JP2010055910A - Solid oxide fuel cell system and method for operating it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は固体酸化物形燃料電池システムの停止時において、燃料供給流量および酸化剤供給流量を適正にコントロールし、温度過上昇による燃料電池のセル劣化やセル破損およびモジュール構造物損傷を低減する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。 The present invention appropriately controls the fuel supply flow rate and the oxidant supply flow rate when the solid oxide fuel cell system is stopped, and reduces fuel cell deterioration, cell breakage and module structure damage due to excessive temperature rise. The present invention relates to a battery system and a control method thereof.
燃料電池は、電解質の両側にアノードおよびカソードを備え、アノード側には都市ガスやLNG,LPGなどの燃料(アノードガス)を供給し、カソード側には空気等の酸化剤(カソードガス)を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電システムである。燃料電池の一分野である固体酸化物形燃料電池は、作動温度が700〜1000℃程度と高く、発電効率が高いこと、また排熱も利用しやすいことから世界的に熱心に研究が進められている。 The fuel cell has an anode and a cathode on both sides of the electrolyte, and supplies fuel (anode gas) such as city gas and LNG and LPG to the anode side, and supplies an oxidant (cathode gas) such as air to the cathode side. And a power generation system that generates electricity by electrochemically reacting a fuel and an oxidant via an electrolyte. Solid oxide fuel cells, which are one field of fuel cells, have a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C., high power generation efficiency, and easy use of exhaust heat, and are eagerly studied worldwide. ing.
通常、固体酸化物形燃料電池は、所望の電気出力を得るために、数十から数百個程度の燃料電池セルを集積させた集合体(モジュール)を構成している。また、モジュールに供給した燃料のうち、セルの電気化学反応で使われた残りの残余燃料をセル出口側で燃焼させている。残余燃料を燃焼させる理由は以下の通りである。
(1)燃料の局所的供給不足を防止するため余分に供給した燃料を除去する。
(2)セル出口付近の温度分布を均一化して、セル破損防止やセル性能向上を図る。
(3)残余燃料の燃焼により発生する熱を、供給するガスの予熱等に使用する。
Usually, a solid oxide fuel cell constitutes an assembly (module) in which several tens to several hundreds of fuel cells are integrated in order to obtain a desired electric output. Further, of the fuel supplied to the module, the remaining residual fuel used in the cell electrochemical reaction is burned on the cell outlet side. The reason for burning the remaining fuel is as follows.
(1) Remove excess fuel to prevent local shortage of fuel supply.
(2) Uniform temperature distribution near the cell outlet to prevent cell breakage and improve cell performance.
(3) The heat generated by the combustion of the remaining fuel is used for preheating the supplied gas.
実際の燃料電池システムにおいては、定格発電時における供給燃料流量を100%とすると、電気化学反応で発電に使用される燃料の割合は70〜80%程度であり、残り20〜30%程度が残余燃料となる。ここで燃料電池システムが緊急停止などにより発電を停止するシャットダウン等の場合に、上記余剰燃料の燃焼処理が問題となる。 In an actual fuel cell system, assuming that the flow rate of supplied fuel at rated power generation is 100%, the proportion of fuel used for power generation by electrochemical reaction is about 70-80%, and the remaining 20-30% is the remaining It becomes fuel. Here, in the case of a shutdown or the like in which the fuel cell system stops power generation due to an emergency stop or the like, the surplus fuel combustion process becomes a problem.
すなわち定格発電時に燃料電池システムが熱的にバランスしていた状態から、電気化学反応が停止し電流が0になるとともに燃料の消費率が0%になる。そのため、N2などの不活性なパージガスをアノード側から注入しモジュール内に滞留する未反応燃料を排除している。この際に、パージガスの流量を定格発電時の燃料流量と同じにすると、燃料消費が0のためセル出口側でこれまで20〜30%だった残余燃料比率が100%まで急激に増加する。このためセル出口での燃料燃焼量が増加して温度が過上昇し、セル劣化やセル破損およびモジュール構造物損傷を招くおそれがある。 That is, from the state where the fuel cell system is thermally balanced at the time of rated power generation, the electrochemical reaction stops, the current becomes zero, and the fuel consumption rate becomes 0%. Therefore, it excludes the unreacted fuel staying in injected in the module inert purge gas from the anode side, such as N 2. At this time, if the flow rate of the purge gas is made the same as the fuel flow rate at the rated power generation, the fuel consumption is 0, and the remaining fuel ratio which has been 20-30% so far on the cell outlet side increases rapidly to 100%. For this reason, the amount of fuel combustion at the cell outlet increases and the temperature rises excessively, which may lead to cell deterioration, cell breakage, and module structure damage.
このような熱的損傷を低減するため、従来特許文献1に示されるようにセル出口での燃焼室に冷却ガスを添加する冷却ラインを設けて冷却する例がある。上記公知例においては冷却ラインを新たに設ける必要がありさらに冷却ガスも大量に必要となるため、燃料電池システムが複雑となる点が解決されていなかった。
In order to reduce such thermal damage, there is an example in which cooling is performed by providing a cooling line for adding a cooling gas to the combustion chamber at the cell outlet as disclosed in
本発明が解決しようとする課題は、固体酸化物形燃料電池発電システムのシャットダウン時等において、燃料供給流量および酸化剤供給流量を適正にコントロールし、温度過上昇によるセル劣化やセル破損およびモジュール構造物損傷を、簡潔な構成でかつ確実に低減することである。 The problem to be solved by the present invention is to properly control the fuel supply flow rate and the oxidant supply flow rate at the time of shutdown of the solid oxide fuel cell power generation system, etc. The object damage is to be reduced with a simple configuration and surely.
本発明は、アノードとカソードと電解質を有する燃料電池と、該燃料電池のアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電時の残余燃料流量を推定する残余燃料推定手段を設け、燃料電池システムの停止時には残余燃料推定手段により推定した残余燃料流量を越えない燃料流量を、燃料供給手段により燃料電池に供給して停止するシステム制御装置を備えたことを最も主要な特徴とする。 The present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell having an anode, a cathode and an electrolyte, a fuel supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell, and an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell. The fuel cell is provided with a residual fuel estimation means for estimating the residual fuel flow rate during power generation. When the fuel cell system is stopped, the fuel flow rate that does not exceed the residual fuel flow rate estimated by the residual fuel estimation means is supplied to the fuel cell by the fuel supply means. The main feature is the provision of a system controller that supplies and stops.
また本発明は、燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池のアノードとカソードの差圧を計測する差圧計測手段を設け、燃料電池の発電時の残余燃料流量を推定する残余燃料推定手段を設け、燃料電池システムの停止時には残余燃料推定手段により推定した残余燃料流量を越えない燃料流量を該燃料供給手段により燃料電池に供給し、差圧計測手段からの信号により差圧が閾値以下となった場合にカソード側の酸化剤供給流量も減少させることを特徴とする。 The present invention also relates to a fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell, and an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell. A differential pressure measuring means for measuring the differential pressure of the fuel cell, a residual fuel estimating means for estimating the residual fuel flow rate during power generation of the fuel cell, and a residual fuel flow rate estimated by the residual fuel estimating means when the fuel cell system is stopped. A fuel flow rate is supplied to the fuel cell by the fuel supply means, and the oxidant supply flow rate on the cathode side is also reduced when the differential pressure becomes a threshold value or less by a signal from the differential pressure measurement means.
更に、本発明は、燃料電池と、燃料電池のアノードに燃料を供給する燃料供給手段と、燃料電池のカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給手段を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電時の残余燃料流量を推定する残余燃料推定手段を設け、またこの残余燃料推定手段により残余の酸化剤供給流量を推定し、燃料電池システム発電時の残余燃料流量と残余酸化剤流量の比を推定し、燃料電池システムの停止時には残余燃料推定手段により推定した残余燃料流量と残余酸化剤流量の比を燃料電池システム発電時よりも大きくならないように燃料供給流量および酸化剤供給流量を制御することを特徴とする。 Furthermore, the present invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell, a fuel supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell, and an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell. A residual fuel estimation means for estimating the residual fuel flow rate of the fuel cell system, and a residual oxidant supply flow rate is estimated by the residual fuel estimation means to estimate a ratio between the residual fuel flow rate and the residual oxidant flow rate during power generation of the fuel cell system. The fuel supply flow rate and the oxidant supply flow rate are controlled so that the ratio of the residual fuel flow rate and the residual oxidant flow rate estimated by the residual fuel estimation means is not larger than that during fuel cell system power generation when the fuel cell system is stopped. And
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムのシャットダウン時において、燃料供給流量および酸化剤供給流量を適正にコントロールし、温度過上昇によるセル劣化やセル破損およびモジュール構造物損傷を容易かつ確実に低減することができるという効果を有する。 According to the present invention, at the time of shutdown of the solid oxide fuel cell power generation system, the fuel supply flow rate and the oxidant supply flow rate are appropriately controlled, and cell deterioration, cell breakage and module structure damage due to excessive temperature can be easily and easily performed. It has the effect that it can reduce reliably.
本発明のもっとも好ましい実施形態によれば、燃料電池の発電時において発電に用いられない残余燃料流量を推定する残余燃料推定手段を設け、燃料電池システムの停止時には残余燃料推定手段により推定した残余燃料流量を越えない量に抑制した燃料流量を、燃料供給手段により燃料電池に供給して停止する。これにより、シャットダウン時等でもセル出口での燃焼温度が過上昇することを防ぎ、セル損傷などを低減しかつ燃料電池システムを安全に停止することができる。 According to the most preferred embodiment of the present invention, there is provided residual fuel estimation means for estimating a residual fuel flow rate that is not used for power generation during power generation of the fuel cell, and the residual fuel estimated by the residual fuel estimation means when the fuel cell system is stopped. The fuel flow rate suppressed to an amount not exceeding the flow rate is supplied to the fuel cell by the fuel supply means and stopped. Thereby, it is possible to prevent the combustion temperature at the cell outlet from excessively rising even at the time of shutdown or the like, to reduce cell damage and to stop the fuel cell system safely.
本発明はまた、該燃料電池のアノードとカソードのガス圧力差圧を計測する差圧計測手段を設け、燃料電池システムの停止時には残余燃料流量を越えない燃料を燃料電池に供給し、差圧計測手段からの信号により差圧が閾値以下となった場合、カソード側の酸化剤の供給流量も減少させる。これにより、シャットダウン時等での燃料供給流量を変化させた時でもカソード側からの酸化剤の逆流を効果的に防止しつつ、セル損傷低減を図ることができる。 The present invention also provides a differential pressure measuring means for measuring the gas pressure differential pressure between the anode and the cathode of the fuel cell, and supplies the fuel cell with fuel that does not exceed the residual fuel flow rate when the fuel cell system is stopped. When the differential pressure becomes equal to or lower than the threshold value due to the signal from the means, the supply flow rate of the oxidant on the cathode side is also decreased. Thereby, even when the fuel supply flow rate at the time of shutdown or the like is changed, cell damage can be reduced while effectively preventing the backflow of the oxidant from the cathode side.
本発明はまた、燃料電池システム発電時の残余燃料流量と残余酸化剤流量の比を推定する残余燃料推定手段を設け、燃料電池システムの停止時には残余燃料推定手段により推定した残余燃料流量と残余酸化剤流量の比を燃料電池システムの発電時よりも大きくならないように燃料供給流量および酸化剤供給流量を制御する。これにより燃料電池システム運転範囲を広げ、かつ、無駄なパージガス流量を削減した上でセル損傷低減を図ることができる。以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。 The present invention also provides a residual fuel estimation means for estimating a ratio between a residual fuel flow rate and a residual oxidant flow rate during power generation in the fuel cell system, and the residual fuel flow rate and residual oxidation estimated by the residual fuel estimation means when the fuel cell system is stopped. The fuel supply flow rate and the oxidant supply flow rate are controlled so that the ratio of the agent flow rate does not become larger than that during power generation of the fuel cell system. As a result, the operating range of the fuel cell system can be expanded and the cell damage can be reduced while reducing the wasteful purge gas flow rate. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
図1、図2、図3及び図4に本発明の第1の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示す。図2に第1の実施形態の固体酸化物燃料電池システムの概略図を示す。1は燃料電池モジュール30を収容するモジュール容器であり、断熱材を含む金属性容器から形成されている。燃料電池セル80のカソード側には、カソードガス90として空気等からなる酸化剤を供給する。カソードガス90は、カソードガス流量調整弁90Vを介し、各セルへガスを均等分配するためのカソードガスヘッダ91およびカソードガス導入管92を通って、燃料電池セル80に供給される。
[First Embodiment]
1, 2, 3 and 4 show a solid oxide fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a schematic diagram of the solid oxide fuel cell system of the first embodiment.
302Sはシステム制御装置300から出力されるカソードガス流量調整弁90Vの制御信号である。通常、燃料電池セル80の集合体であるモジュール30はバーナやヒータ等の加熱手段Hで加熱され、発電可能な温度に到達すると所定量のアノードガス100とカソードガス90を固体酸化物形の燃料電池セル80に供給して発電を行う。燃料であるアノードガス100は、都市ガスやLNG、LPGなどの炭化水素系燃料と水蒸気を混合したガスを改質器110でその少なくとも一部を水蒸気改質させてから、モジュール容器1の下方からモジュール30に供給する。100Vはアノードガス流量調整弁、101aはパージガスである。
302S is a control signal for the cathode gas flow
50はアノードガスとカソードガスの混合を防止するためセル出口に設けられた仕切板である。仕切板50は壊れやすいセラミック系燃料電池セル80を保持するために柔構造で通気性を持つセラミックス繊維等から成る。51はアノードガス100を燃料室Fに均一に分散させる分散板である。Gはモジュール30に電気化学反応による発電を行わせる発電室である。Bはモジュール容器1の上部に設けた燃焼室である。101はモジュール容器1出口における、燃料と酸化剤が混合された高温の燃焼後の排ガスを示す。
システム制御装置300は制御信号303Sにより負荷制御装置400を起動させ、制御信号304Sによりモジュール30から電流計401で計測する発電電流Iを引き出し発電を開始する。発電時は燃料電池セル80およびモジュール30が発熱するので加熱手段は不要となり、燃料電池システムは700〜1000℃程度に熱的に自立して運転される。2Aはモジュール温度センサ、2ASはモジュール温度検知信号である。3Aは燃焼室温度センサ、3ASは燃焼室温度検知信号である。
The
図3に図2のA−A横断面図を示す。図3には、便宜上36本の固体酸化物形の燃料電池セル80を図示しているが、通常数十から数百程度、直列もしくは並列に集積させて発電が行われる。図4に拡大縦断面図として示すように、燃料電池セル80は円筒形からなる外側のアノード80aと、内側のカソード80cと、それらに挟まれたイットリア安定化ジルコニア等からなる固体酸化物形電解質80eから構成される。90coは反応後のカソードガス、100aoは反応後のアノードガスである。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 3 shows 36 solid
次に第1の実施形態の動作を、図1のフローチャートと図2により以下に説明する。
(1)ステップ801:燃料供給流量Qinと発電電流Iの検知
燃料供給流量Qinをアノードガス流量調整弁100Vの流量出力信号301Soにより検知する。また発電電流Iを電流計401の出力信号401Soにより検知する。
(2)ステップ802:残余燃料流量Qoutの推定
発電電流Iと電気化学反応により消費している燃料流量Qrとの関係は、例えば燃料がH2の場合は次式で示される。
Next, the operation of the first embodiment will be described below with reference to the flowchart of FIG. 1 and FIG.
(1) Step 801: Detection of the fuel supply flow rate Qin and the generated current I The fuel supply flow rate Qin is detected by the flow rate output signal 301So of the anode gas flow
(2) Step 802: the relationship between the fuel flow rate Qr that is consumed by the estimation generator current I and the electrochemical reaction of residual fuel flow Qout, for example when fuel is H 2 represented by the following formula.
I(A)=Qr(mol/s)×F(C/mol) ・・・(1)
F(ファラデー定数)=96485(C/mol)
よって、301So、401Soを残余燃料推定手段である残余燃料流量推定装置310
に入力し演算することで定格運転時の残余燃料流量Qoutは次式で推定され、信号310
Sとしてシステム制御装置300へ送られる。
I (A) = Qr (mol / s) × F (C / mol) (1)
F (Faraday constant) = 96485 (C / mol)
Therefore, 301So and 401So are residual fuel
The remaining fuel flow rate Qout during rated operation is estimated by the following equation by calculating the
S is sent to the
Qout=Qin−Qr ・・・(2)
(3)ステップ803:燃料電池発電システムの停止信号の発生
一例として、モジュール温度センサ2Aからの温度上昇により発生するシステム停止信
号2ASがシステム制御装置300へ入力される。
(4)ステップ804:発電電流を0に制御
システム停止信号によりシステム制御装置300は、制御信号303Sにより負荷装置
400を停止し、発電電流を0とする。
(5)ステップ805:パージガス流量を制御
燃料供給流量Qinすなわちパージガス流量Qsdinを、ステップ802で推定された残余燃料流量がQoutを越えない量になるように、アノードガス流量調整弁100Vに信号301Sを入力して制御する(Qsdin≦Qout)。なお、システム停止時に供給されるパージガス101aは還元雰囲気を保つことができるガス(水素3%を含む窒素ガス等)が望ましい。
Qout = Qin−Qr (2)
(3) Step 803: Generation of Stop Signal of Fuel Cell Power Generation System As an example, the system stop signal 2AS generated by the temperature rise from the
(4) Step 804: Control the generated current to 0 The
(5) Step 805: Control the purge gas flow rate The
図5は、シャットダウン時の温度、ガス流量、発電電流を模式的に示したタイムチャートである。ケース(a)比較例に二点鎖線で示したように、パージガス流量Qsdinが推定残余燃料Qoutより大きければ、燃焼室Bへ押出される余剰燃料流量は大きく、シャットダウン直後の燃焼室発熱量は急激に増大し、燃料電池システムに熱的損傷を与える。一方ケース(b)に示すようにQsdinを抑制し、Qsdin≦Qoutとした場合は発熱ピークは安全なレベルに抑制される。 FIG. 5 is a time chart schematically showing the temperature, gas flow rate, and generated current at the time of shutdown. Case (a) As indicated by the two-dot chain line in the comparative example, if the purge gas flow rate Qsdin is larger than the estimated residual fuel Qout, the surplus fuel flow rate pushed into the combustion chamber B is large, and the combustion chamber heat generation immediately after shutdown is abrupt. Increase the thermal damage to the fuel cell system. On the other hand, as shown in case (b), when Qsdin is suppressed and Qsdin ≦ Qout, the exothermic peak is suppressed to a safe level.
本実施形態により、シャットダウン時に残余燃料流量を越えない様にパージガス流量を抑制制御することで、セル出口での燃料流量を実質的に定格発電時と同等以下とすることができる。よって、セル出口側での燃焼温度も上昇させることなく燃料電池システムが停止できるので、セル劣化やセル破損およびモジュール構造物損傷を低減できる。従ってこの燃料電池システムでは冷却ラインを追加する必要もなく、簡潔な方法で制御が可能である。 According to the present embodiment, by controlling the purge gas flow rate so as not to exceed the remaining fuel flow rate at the time of shutdown, the fuel flow rate at the cell outlet can be made substantially equal to or less than that during rated power generation. Therefore, since the fuel cell system can be stopped without increasing the combustion temperature at the cell outlet side, cell deterioration, cell breakage, and module structure damage can be reduced. Therefore, this fuel cell system does not require an additional cooling line and can be controlled in a simple manner.
さらに発電時は、ユーザー側の負荷に応じた負荷応答制御を燃料電池システム側で求められる場合があり、その場合には時々刻々、燃料供給流量や発電電流が変化する。この場合においても、燃料電池システムに停止信号が入力された際、常に残余の燃料流量を推定しているので最適なパージガス流量が制御できるため、過熱がなく確実に燃料電池システムを停止できる。また、本実施形態ではモジュール温度2Aの過上昇によるシャットダウンを例に取り上げたが、発電燃料電池システムの停止要因はこの例に限定されるものではない。
Further, during power generation, load response control corresponding to the load on the user side may be required on the fuel cell system side, and in that case, the fuel supply flow rate and the generated current change from moment to moment. Even in this case, when the stop signal is input to the fuel cell system, the remaining fuel flow rate is always estimated, so that the optimum purge gas flow rate can be controlled, so that the fuel cell system can be reliably stopped without overheating. In the present embodiment, the shutdown due to the excessive increase in the
より直接的に残余燃料流量を把握するには、事前に燃焼室温度センサ3Aの測定温度と残余燃料流量との関係を測定したデータテーブルを作成して残余燃料推定手段とし、これにより得られた残余燃料流量を制御に用いることもできる。
In order to grasp the residual fuel flow rate more directly, a data table in which the relationship between the measurement temperature of the combustion
[第2の実施形態]
図6は、本発明の第2の実施形態を示したものである。本発明の骨子は、すでに述べたようにシャットダウン時の過熱をもたらす余剰の燃料を燃料電池セル出口に放出させる場合の流量を抑制することである。したがって、一旦余剰の燃料を放出した後は、燃料電池システムを完全に停止させるためにパージガス流量を増大しても問題はない。
[Second Embodiment]
FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention. As described above, the gist of the present invention is to suppress the flow rate when surplus fuel that causes overheating at the time of shutdown is discharged to the fuel cell outlet. Therefore, once the surplus fuel is discharged, there is no problem even if the purge gas flow rate is increased in order to completely stop the fuel cell system.
この考えに立ち、この実施形態では、シャットダウン時のパージガス流量QsdinをQoutを越えない様に抑制して流す必要十分な供給時間を制御する制御装置を設けている。この時間は、モジュール30や改質器110などの体積とQsdinの流量を考慮して決定すればよい。例えば、図6では一旦Qsdinの流量を下げた後、再び定格運転時の流量に戻している。このようなシステム制御をすることによって、シャットダウン直後の過熱制御と、モジュール容器1から完全に燃料をパージするシステム停止制御を切り分けて、各々に最適な制御を連続的に行うことが可能となる。
Based on this idea, in this embodiment, there is provided a control device that controls a necessary and sufficient supply time to flow while suppressing the purge gas flow rate Qsdin at the time of shutdown so as not to exceed Qout. This time may be determined in consideration of the volume of the
[第3の実施形態]
また、直接燃焼室温度を監視してパージガス流量を制御する方式も有効である。図7に示す第3の実施形態のように、燃焼室温度センサ3Aで検知した燃焼室温度3ASに閾値を設け、シャットダウン後にパージガス流量をQsdin≦Qoutとしたのち、閾値以下に温度が下がればパージガス流量Qsdinも定格運転時に戻す制御を行えば、より直接的かつ確実にセル破損を低減できる。
[Third Embodiment]
It is also effective to control the purge gas flow rate by directly monitoring the combustion chamber temperature. As in the third embodiment shown in FIG. 7, after setting a threshold value for the combustion chamber temperature 3AS detected by the combustion
[第4の実施形態]
図8は、本発明の第4の実施形態を示した概略図である。本実施形態におけるシャットダウン時のタイムチャートを図9に示す。
[Fourth Embodiment]
FIG. 8 is a schematic view showing a fourth embodiment of the present invention. A time chart at the time of shutdown in this embodiment is shown in FIG.
第4の実施形態では、セル出口の仕切板50の前後の差圧を計測する差圧計測器600を設けてある。仕切板50は気体通気性があり、差圧がなくなるとカソードガスが発電室Gに逆流し燃料電池セルのアノードの酸化劣化を招く。シャットダウン時に残余の燃料供給流量を越えない量になるようにパージガス流量を低減する時、これに加えてカソードからのアノードへの逆流(漏れ込み)を防ぐために、本実施形態に設けた差圧計測器600でアノード出口の差圧を計測し、この差圧ΔPがある閾値以下になった時にカソードガス流量Qcaも同時に低減することで、漏れ込みを低減しより確実なシステム停止が達成できる。
In 4th Embodiment, the differential
[第5の実施形態]
図10は第5の実施形態を示す。本実施形態は、さらに残余の燃料流量Qinとカソードガス流量Qcaの比Qin/Qcaに着目し、この比がシャットダウン後に上昇しないように制御したものである。セル出口での燃焼温度は、Qin/Qcaに依存する。これまでの実施例ではシャットダウン時にQcaを変えずにパージガス流量QsdinのみをQinを越えない量に制御することによって燃焼温度を上げないようにしていた。
[Fifth Embodiment]
FIG. 10 shows a fifth embodiment. In the present embodiment, the ratio Qin / Qca between the remaining fuel flow rate Qin and the cathode gas flow rate Qca is focused on, and the ratio is controlled so as not to increase after shutdown. The combustion temperature at the cell outlet depends on Qin / Qca. In the embodiments so far, the combustion temperature is not raised by controlling only the purge gas flow rate Qsdin so as not to exceed Qin without changing Qca at the time of shutdown.
本実施形態では、Qin/Qcaが上昇しないようにすれば実質的に燃焼温度が上昇しない点に着目し、アノードガスのパージ流量を低減するとともにカソードガス流量も低減したものである。このような制御をすることによって、システム停止時にシステムのエネルギーを消費せずに停止可能な燃料電池システムを提供することが可能である。 In the present embodiment, focusing on the fact that the combustion temperature does not substantially increase if Qin / Qca is not increased, the purge flow rate of the anode gas is reduced and the cathode gas flow rate is also reduced. By performing such control, it is possible to provide a fuel cell system that can be stopped without consuming system energy when the system is stopped.
なお、これまでの実施形態では円筒形の燃料電池セルで説明したが、本発明は円筒形以外の平板形の固体酸化物形燃料電池の場合にも適用できるのはもちろんである。 In the above embodiments, the cylindrical fuel cell has been described. However, the present invention can be applied to a flat solid oxide fuel cell other than the cylindrical shape.
上述した本発明の実施形態により、セル劣化やセル破損およびモジュール構造物損傷を低減することが可能な固体酸化物形燃料電池システムを提供できるため、地球環境に優しい分散電源システムとして利用できる。 According to the above-described embodiment of the present invention, a solid oxide fuel cell system capable of reducing cell deterioration, cell breakage, and module structure damage can be provided. Therefore, it can be used as a distributed power supply system that is friendly to the global environment.
2A…モジュール温度センサ、2AS…モジュール温度検知信号、3A…燃焼室温度センサ、3AS…燃焼室温度検知信号、30…モジュール、50…仕切板、80…固体酸化物形燃料電池セル、80a…アノード、80c…カソード、80e…固体電解質、90…カソードガス、90V…カソードガス流量調整弁、91…空気ヘッダ、92…空気導入管、100…アノードガス、100V…アノードガス流量調整弁、101a…パージガス、101…排ガス、110…改質器、300…システム制御装置、301S…燃料供給流量調整弁への制御信号、301So…燃料供給流量調整弁からの出力信号、302S…酸化剤供給流量調整弁への制御信号、303S…負荷制御装置への制御信号、304S…モジュール発電電流の制御信号、310…残余燃料流量推定装置、310S…残余燃燃料流量推定装置からの信号、400…負荷制御装置、401…電流計、401So…発電電流の検知信号、600…差圧計測器、600S…差圧計測器からの出力信号。
2A ... Module temperature sensor, 2AS ... Module temperature detection signal, 3A ... Combustion chamber temperature sensor, 3AS ... Combustion chamber temperature detection signal, 30 ... Module, 50 ... Partition plate, 80 ... Solid oxide fuel cell, 80a ...
Claims (16)
前記燃料電池の発電時の残余燃料流量を推定する残余燃料推定手段を有し、燃料電池システムの停止時には前記残余燃料推定手段により推定した残余燃料流量を越えない燃料流量を前記燃料供給手段により燃料電池に供給する制御装置を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 In a solid oxide fuel cell system having a fuel cell, a fuel supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell, and an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell,
The fuel cell has a residual fuel estimation means for estimating a residual fuel flow rate during power generation of the fuel cell, and when the fuel cell system is stopped, a fuel flow rate that does not exceed the residual fuel flow rate estimated by the residual fuel estimation means is A solid oxide fuel cell system comprising a control device for supplying a battery.
燃料電池の発電時の残余燃料流量を推定し、燃料電池システムの停止時には推定した残余燃料流量を越えない燃料流量を燃料電池に供給して停止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方法。 In a control method of a solid oxide fuel cell system, comprising: a fuel cell; a fuel supply means for supplying fuel to the anode of the fuel cell; and an oxidant supply means for supplying an oxidant to the cathode of the fuel cell.
A solid oxide fuel cell system characterized by estimating a residual fuel flow rate during power generation of the fuel cell and supplying the fuel cell with a fuel flow rate not exceeding the estimated residual fuel flow rate when the fuel cell system is stopped. Driving method.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012074005A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-07 | 京セラ株式会社 | Fuel cell system and operating method therefor |
JP2013089455A (en) * | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Mazda Motor Corp | Fuel cell system |
JP2013225485A (en) * | 2012-03-23 | 2013-10-31 | Toto Ltd | Solid oxide fuel cell |
WO2017104213A1 (en) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system and control method for fuel cell system |
US10115985B2 (en) | 2012-03-23 | 2018-10-30 | Toto Ltd. | Solid oxide fuel cell system |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06163067A (en) * | 1992-11-16 | 1994-06-10 | Fujikura Ltd | Solid electrolytic fuel cell stack |
JP2001273915A (en) * | 2000-03-28 | 2001-10-05 | Osaka Gas Co Ltd | Fuel cell |
JP2004335165A (en) * | 2003-05-01 | 2004-11-25 | Mitsubishi Materials Corp | Operation method of solid oxide fuel cell |
JP2006059550A (en) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell power plant and operation control method |
JP2007273311A (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | Operation method of solid-oxide fuel cell |
JP2008159517A (en) * | 2006-12-26 | 2008-07-10 | Hitachi Ltd | Solid-oxide fuel cell power-generation system and its operation control method |
JP2009087862A (en) * | 2007-10-02 | 2009-04-23 | Mitsubishi Materials Corp | Operation stop method of fuel cell and fuel cell power generation device |
-
2008
- 2008-08-28 JP JP2008219093A patent/JP5244504B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06163067A (en) * | 1992-11-16 | 1994-06-10 | Fujikura Ltd | Solid electrolytic fuel cell stack |
JP2001273915A (en) * | 2000-03-28 | 2001-10-05 | Osaka Gas Co Ltd | Fuel cell |
JP2004335165A (en) * | 2003-05-01 | 2004-11-25 | Mitsubishi Materials Corp | Operation method of solid oxide fuel cell |
JP2006059550A (en) * | 2004-08-17 | 2006-03-02 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell power plant and operation control method |
JP2007273311A (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-18 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | Operation method of solid-oxide fuel cell |
JP2008159517A (en) * | 2006-12-26 | 2008-07-10 | Hitachi Ltd | Solid-oxide fuel cell power-generation system and its operation control method |
JP2009087862A (en) * | 2007-10-02 | 2009-04-23 | Mitsubishi Materials Corp | Operation stop method of fuel cell and fuel cell power generation device |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012074005A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-06-07 | 京セラ株式会社 | Fuel cell system and operating method therefor |
US20130266879A1 (en) * | 2010-11-30 | 2013-10-10 | Kyocera Corporation | Fuel cell system and operating method thereof |
JPWO2012074005A1 (en) * | 2010-11-30 | 2014-05-19 | 京セラ株式会社 | Fuel cell system and operation method thereof |
JP5542965B2 (en) * | 2010-11-30 | 2014-07-09 | 京セラ株式会社 | Fuel cell system and operation method thereof |
US9564646B2 (en) | 2010-11-30 | 2017-02-07 | Kyocera Corporation | Fuel cell system and operating method thereof |
JP2013089455A (en) * | 2011-10-18 | 2013-05-13 | Mazda Motor Corp | Fuel cell system |
JP2013225485A (en) * | 2012-03-23 | 2013-10-31 | Toto Ltd | Solid oxide fuel cell |
US10115985B2 (en) | 2012-03-23 | 2018-10-30 | Toto Ltd. | Solid oxide fuel cell system |
WO2017104213A1 (en) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system and control method for fuel cell system |
US10454121B2 (en) | 2015-12-15 | 2019-10-22 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and control method for fuel cell system |
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