となる。

しかし、温度の異なる４個のＳＯＦＣスタックを個々についてみると（前述のとおり、ＳＯＦＣシステム運転中の温度はＳＯＦＣスタックごとに異なる）、図５中矢印（↓）で示すように、それぞれのスタックの出力最大位置は０．５Ｖからずれており、これをピックアップして示すと表１のとおりとなる。

表１のとおり、出力密度は、７００℃のスタックで０．１２Ｗ/ｃｍ²、７５０℃のスタックで０．１６Ｗ/ｃｍ²、８００℃のスタックで０．２１Ｗ/ｃｍ²、８５０℃のスタックで０．２４Ｗ/ｃｍ²であるから、これらの総和の平均出力密度は０．１８３Ｗ/ｃｍ²となる〔（０．１２＋０．１６＋０．２１＋０．２４）÷４＝０．１８３〕。
以上のような事実から、本発明においては、それぞれのＳＯＦＣスタックごとに出力最大電位で独立負荷として電流を取り出すことにより、ＳＯＦＣシステム全体として取り出せる最大出力を向上させるものである。

〈ＳＯＦＣスタックごとに燃料量及び空気量を独立して制御する態様〉
そのため、本発明においては、各ＳＯＦＣスタックへ供給する燃料量及び空気量を各スタックごとにそれぞれ独立して制御する。図６は、その独立制御における各ＳＯＦＣスタックへの燃料及び空気の供給態様を説明する図である。

図６中、１１は共通の燃料供給管、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは各スタックへの燃料分岐管であり、１２は共通の空気供給管、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは各スタックへの空気分岐管である。そして、各燃料分岐管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ及び各空気分岐管１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのそれぞれに流量制御弁、例えばマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を配置する。

図６において、燃料は共通の供給管１１から流量制御弁を配置した分岐管１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを介して各スタックに供給され、空気は共通の供給管１２から流量制御弁を配置した分岐管１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを介して各スタックに供給される。そして、各分岐管に配置した流量制御弁により、各ＳＯＦＣスタックに供給する燃料及び空気の流量を各スタックの出力特性に対応して制御する。これにより、温度レベルが異なる各ＳＯＦＣスタックごとに出力が最大になるように制御することが可能となる。なお、図６にはＳＯＦＣスタックを４個併置した場合を示しているが、２個、３個、５個以上を併置した場合も同様である。

〈予めＳＯＦＣスタックの出力特性を予測する態様〉
本発明の制御方法を実施する前提として、予め各ＳＯＦＣスタックの出力特性を予測しておき、その特性を基に燃料流量及び空気流量を各ＳＯＦＣスタックごとに独立に制御する。その予測の態様として、予め各ＳＯＦＣスタックごとに電流−電圧特性を温度の関数として実測し、その測定データを基に、電池制御限界の電圧下限値を設定することで行うことができる。ここで、温度により異なる性能データは、ＳＯＦＣシステムを構成する各ＳＯＦＣスタックについて予め定条件環境で測定する。そして、そのデータを基に各スタックの安全値、出力特性を予測する。

ここで、その安全値の評価基準としては“燃料利用率”を利用することができる。燃料利用率は、ＳＯＦＣの効率を決める一つの要因である。これはアノードに供給する燃料量に対する実際に発電に寄与する燃料量の比率であり、アノードへ供給する燃料のうちどれだけ発電に利用されるかを示す比率である。燃料利用率は、供給燃料量の全部が発電に寄与できれば１００％であるが、実際のＳＯＦＣセルでは、燃料利用率には理論上、そして実用上も上限がある。

すなわち、ＳＯＦＣでの燃料利用率が高くなるにつれて電圧が漸次低下し、燃料利用率が９０％程度を超えると急激にセル電圧が落ち込む。そのようにセル電圧が落ちてくる現象は、アノード側での酸素分圧の増加を意味しており、酸素分圧がある一定値以上に増加すると、アノード中の触媒金属、例えばＮｉの酸化に伴って起こる格子膨張によりアノードが破損し、安全性を損なってしまう。これが“燃料枯れ”と呼ばれるもので、そのようにセルに十分な燃料が行き渡らず、発電を損なうことになる。

このため、燃料利用率は、セルの構成材料その他の要因如何によっても異なるが、例えば８０％、８５％、あるいは９０％というように限度がある。従って、ＳＯＦＣスタックにおいて発電効率を高めるためには、燃料利用率を燃料枯れが起こらない限度で上げる必要があり、燃料枯れが起こる直前のぎりぎりまで燃料利用率を高くして発電を行うような運転が必要となる。

〈燃料利用率からの安全性の制御態様〉
ここで、前述図５を見ると、例えば、セル電位０．５Ｖ（図５中“縦点線”参照）での運転においては、電流密度が最も高い８５０℃のスタックで０．４６Ａ、電流密度が最も低い７００℃のスタックで０．２４Ａとなり、ほぼ倍程度も電流密度が異なる。この場合、燃料分配系統が図３のように１系統だとすると、各スタックには均等に燃料が流れるため、電流密度が最も高いスタックの燃料利用率は、電流密度が最も低いスタックの燃料利用率の倍程度の高い値となる。そこで、システム全体として、安全性を見て、燃料利用率の上限が例えば８０％程度になるように燃料を流すと、燃料利用率の低いスタックでは無駄に燃料を流すことになり、結果として発電効率が下がってしまうことになる。

これに対して、前記〈ＳＯＦＣスタックごとに燃料量及び空気量を独立して制御する態様〉のように、各スタックごとに燃料調整を行い（この調整燃料供給量に対応して空気供給量を調整する）、それぞれのスタックごとに燃料利用率８０％になるように制御することにより、ＳＯＦＣシステム全体としての効率を高めることができる。

図７は、燃料利用率を利用してＳＯＦＣスタックの性能を評価、把握する態様を説明する図である。図７（ａ）のように、ＳＯＦＣスタックに可変負荷抵抗Ｒを接続するとともに、ＳＯＦＣスタックを例えば電気炉に収容して、温度を所定温度、例えば８５０℃に維持する。そして、ＳＯＦＣスタックに燃料及び空気を供給して電流−電圧特性を測定する。その測定は、電流を変化させるとともに、その電流値に対して燃料利用率が一定になるように燃料供給量を調節し、その状態でのセル電圧を計測し、これにより電池性能を評価する。

図７（ｂ）は、そのようにして、燃料利用率が８０％になるように、各電流値（電流密度）に対して燃料供給量を調節して測定したデータである。図７（ｂ）は一例であるが、このＳＯＦＣスタックで温度８５０℃の場合、電流密度が０．２Ａ/ｃｍ²の時に当該ＳＯＦＣスタックの平均電位（セル１個当たりの電位）が０．７Ｖという出力特性である。

このような性能評価を、ＳＯＦＣシステムを構成するＳＯＦＣスタックについて、例えば７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃というような各温度ごとに行って、それぞれの温度における出力特性を予め把握する。そして、これに合わせて、ＳＯＦＣシステムを構成する各ＳＯＦＣスタックについて、図８に示すような“燃料枯れライン”を設定しておく。すなわち、各ＳＯＦＣスタックごとに、図８に示すように、アノードが酸化されないような下限電位をセットする。図８に示すスタックでのセル下限電位は０．５Ｖであるが、この値はシステムを構成するスタックごとに異なることになる。

そして、ＳＯＦＣシステムの運転時に各ＳＯＦＣスタックごとに温度を計測し、これを予め把握した出力特性と対比して、“燃料枯れライン”ぎりぎりまで、すなわち図８で言えば、限界燃料利用率８０％まで燃料利用率を高めるような量の燃料を各ＳＯＦＣスタックごとに独立に制御して供給する。これに対応して、空気量も各ＳＯＦＣスタックごとに独立に制御して供給する。これら供給量の制御は、前述図６の態様で言えば、各流量制御弁（ＭＦＣ）により行うものである。

〈ＳＯＦＣスタックごとに独立負荷として電流を取り出す態様〉
そして、本発明においては、ＳＯＦＣスタックごとに独立負荷として電流を取り出す。図９はその態様を示す図である。図９のとおり、ＳＯＦＣスタックの複数個を並置したＳＯＦＣシステムにおいて、各ＳＯＦＣスタックのそれぞれから独立負荷として電流を取り出す。なお、図９にはＳＯＦＣスタックを４個併置した場合を示しているが、２個、３個、５個以上を併置した場合も同じである。

そのように、ＳＯＦＣシステムを構成する各ＳＯＦＣスタックからそれぞれ独立に電力を取り出すことにより、ＳＯＦＣシステム全体として取り出せる最大出力を向上させることができる。前述図４〜５の例で言えば、従来の方法によると平均出力密度は０．１７８Ｗ/ｃｍ²であり、これで限度である。これに対して、本発明によると０．１８３Ｗ/ｃｍ²の電力を取り出すことができ、その差（０．１８３−０．１７８＝）０．０５Ｗ/ｃｍ²だけ多くの電力を取り出すことができる。

〈直流→交流変換の態様〉
ここで、従来技術では、図１０のように、各スタック同士を並列に接続してインバータに接続し、インバータ部分で直流→交流変換をして交流出力するのが一般的と考えられる。これに対して、本発明においては、上記のようにＳＯＦＣスタックごとに独立負荷として電流を取り出すに際して、図１１のように、インバータ部分に例えば市販の“多入力１出力インバータ”を使用することで、一出力の形態で交流出力とすることができる。なお、“多入力１出力インバータ”は、個々のスタックごとに独立に電流を制御する機能を有しており、最終的に交流出力する電流は同じであっても、スタックごとの電流の配分を変える機能を有している。

本発明の固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法は、平板方式、円筒方式、一体積層方式など、いずれのタイプのＳＯＦＣスタックの場合にも、それらの複数個を併置して構成したＳＯＦＣシステムに対して適用することができる。

異なった出力のＳＯＦＣスタックを単純に並列に接続して電力を取り出す接続態様を示す図 異なった出力のＳＯＦＣスタックを単純に直列に接続して電力を取り出す接続態様を示す図 図１〜２の態様における各ＳＯＦＣスタックへの燃料及び空気の供給態様を示す図 温度レベルが例えば７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃と異なる４個のＳＯＦＣスタックを図１のように並列接続して電力を取り出す場合のＳＯＦＣシステム全体としての平均電流密度、平均出力密度を示した図 温度レベルが例えば７００℃、７５０℃、８００℃、８５０℃と異なる４個のＳＯＦＣスタックを図１のように並列接続して電力を取り出す場合のそれら４個のＳＯＦＣスタックごとの電流密度、出力密度を示した図 本発明によるＳＯＦＣシステムにおける各ＳＯＦＣスタックごとに燃料供給量及び空気供給量を独立して制御する態様を説明する図 燃料利用率を利用してＳＯＦＣスタックの性能を評価、把握する態様を説明する図 ＳＯＦＣシステムを構成するスタックごとに“燃料枯れライン”を設定しておき、アノードが酸化されないような下限電位をセットする態様を説明する図 本発明におけるＳＯＦＣスタックごとに独立負荷として電流を取り出す態様を示す図 従来の接続態様に対応した直流→交流変換の態様を示す図 本発明の接続態様に対応した直流→交流変換の態様を示す図

符号の説明

１ 燃料供給管
１ａ〜１ｄ 燃料供給管１からの燃料分岐管
２ 空気供給管
２ａ〜２ｄ 空気供給管２からの空気分岐管
１１ 燃料供給管
１１ａ〜１１ｄ 燃料供給管１１からの燃料分岐管
１２ 空気供給管
１２ａ〜１２ｄ 空気供給管１２からの空気分岐管
ＭＦＣ マスフローコントローラ
Ｒ 可変負荷抵抗

Claims (3)

1. 複数個の固体酸化物形燃料電池スタックを併置した固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法であって、各固体酸化物形燃料電池スタックの燃料流量、空気流量及び負荷量を独立に制御し、システム全体として発電効率を最大にすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法。
2. 請求項１の固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法において、予め各固体酸化物形燃料電池スタックごとに電流−電圧特性を温度の関数として実測し、その測定データを基に、電池制御限界の電圧下限値を設定することにより各固体酸化物形燃料電池スタックの燃料流量、空気流量及び負荷量を独立に制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法。
3. 請求項２の固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法において、前記電池制御限界の電圧下限値の設定を各固体酸化物形燃料電池スタックごとの燃料利用率を基に行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの運転制御方法。
   

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