JP2010092836A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell device, and more particularly to a fuel cell device that generates electric power following a required load.
固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。 A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, supplies fuel gas on one side, and supplies the other This is a fuel cell device that generates power by supplying an oxidant (air, oxygen, etc.) to the side of the tube and generating a power generation reaction at a relatively high temperature.
この燃料電池装置(SOFC)は、具体的には、燃料ガスと酸化剤(空気、酸素等)とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールを備え、外部から燃料である被改質ガス(都市ガス等)が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。 More specifically, this fuel cell apparatus (SOFC) includes a plurality of fuel cell cells that operate when fuel gas and oxidant (air, oxygen, etc.) flow from one end side to the other end side. After being supplied with reformed gas (city gas, etc.) as fuel from outside, the city gas is introduced into a reformer containing a reforming catalyst, and reformed into hydrogen-rich fuel gas Supplying to a plurality of fuel cells.
ところで、このような燃料電池モジュールを含む燃料電池装置では、取り出す電力量に応じて、燃料電池セルに供給する燃料ガスや酸化剤ガス(空気)の量を増減し、いわゆる負荷追従運転を行うものが、下記の特許文献1〜3に提案されている。
By the way, in a fuel cell device including such a fuel cell module, the amount of fuel gas or oxidant gas (air) supplied to the fuel cell is increased or decreased according to the amount of electric power to be extracted, and so-called load following operation is performed. Are proposed in the following
しかしながら、上述した従来の燃料電池装置においては、図11に示すように、負荷追従するとき、出力される電流値が変化しても、燃料利用率(=燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合)は、発電効率を一定にすると共に燃料の供給量を少なくして省エネを達成するために、一定となっていた。しかしながら、実際上は、負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域へ移行すると、燃焼室(燃焼部)への燃料供給が急激に少なくなるので、燃焼室での燃焼状態が不安定となり、さらに、これに伴い、燃料電池モジュール内の温度が急激に低下するので、燃料電池セルの温度を発電反応に必要な狭い温度帯域に保持することが難しくなるという問題があった。
さらに、燃焼室内に改質器が配置されているので、改質反応に必要な温度保持も難しくなり、改質反応のバランス(水蒸気改質反応の場合、吸熱量と燃焼熱量のバランス)が崩れ、改質ガス組成が不均一となり、燃料電池セルへ供給される燃料にも悪影響がある。
However, in the above-described conventional fuel cell device, as shown in FIG. 11, when the load follows, even if the output current value changes, the fuel utilization rate (= total amount of fuel supplied to the fuel cell) The ratio of the amount of heat used for the power generation reaction of the fuel cell to the amount of heat) was constant in order to achieve energy saving by making the power generation efficiency constant and reducing the amount of fuel supplied. However, in practice, when the load is followed, when the shift is made from the high load region to the low load region, the fuel supply to the combustion chamber (combustion part) is drastically reduced, so that the combustion state in the combustion chamber becomes unstable, and As a result, the temperature in the fuel cell module rapidly decreases, which makes it difficult to maintain the temperature of the fuel cell in a narrow temperature range necessary for the power generation reaction.
Furthermore, since the reformer is placed in the combustion chamber, it is difficult to maintain the temperature required for the reforming reaction, and the reforming reaction balance (in the case of the steam reforming reaction, the balance between the heat absorption amount and the combustion heat amount) is lost. The reformed gas composition becomes non-uniform and the fuel supplied to the fuel cell also has an adverse effect.
そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域に移行するとき、燃焼部の燃焼安定性を維持すると共に燃料電池セルの温度を所望の温度帯域に維持することができる燃料電池装置を提供することを目的としている。 Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and maintains the combustion stability of the combustion portion and the fuel cell when shifting from the high load region to the low load region during load following. It aims at providing the fuel cell device which can maintain the temperature of a cell in a desired temperature zone.
上記の目的を達成するために、本発明は、要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置において、モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて燃料供給手段及び発電用空気供給手段を制御する制御手段と、を有し、燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率を、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くする燃料利用率変更手段を備えていることを特徴としている。
負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域へ移行すると、燃焼部への燃料供給が急激に少なくなるので、燃焼状態が不安定となり、さらに、これに伴い、モジュール内の温度が急激に低下するので、燃料電池セルの温度を発電反応に必要な狭い温度帯域に維持することが難しくなる。
さらに、燃焼部に改質器が配置されているので、改質反応に必要な温度保持も難しくなり、改質反応のバランスが崩れ、燃料電池セルへ供給される燃料にも悪影響がある。
これに対し、本発明においては、燃料利用率が、低負荷領域では、高負荷領域より、低くなるようにしたので、発電反応に使用されなかった残余の燃料の熱量が増大し、燃焼部における燃料の熱量はほぼ一定に維持される。また、燃料電池セルの温度も維持されるので、再加熱のための時間を要することもない。さらに、改質器においても、燃焼部における燃料の熱量はほぼ一定に維持されるので、改質反応のバランスが維持され、最適な燃料を燃料電池セルへ供給することができる。この結果、本発明によれば、高負荷領域から低負荷領域へ移行するとき、燃料電池セルの温度を狭い温度帯域に維持することができ、且つ、最適な燃料が燃料電池セルへ供給され、効率の良い発電反応を行うことができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell device that generates power by following a required load, a fuel cell assembly including a plurality of fuel cells arranged in a module, A reformer that is disposed in the combustion section at the top of the fuel cell assembly in the module, reforms the fuel, a fuel supply means that supplies fuel to the reformer, and supplies reforming air to the reformer Reforming air supply means, power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly, fuel supply means and power generation air supply means based on the current value output from the fuel cell assembly Control means for controlling the fuel, and one of the fuel and the air for power generation is supplied into the flow path of the fuel cell of the fuel cell assembly, and the fuel and the air for power generation are out of the flow path of the fuel cell. The other is supplied, and The remaining fuel and the remaining power generation air that were not used for the combustion of the fuel burned, and the control means, when following the load, controls the amount of heat used for the power generation reaction of the fuel cell with respect to the total amount of fuel supplied to the fuel cell. It is characterized by comprising a fuel utilization rate changing means for making the fuel utilization rate, which is a ratio, lower in a low load region that outputs a small current value than in a high load region that outputs a large current value.
When shifting from a high load region to a low load region during load following, the fuel supply to the combustion section suddenly decreases, so the combustion state becomes unstable, and the temperature in the module rapidly decreases accordingly. Therefore, it becomes difficult to maintain the temperature of the fuel cell in a narrow temperature range necessary for the power generation reaction.
Furthermore, since the reformer is disposed in the combustion section, it is difficult to maintain the temperature required for the reforming reaction, the balance of the reforming reaction is lost, and the fuel supplied to the fuel cells is adversely affected.
On the other hand, in the present invention, the fuel utilization rate is lower in the low load region than in the high load region, so that the amount of heat of the remaining fuel that has not been used for the power generation reaction is increased, and in the combustion part The amount of heat of the fuel is maintained almost constant. Further, since the temperature of the fuel cell is also maintained, it does not take time for reheating. Further, in the reformer, the heat quantity of the fuel in the combustion section is maintained almost constant, so that the balance of the reforming reaction is maintained and the optimum fuel can be supplied to the fuel cells. As a result, according to the present invention, when shifting from the high load region to the low load region, the temperature of the fuel cell can be maintained in a narrow temperature band, and the optimum fuel is supplied to the fuel cell, An efficient power generation reaction can be performed.
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料供給手段による燃料供給量を増大させることにより、燃料利用率を低くする。
このように構成された本発明においては、電流値を変更又は大幅に変更することなく、燃料利用率を低くすることができるので、要求電力を満たすような制御が可能となる。
In the present invention, preferably, the fuel utilization rate changing means of the control means lowers the fuel utilization rate by increasing the amount of fuel supplied by the fuel supply means.
In the present invention configured as described above, the fuel utilization rate can be lowered without changing or drastically changing the current value, so that control that satisfies the required power is possible.
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料電池セル集合体から出力される電流値を下げることにより、燃料利用率を低くする。
このように構成された本発明においては、要求電力に対しては少ない発電電力を発揮することになるが、燃料供給量が少なくなるので経済性が向上する。
In the present invention, preferably, the fuel utilization rate changing means of the control means lowers the fuel utilization rate by reducing the current value output from the fuel cell assembly.
In the present invention configured as described above, a small amount of generated power is exhibited with respect to the required power. However, since the amount of fuel supply is reduced, the economy is improved.
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料供給手段による燃料供給量を増大させ且つ燃料電池セル集合体から出力される電流値を下げることにより、燃料利用率を低くする。
このように構成された本発明においては、燃料供給量を増大させると共に電流値も下げるようにしているので、燃料供給量の大幅な増大を抑制でき、経済性が向上する。さらに電流値を小さく変更しているため燃料電池セル集合体に対する負荷が小さくなり、耐久性を向上しつつ、精度良く燃料利用率を低くすることができる。
In the present invention, preferably, the fuel utilization rate changing means of the control means lowers the fuel utilization rate by increasing the amount of fuel supplied by the fuel supply means and lowering the current value output from the fuel cell assembly. .
In the present invention configured as described above, since the fuel supply amount is increased and the current value is also decreased, a large increase in the fuel supply amount can be suppressed, and the economic efficiency is improved. Further, since the current value is changed to be small, the load on the fuel cell assembly is reduced, and the fuel utilization rate can be accurately reduced while improving the durability.
本発明において、好ましくは、制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される発電用空気の総流量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される流量の割合である空気利用率が、上記低負荷領域では上記高負荷領域より低くなるように、上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、上述したように、燃料利用率を低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにしたことに対応させて、空気利用率も、同様に、低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにした。この結果、本発明によれば、低負荷領域であっても燃焼部で燃料が燃焼し易くなる。さらに、高負荷領域においては、空気利用率を高くしても、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、過剰な空気の供給によりモジュール内が冷却されることを防止することができる。
In the present invention, it is preferable that the control means has an air utilization rate that is a ratio of a flow rate used for a power generation reaction of the fuel battery cell with respect to a total flow rate of power generation air supplied to the fuel battery cell during load following. The power generation air supply means is controlled to be lower in the low load region than in the high load region.
In the present invention configured as described above, as described above, the air utilization rate is similarly reduced in the low load region in correspondence with the fact that the fuel utilization rate is lower in the low load region than in the high load region. It was made lower than the high load area. As a result, according to the present invention, the fuel easily burns in the combustion section even in the low load region. Furthermore, in a high load region, even if the air utilization rate is increased, there is no problem because a sufficient amount of air for power generation has already been supplied, and the inside of the module is cooled by the supply of excess air. Can be prevented.
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料利用率の低下割合を、所定の負荷より小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくする。
このように構成された本発明においては、所定の負荷より小さい負荷領域(例えば、電流値が4A以下の負荷領域)では、高負荷側では供給される燃料の絶対量も比較的多く、燃料電池セルの温度も十分に維持され、改質器にも十分な熱量が供給されていると考えられるので、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さく(緩やかに)することにより、無駄な燃料が燃焼部で燃焼して消費されることを防止することができ、発電効率を上げることができる。
In the present invention, preferably, the fuel utilization rate changing means of the control means decreases the rate of decrease in the fuel utilization rate as the load increases in a load region smaller than a predetermined load.
In the present invention thus configured, in a load region smaller than a predetermined load (for example, a load region having a current value of 4 A or less), the absolute amount of fuel supplied on the high load side is relatively large, and the fuel cell The cell temperature is also maintained sufficiently, and a sufficient amount of heat is also supplied to the reformer. By reducing the rate of decrease in the fuel utilization rate toward the higher load side (slowly), wasted fuel Can be prevented from being burned and consumed in the combustion section, and the power generation efficiency can be increased.
本発明において、好ましくは、制御手段は、空気利用率の低下割合が、所定の負荷より小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくなるように、発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、上述したように、所定の負荷より小さい負荷領域では、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さくしたことに対応させて、空気利用率の低下割合も、同様に、高負荷側ほど小さくなるようにした。この結果、本発明によれば、燃料部において燃料の燃焼に必要な量の空気を確保することができる。
In the present invention, preferably, the control means controls the power generation air supply means so that the rate of decrease in the air utilization rate is smaller as the load is higher in a load region smaller than a predetermined load.
In the present invention configured as described above, as described above, in the load region smaller than the predetermined load, the rate of decrease in the air utilization rate corresponding to the decrease in the rate of decrease in the fuel utilization rate toward the higher load side. Similarly, the higher the load side, the smaller. As a result, according to the present invention, an amount of air necessary for fuel combustion can be secured in the fuel section.
本発明において、好ましくは、制御手段は、所定の負荷より小さい負荷領域では、燃料利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、且つ、空気利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、更に、低負荷側ほど空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるように、燃料供給手段及び発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、所定の負荷より小さい負荷領域(例えば、電流値が4A以下の負荷領域)では、空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるようにしているので、低負荷領域において、燃焼部で燃料が燃焼するために最低限必要な空気量を確保することができ、さらに、過剰な空気の供給によりモジュール内が冷却されることを防止することができる。
In the present invention, preferably, in the load region smaller than the predetermined load, the control means is configured such that the rate of decrease in the fuel utilization rate decreases as the load increases, and the rate of decrease in the air utilization rate decreases as the load increases. Further, the fuel supply means and the power generation air supply means are controlled so that the rate of decrease in the air utilization rate becomes smaller than the rate of decrease in the fuel utilization rate as the load becomes lower.
In the present invention configured as described above, in a load region smaller than a predetermined load (for example, a load region having a current value of 4 A or less), the rate of decrease in the air utilization rate is made smaller than the rate of decrease in the fuel utilization rate. Therefore, in the low load region, it is possible to secure the minimum amount of air necessary for fuel to burn in the combustion section, and to prevent the inside of the module from being cooled by excessive air supply Can do.
本発明において、好ましくは、制御手段は、負荷追従時に、所定の負荷より大きな負荷領域では、上記空気利用率の低下割合がほぼゼロとなるように、発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、所定の負荷より大きな負荷領域では、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、空気供給量を変動させることにより生じる不安定な燃焼により燃料電池セルの温度維持とのバランスが崩れることを防止することができる。
In the present invention, preferably, the control means controls the power generation air supply means so that the rate of decrease in the air utilization rate becomes substantially zero in a load region larger than a predetermined load during load following.
In the present invention configured as described above, there is no problem because a sufficient amount of power generation air has already been supplied in a load region larger than a predetermined load, and there is no problem caused by changing the air supply amount. It is possible to prevent the balance between maintaining the temperature of the fuel battery cell from being lost due to stable combustion.
本発明は、好ましくは、更に、燃焼部の温度を検出する燃料部温度検出手段を備え、制御手段は、燃焼部の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるように、燃料供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、燃焼部の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるようにしているので、燃料部において燃料の燃焼性がより確実となり、その結果、燃料電池セルの温度も必要な狭い温度帯域に保持することができ、改質器では最適な改質反応を維持することができ、効率的な発電反応を維持することができる。
The present invention preferably further comprises fuel part temperature detecting means for detecting the temperature of the combustion part, and the control means is fuel supply means so that the temperature of the combustion part becomes equal to or higher than the self-ignition temperature of hydrogen as a fuel. To control.
In the present invention configured as described above, since the temperature of the combustion section is set to be equal to or higher than the self-ignition temperature of hydrogen as the fuel, the fuel combustibility becomes more reliable in the fuel section, and as a result, the fuel cell The temperature of the cell can also be maintained in a necessary narrow temperature range, and the reformer can maintain an optimum reforming reaction and can maintain an efficient power generation reaction.
本発明は、要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置において、モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて燃料供給手段を制御する制御手段と、を有し、燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率が、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くなるように、燃料供給手段を制御することを特徴としている。 The present invention relates to a fuel cell device that generates power by following a required load, a fuel cell assembly including a plurality of fuel cells arranged in a module, and a fuel cell assembly in the module. A reformer disposed in the upper combustion section for reforming fuel; fuel supply means for supplying fuel to the reformer; reforming air supply means for supplying reforming air to the reformer; and fuel A fuel cell assembly comprising: a power generation air supply means for supplying power generation air to the battery cell assembly; and a control means for controlling the fuel supply means based on a current value output from the fuel cell assembly. One of the fuel and the air for power generation is supplied into the flow path of the fuel cell of the body, and the other of the fuel and the air for power generation is supplied outside the flow path of the fuel cell, and is used for the power generation reaction in the combustion section. There was no residual fuel and residual power generation air When the load follows the load, the control means outputs a small current value when the fuel utilization rate, which is the ratio of the amount of heat used for the power generation reaction of the fuel cell to the total amount of fuel supplied to the fuel cell, is low. The fuel supply means is controlled to be lower in the load region than in the high load region where a large current value is output.
本発明の燃料電池装置によれば、負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域に移行するとき、燃焼部の燃焼安定性を維持すると共に燃料電池セルの温度を所望の温度帯域に維持することができる。 According to the fuel cell device of the present invention, when shifting from a high load region to a low load region during load following, the combustion stability of the combustion section is maintained and the temperature of the fuel cell is maintained in a desired temperature band. Can do.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池装置を説明する。
先ず、図1乃至図11により、本発明の第1実施形態による燃料電池装置を説明する。図1は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図であり、図2は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図1のA方向から見た断面図であり、図3は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図1のB方向から見た断面図である。
Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing a fuel cell module in a state where a cover member of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention is removed, and FIG. 2 is a diagram of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module as viewed from the direction A of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention as viewed from the direction B of FIG.
カバー部材(図1及び図3には明示せず、図2にその外形を二点鎖線で示す)は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材2に当接させることで、カバー部材とベース部材2とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材2とはボルト(図示せず)によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材2に設けられた取り付け穴2aを貫通することで固定されている。
The cover member (not explicitly shown in FIGS. 1 and 3, the outer shape of which is shown by a two-dot chain line in FIG. 2) includes a front side wall, a pair of longitudinal side walls, a back side wall, a ceiling, Is formed in a rectangular parallelepiped shape. A flange portion is formed at the lower end portion of each side wall, and a space sealed by the cover member and the
カバー部材とベース部材2とによって形成される内部空間は、仕切り板15によって二つの空間に分離されている。仕切り板15によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック90が配置されている空間が発電室16である。仕切り板15によって分離されている空間の内、他方の空間が排出ガス室17(排出ガス室)である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板15とは、直接若しくは何らかの密着用部材(例えば、可撓性のある薄板部材)を介して間接的に密着している。
The internal space formed by the cover member and the
仕切り板15は、ベース部材2に設けられた支持部材15aに戴置され、ベース部材2と所定距離を保って保持されている。支持部材15aは、仕切り板15を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材15a,15a間には隙間15b(流入口)が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路(図示しない)を通った排出ガスは、この隙間15bから排出ガス室17へと導入される。排出ガス室17へと導入された排出ガスは、排気口11(流出口)から外部へと排出される。
The
仕切り板15にはガスタンク3が載置されている。ガスタンク3には、燃料電池セルスタック90が10個並べて配置されており、ガスタンク3から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック90を構成する燃料電池セル4に供給される。
The
より具体的には、ガスタンク3の上面には、燃料電池セルスタック90の下支持板90bとほぼ同じ形状の開口部(図示しない)が設けられており、その開口部に下支持板90bを密接させてガスタンク3と各燃料電池セルスタック90とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック90を構成する燃料電池セル4は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク3に立設されている。
More specifically, an opening (not shown) having substantially the same shape as the
各燃料電池セル4は、管状であり、燃料電池セル4の管内を燃料電池セル4の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル4の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル4の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガス(発電用空気)である。
Each
次に、燃料電池セル4を含む燃料電池セルユニット30について、図4を参照しながら説明する。図4は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。図4に示すように、燃料電池セルユニット30は、燃料電池セル4によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル4と、燃料電池セル4の一方の端部4aに取り付けられた内側電極端子40と、他方の端部4bに取り付けられた外側電極端子42と、を有している。
Next, the
燃料電池セル4は、円筒形の内側の電極層44と、円筒形の外側の電極層48と、これらの電極層44、48の間に配置された円筒形の電解質層46と、内側の電極層44の内側に構成される貫通流路50とを有している。また、燃料電池セル4の一方の端部4aに、内側の電極層44が電解質層46及び外側の電極層48に対して露出した内側電極露出周面44aと、電解質層46が外側の電極層48に対して露出した電解質露出周面46aとが設けられている。燃料電池セル4の他方の端部4bは、外側の電極層48が露出した外側電極露出周面48aによって構成されている。貫通流路50は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面44aは、内側の電極層44と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面48aは、外側の電極層48と電気的に通じる外側電極外周面でもある。
The
内側の電極層44は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層46は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層48は、例えば、Sr、Caから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層44が燃料極になり、外側の電極層48が空気極になる。内側の電極層44の厚さは、例えば、1mmであり、電解質層46の厚さは、例えば、30μmであり、外側の電極層48の厚さは、例えば、30μmであり、その外径は、例えば、1〜10mmである。
The
内側電極端子40は、内側電極露出周面44aを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分40aと、本体部分40aから燃料電池セル4の長手方向に延びる管状部分40bとを有している。本体部分40a及び管状部分40bは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分40bの管径は、本体部分40aの管径よりも細くなっている。管状部分40bは、貫通流路50と連通し且つ外部と通じる接続流路40cを有している。本体部分40aと管状部分40bとの間の段部40dは、内側の電極層44の端面44bと当接している。
The
外側電極端子42は、外側電極露出周面48aを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分42aと、本体部分42aから燃料電池セル4の長手方向に延びる管状部分42bとを有している。本体部分42a及び管状部分42bは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分42bの管径は、本体部分42aの管径よりも細くなっている。管状部分42bは、貫通流路50と連通し且つ外部と通じる接続流路42cを有している。本体部分42aと管状部分42bとの間の段部42dは、環状の絶縁部材52を介して外側の電極層48、電解質層46及び内側の電極層44の端面44cと当接している。
The
内側電極端子40の全体形状と外側電極端子42の全体形状とは同一である。また、内側電極端子40と燃料電池セル4、及び、外側電極端子42と燃料電池セル4とは、その全周にわたって導電性のシール材54によってシールされ且つ固定されている。シール材54は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
The overall shape of the
内側電極端子40の接続流路40c、燃料電池セル4の貫通流路50、及び外側電極端子42の接続流路42cは、燃料電池セルユニット30の管内流路30cを構成する。
The
続いて、燃料電池セルユニット30を含む燃料電池セルスタック90について、図5を参照しながら説明する。図5は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。燃料電池セルスタック90は、16本の燃料電池セルユニット30と、上支持板90aと、下支持板90bと、接続部材90cと、外部端子90dとを備えている。
Next, the
上支持板90a及び下支持板90bは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット30を2列×8行で支持するように燃料電池セルユニット30の管状部分40b、42bに嵌合する貫通孔(図に明示しない)を有している。上支持板90a及び下支持板90bは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。
The
16本の燃料電池セルユニット30は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット30は、隣接した燃料電池セルユニット30の内側電極端子40が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、16本の燃料電池セルユニット30を電気的に直列に接続するための接続部材90cが設けられている。接続部材90cは、隣接した1つの内側電極端子40と1つの外側電極端子42とを電気的に接続する。直列に接続された16本の燃料電池セルユニット30の両端部の内側電極端子40及び外側電極端子42にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子90dが設けられている。接続部材90c、外部端子90dは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック90の外部端子90dは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒13,14に接続されている。
The 16
図4及び図5を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック90において、燃料電池セルユニット30の内側電極端子40が設けられている端部4aと外側電極端子42が設けられている端部4bとは上下交互になるように配置されている。
As described with reference to FIGS. 4 and 5, in the
ここで、図1〜3に戻り、燃料電池モジュールFCの説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図6及び図7も参照する。図6は、図1に示す燃料電池モジュールから流路部材7を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図であり、図7は、図6に示す燃料電池モジュールから燃料電池セルユニット及び改質器5、燃料電池セルスタック90、ガスタンク3を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。本実施形態では、燃料電池セルスタック90の上方に位置するように、改質器5が配置されている。改質器5には、配管6C(管路)と配管6Dとが繋がれていて、これらの配管6C及び配管6Dによって、改質器5は燃料電池セルスタック90と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管6Cは、改質器5に被改質ガスとしての都市ガス、空気(改質用空気)、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板15に対して立設されている。配管6Dは、改質器5において改質された燃料ガスをガスタンク3に供給するための配管であって、ガスタンク3に対して立設されている。
Here, returning to FIGS. 1 to 3, the description of the fuel cell module FC will be continued. In the following description, reference is also made to FIGS. 6 is a perspective view of the fuel cell module showing a state in which the
配管6Cを通して改質器5に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管6Aを通って燃料電池モジュールFC内に導入される。また、配管6Cを通して改質器5に供給される水蒸気は、水蒸気供給管6B(管路)を通って燃料電池モジュールFC内に導入される。被改質ガス供給管6A及び水蒸気供給管6Bは、仕切り板15を挟んで配管6Cとは反対側に設けられている混合室15cに繋がっている。被改質ガス供給管6Aから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管6Bから供給される水蒸気とは、この混合室15cにおいて混合され、配管6Cへと供給される。
The city gas and air supplied to the
図1〜3には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管6Aと水蒸気供給管6Bとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのCPUから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器5に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。
Although not explicitly shown in FIGS. 1 to 3, in this embodiment, electromagnetic valves are attached to the reformed
改質器5に導入された被改質ガスとしての都市ガス(水蒸気が混合されている場合もあり)及び空気(被改質ガスのみの場合もあり)は、改質器5内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管6Dを通ってガスタンク3へと供給される。改質器5に対して配管6Cが繋がっている部分と、改質器5に対して配管6Dが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器5に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。
City gas (which may be mixed with steam) and air (which may be only reformed gas) as reformed gas introduced into the
改質器5には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。
A reforming catalyst is enclosed in the
本実施形態では、改質器5及び各燃料電池セルスタック90を覆うように、流路部材7が設けられている。流路部材7は、空気流路外壁71,72と、空気分配室73と、空気集約室74,75と、空気流路管76a,76b,77a,77bと、外壁78,79を有している。流路部材7は、長手方向に空気流路外壁71,72が、短手方向に外壁78,79が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材7は、改質器5及び各燃料電池セルスタック90を覆うように、仕切り板15に立設されている。続く説明では、流路部材7の仕切り板15に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。
In the present embodiment, the
空気分配室73は、外壁79の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室73は、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室73には、空気供給管7Aが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室73には、空気流路管76a,76b,77a,77bも繋がれている。
The
空気流路管76a,76bは、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁71に沿うように配置されている。空気流路管76aは、空気流路外壁71側に、空気流路管76bは、空気流路管76aよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管76a,76bの一端は外壁79を貫通して空気分配室73に繋がれており、他端は空気集約室74に繋がれている。従って、空気分配室73に流入した空気は、空気流路管76a,76bを通り、空気集約室74へと流れ込んで再合流する。
The air
空気流路管77a,77bは、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁72に沿うように配置されている。空気流路管77aは、空気流路外壁72側に、空気流路管77bは、空気流路管77aよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管77a,77bの一端は外壁79を貫通して空気分配室73に繋がれており、他端は空気集約室75に繋がれている。従って、空気分配室73に流入した空気は、空気流路管77a,77bを通り、空気集約室75へと流れ込んで再合流する。
The air
空気集約室74,75は、外壁78の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室74,75は、空気流路外壁71,72と外壁78,79とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室74は空気流路外壁71と密着するように配置されており、空気集約室74に流れ込んだ空気は空気流路外壁71へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室75は空気流路外壁72と密着するように配置されており、空気集約室75に流れ込んだ空気は空気流路外壁72へと流れ出すように構成されている。
The
空気流路外壁71,72は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁71は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室91、第二室92、第三室93として形成されている。空気集約室74から流れ込んだ空気は、第一室91に流れ込んだ後、第二室92に流れ込み、その後第三室93に流れ込む。同様に、空気流路外壁72も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室94、第二室95、第三室96として形成されている。空気集約室75から流れ込んだ空気は、第一室94に流れ込んだ後、第二室95に流れ込み、その後第三室96に流れ込む。
Each of the air flow path
第三室93,96にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔93a,96aが形成されている。空気流入孔93a,96aは、燃料電池セルスタック90が連設されている方向に、各燃料電池セル4間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル4に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。
In the
空気流路外壁71,72に流れ込んだ空気は、空気流入孔93a,96aを通って発電室16内の燃料電池セル4近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔93a,96aを通って流れ込んだ空気(発電用空気)は、燃料電池セル4の外側を通って各燃料電池セル4の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル4の上方に至った空気(発電用空気)は、各燃料電池セル4の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。
The air flowing into the air flow path
各燃料電池セルスタック90の上方は、空気(発電用空気)と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部18となっている。燃料ガスは、ガスタンク3から、燃料電池セルユニット30の管内流路30cを通り、燃焼部18に向けて上昇する。また、燃料電池セル4の外側を流れる空気も、燃焼部18に向けて上昇する。空気流路外壁72の燃焼部18に対応する部分には点火装置挿入穴97が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置(図示しない)が点火装置挿入穴97から燃焼部18に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック90を構成する燃料電池セル4は、燃焼部18によって上方から加熱される。また、空気流入孔93a,96aを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管76a,76b,77a,77b、空気流路外壁71,72を通る間に、燃焼部18における燃焼によって加熱される。
Above each
上述したように、燃焼部18において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間15bから排出ガス室17へと流入する。この流入経路について、図8を参照しながら説明する。図8は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。図8に示すように、燃焼部18において、燃料ガスと空気(発電用空気)とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー1に形成された排出ガス流路1aを通って下方に向い、隙間15bから排出ガス室17へと流入する。排出ガス室17に流入した排出ガスは、排気口11から外部へ排出される。
As described above, the exhaust gas generated when the fuel gas and air are mixed and burned in the
続いて、図9を参照しながら、燃料電池モジュールFCを用いた燃料電池FCSの構成について説明する。図9は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。図9に示すように、燃料電池FCSは、燃料電池モジュールFCと、燃料供給部FPと、第1空気供給部(発電用空気供給部)AP1と、第2空気供給部(改質用空気供給部)AP2と、水供給部WPと、電力取出部EPと、温度取得部TD(温度取得部)と、制御部CS(制御部)とを備えている。燃料供給部FP、第1空気供給部AP1、第2空気供給部AP2、水供給部WP、及び電力取出部EPは、燃料電池FCSの補器ADを構成している。 Next, the configuration of the fuel cell FCS using the fuel cell module FC will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram showing the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the fuel cell FCS includes a fuel cell module FC, a fuel supply unit FP, a first air supply unit (power generation air supply unit) AP1, and a second air supply unit (reforming air supply). Part) AP2, water supply part WP, electric power extraction part EP, temperature acquisition part TD (temperature acquisition part), and control part CS (control part). The fuel supply unit FP, the first air supply unit AP1, the second air supply unit AP2, the water supply unit WP, and the power extraction unit EP constitute an auxiliary device AD of the fuel cell FCS.
燃料供給部FPは、燃料供給源としての都市ガス配管から都市ガスを被改質ガスとして燃料電池モジュールFCに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部FPから供給される被改質ガスは被改質ガス供給管6Aへと送り出される。
The fuel supply unit FP is a part that supplies city gas to the fuel cell module FC as reformed gas from a city gas pipe as a fuel supply source, and includes a fuel pump and an electromagnetic valve. The reformed gas supplied from the fuel supply unit FP is sent out to the reformed
第1空気供給部(発電用空気供給部)AP1は、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールFCに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。第1空気供給部AP1から供給される空気は空気供給管7Aへと送り出される。
The first air supply unit (power generation air supply unit) AP1 is a part that supplies air from the atmosphere as an air supply source to the fuel cell module FC, and includes an air blower and an electromagnetic valve. The air supplied from the first air supply part AP1 is sent out to the
第2空気供給部(改質用空気供給部)AP2は、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールFCに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。第2空気供給部AP2から供給される空気は被改質ガス供給管6Aへと送り出され、燃料供給部FPから供給される被改質ガスと混合される。
The second air supply unit (reforming air supply unit) AP2 is a part that supplies air from the atmosphere as an air supply source to the fuel cell module FC, and includes an air blower and an electromagnetic valve. The air supplied from the second air supply part AP2 is sent out to the reformed
水供給部WPは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールFCに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部WPから供給される水は、燃料電池モジュールFC内部で水蒸気となって水蒸気供給管6Bへと送り出される。
The water supply unit WP is a part that supplies water from a water pipe as a water supply source to the fuel cell module FC, and includes a water pump and an electromagnetic valve. The water supplied from the water supply part WP becomes water vapor inside the fuel cell module FC and is sent to the water
電力取出部EPは、燃料電池モジュールFCから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部EPは、電極棒13,14と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
The power extraction unit EP is a part that extracts electric power from the fuel cell module FC, and includes a power conversion device such as an inverter. The power extraction unit EP is connected to the
温度取得部TDは、燃焼部18の温度を直接的若しくは間接的に取得する部分である。本実施形態の場合、温度取得部TDは燃焼部18の温度を間接的に取得するように構成されていて、改質器5の温度を検知し、改質器5の温度を示す信号を制御部CSに出力する。制御部CSでは、この信号に基づいて、燃焼部18の温度を推測する。この燃焼部18の温度を推測する根拠は、事前に計測された燃焼部温度と改質器温度との相関関係によるものである。尚、温度取得部TDが改質器5の温度を検知する態様としては、温度センサを改質器5の上面に当接させることが好ましい態様である。この場合、改質器5内の温度は、事前に計測された改質器内温度と改質器外温度との相関関係に基づいて算出される。
また、温度取得部TDが燃焼部18の温度を直接的に取得する場合には、燃焼部18に温度センサを配置する。制御部CSは、燃料供給部FP、第1空気供給部AP1、第2空気供給部AP2、水供給部WP、及び電力取出部EPのそれぞれを制御するための部分であって、CPUやROMを有している。上述したような燃料電池モジュールFCの動作は、制御部CSからの指示信号に基づいて実行される。制御部CSは、少なくとも温度取得部TDにより改質器5が水蒸気改質可能な温度であると検知された際に、改質器5に被改質ガスと水蒸気だけを供給するよう制御する。これにより、改質器5では、後述するオートサーマル改質反応が進行することとなる。
The temperature acquisition unit TD is a part that acquires the temperature of the
In addition, when the temperature acquisition unit TD directly acquires the temperature of the
続いて、図10を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池モジュールFCを含む燃料電池システムFCS(燃料電池装置)の動作及びその運転方法について説明する。図10は、本発明の第1実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。 Next, the operation of the fuel cell system FCS (fuel cell device) including the fuel cell module FC according to the present embodiment and the operation method thereof will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a time chart showing the operation at the start-up of the fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.
燃料電池システムFCS(燃料電池装置)の起動時には、先ず、燃料電池モジュールFCを温めるために、燃料電池モジュールFCを含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュールFCを含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュールFCに燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュールFCは、発電を行わない。 At the start of the fuel cell system FCS (fuel cell device), first, in order to warm the fuel cell module FC, the circuit including the fuel cell module FC is not loaded, that is, the circuit including the fuel cell module FC is opened. In this state, fuel gas and air are supplied to the fuel cell module FC. At this stage, even if fuel gas and air are present, no current flows through the circuit, so the fuel cell module FC does not generate power.
詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料供給部FPから被改質ガスを被改質ガス供給管6Aに供給する。このとき、制御部CSは、都市ガス及び空気(改質用空気)を含む燃料ガスを供給するように、燃料ポンプ及び燃料供給部FPの空気ブロア等に信号を出力する。図10には、燃料ポンプの制御電圧及び燃料供給部FPの空気ブロアの制御電圧を示している。被改質ガス供給管6Aから供給された被改質ガスは改質器5を通過して燃料ガスとして、ガスタンク3内に貯まる。それにより、各燃料電池セルユニット30への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク3内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット30の管内流路30cを通って流れ、内側の電極層44に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット30の上部空間に達する。
Specifically, fuel gas is supplied. Specifically, the reformed gas is supplied from the fuel supply unit FP to the reformed
また、大気中の空気(発電用空気)を供給する。具体的には、空気供給部APによって空気供給管7Aに供給し、上述したような経路を通って、空気流入孔93a,96aから発電室16内へと導く。発電室16内へと導かれた空気(発電用空気)は、外側の電極層48と作用する。作用しなかった空気(発電用空気)は、各燃料電池セルユニット30(燃料電池セル4)の上方に達する。
Also, air in the atmosphere (power generation air) is supplied. Specifically, the air supply unit AP supplies the air to the
次いで、点火装置(図示しない)を用いて、燃料ガスと空気(発電用空気)とを燃焼させる。それにより生じた排出ガスは、高温になる。排出ガスは、カバー1(図8参照)を通って、排出ガス室17へと流入する。排出ガス室17へと流入した排出ガスは、排気口11から排出される。
Next, fuel gas and air (power generation air) are combusted using an ignition device (not shown). The resulting exhaust gas becomes hot. The exhaust gas flows into the
燃料ガスと空気(発電用空気)とが燃焼する際に、発電室16内が昇温される。外部から導入される空気(発電用空気)は、上述した経路を流れる間に、発電室16内と熱交換を行って暖められる。高温の排出ガスは、排出ガス室17へと流入し、排出ガス室17内を昇温する。
When the fuel gas and air (power generation air) are combusted, the temperature in the
続いて、炭化水素系の都市ガスと空気(改質用空気)とを予め混合したガスを改質器5に供給する(改質工程)。改質器5においては、式(1)の部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応は発熱反応であるので、起動性が良好である。部分酸化改質反応POXが進行しても燃焼部18では継続して燃焼反応が持続する。
Subsequently, a gas obtained by mixing hydrocarbon-based city gas and air (reforming air) in advance is supplied to the reformer 5 (reforming step). In the
CmHn+m/2O2 → mCO+n/2H2 (1)
C m H n + m / 2
本実施形態では、この式(1)による部分酸化改質反応POXの前に、式(1−1)による部分酸化改質反応POXを行うことで、部分酸化改質反応POXを2段階で行っている。改質器5の温度が所定温度(例えば、450度程度)を下回っている場合には、式(1−1)のように、改質器5へ供給する空気の量を減らして、メタンが水素に転換しすぎることを抑制する。
In the present embodiment, the partial oxidation reforming reaction POX according to the formula (1-1) is performed in two stages before the partial oxidation reforming reaction POX according to the formula (1). ing. When the temperature of the
CmHn+m/8O2 → m/4CO+n/8H2+3m/4CmHn (1−1) C m H n + m / 8 O 2 → m / 4 CO + n / 8 H 2 +3 m / 4 C m H n (1-1)
この式(1−1)による部分酸化改質反応POXを行って、改質器5の温度が所定温度(例えば、450度程度)以上となった場合には、上述した式(1)のように、改質器5へ供給する空気の量を増やして、水素の量を増やすように制御する。この制御で用いる所定温度は、燃焼部18の温度が基準温度となる場合の改質器5の温度として事前に設定されている温度である。基準温度とは、水素の拡散速度よりも水素の燃焼速度が大きくなる場合の温度に対応するものであって、実験等で事前に設定されている温度である。
When the partial oxidation reforming reaction POX according to the equation (1-1) is performed and the temperature of the
部分酸化改質反応POXの実行開始から所定時間経過後、都市ガスと空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器5に供給する。このとき、制御部CSは、都市ガス及び空気を含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ、燃料供給部FPの空気ブロア、及び水ポンプ等に信号を出力する。図10には、水ポンプの制御電圧を示している。改質器5においては、上述の部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器5内では熱自立しながら反応が進行する。すなわち、酸素が多い場合は部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合は水蒸気改質反応SRによる吸熱が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階を過ぎており、発電室16内がある程度の温度に昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行しても燃焼部18では継続して燃焼反応が持続する。
After a predetermined time has elapsed since the execution of the partial oxidation reforming reaction POX, a gas in which city gas, air and water vapor are mixed in advance is supplied to the
オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、温度取得部TDにより改質器5が水蒸気改質可能な温度であると検知されると、都市ガスと水蒸気とを予め混合したガスを改質器5に供給する。このとき、制御部CSは、都市ガスだけを含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ及び水ポンプ等に信号を出力すると共に第2空気供給部AP2の空気ブロアを停止させるよう信号を出力する。
When the temperature acquisition unit TD detects that the
改質器5においては、式(2)の水蒸気改質反応SRが進行する。この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼部18からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室16内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応SRが進行しても燃焼部18では継続して燃焼反応が持続する。
In the
CmHn+mH2O → mCO+(n/2+m)H2 (2) C m H n + m H 2 O → m CO + (n / 2 + m) H 2 (2)
上述したように着火工程から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室16内の温度が徐々に上昇する。発電室16内及び燃料電池セル4の温度が、燃料電池モジュールFCを安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールFCを含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールFCは発電を開始し、回路に電流が流れる。燃料電池の発電により、燃料電池セル4自体も発熱し、更に、燃料電池セル4の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールFCを作動させる定格温度、例えば、600〜800℃になる。
As described above, the temperature in the
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル4で消費される燃料ガス及び空気(発電用空気)の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、発電室16での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行せしめられる。水蒸気改質反応SR自体は(厳密に言えば)400℃〜800℃程度で行われるが、燃料電池との組み合わせにおいては500℃〜700℃程度で運転される。
Thereafter, in order to maintain the rated temperature, fuel gas and air in an amount larger than the amount of fuel gas and air consumed by the
この発電時においては、負荷追従運転を実行する。本実施形態の場合、定格電流は7Aとしているので、必要とされる電流値がその定格電流値よりも少ない場合に、発生させる電流値を抑制する運転を負荷追従運転としている。本実施形態の場合、制御部CSは、電流値が7Aの場合に供給する被改質ガス量(都市ガス量)を2.7L/minとし、電流値が2Aの場合に供給する被改質ガス量(都市ガス量)を1.5L/minとしている。燃料利用率で比較すると、電流値が7Aの場合には燃料利用率が約68%であり、電流値が2Aの場合には燃料利用率が約35%である。 During this power generation, load following operation is executed. In the case of this embodiment, since the rated current is 7 A, when the required current value is smaller than the rated current value, the operation for suppressing the generated current value is set as the load following operation. In the case of the present embodiment, the control unit CS sets the amount of reformed gas (city gas amount) supplied when the current value is 7A to 2.7 L / min, and supplies the reformed gas when the current value is 2A. The gas amount (city gas amount) is 1.5 L / min. When compared with the fuel utilization rate, the fuel utilization rate is about 68% when the current value is 7A, and the fuel utilization rate is about 35% when the current value is 2A.
電流値と燃料利用率との関係をグラフに示すと図11に示すようになる。ここで、燃料利用率は、上述したように、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である。図11に示すように、従来は、上述したように燃料利用率が一定になるように制御していたので、発生させる電流値が小さい場合に、供給される被改質ガスの量が少なくなるため、燃料電池セル4に供給される燃料ガスも少なくなり、ひいては残余の燃料ガスとして燃焼部18に至る燃料ガスの量が不足する事態となっていた。そこで本実施形態では、発生させる電流値が小さい場合にあえて燃料利用率を引き下げるように制御することで、供給される被改質ガスの量を増やし、燃料電池セル4に供給される燃料ガスも多くし、ひいては残余の燃料ガスとして燃焼部18に至る燃料ガスの量を確保するようにしている。このため、本実施形態の燃料電池モジュールFCの燃焼部18においては、燃焼不良等の不具合の発生を抑制することができる。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the current value and the fuel utilization rate. Here, as described above, the fuel utilization rate is the ratio of the amount of heat used for the power generation reaction of the fuel cell to the total amount of heat of the fuel supplied to the fuel cell. As shown in FIG. 11, conventionally, since the fuel utilization rate was controlled to be constant as described above, the amount of reformed gas to be supplied is reduced when the generated current value is small. Therefore, the amount of fuel gas supplied to the
また、本実施形態の制御部CSは、燃焼部18の温度を取得しており、その取得した温度が水素の着火温度を下回らないように、供給する被改質ガスの量を調整している。そのため、上述した制御と併せて、より燃焼部18の燃焼安定性を確保することができる。
In addition, the control unit CS of the present embodiment acquires the temperature of the
次に、図12乃至図22を参照して、本発明の第2実施形態による燃料電池装置を説明する。
図12は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。この図12に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)である燃料電池装置101は、燃料電池モジュール102と、補機ユニット104を備えている。
Next, a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 12 is an overall configuration diagram showing a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 12, a
燃料電池モジュール102は、ハウジング106を備え、このハウジング106内部には、断熱材(図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。)を介して密封空間108が形成されている。この密閉空間108の下方部分である発電室110には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体112が配置されている。この燃料電池セル集合体112は、10個の燃料電池セルスタック114(図16参照)を備え、この燃料電池セルスタック114は、16本の燃料電池セルユニット116(図15参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体112は、160本の燃料電池セルユニット116を有し、これらの燃料電池セルユニット116の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール102の密封空間108の上述した発電室110の上方には、燃焼室118が形成され、この燃焼室118で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室118の上方には、燃料ガスを改質する改質器120が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器120の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器122が配置されている。
A
Further, a
次に、補機ユニット104は、水道等の水供給源124からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク126と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット128(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット104は、都市ガス等の燃料供給源130から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁132と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器136と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット138(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット104は、空気供給源140から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁142と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット144(モータで駆動される「空気ブロア」等)及び発電用空気流量調整ユニット145(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器120に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ146と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ148とを備えている。これらの第1ヒータ146と第2ヒータ148は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
Next, the
次に、燃料電池モジュール102には、排気ガスが供給される温水製造装置150が接続されている。この温水製造装置150には、水供給源124から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール102には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス152が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール102には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ154が接続されている。
Next, a hot
The
Further, the
次に、図13及び図14により、本発明の実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図13は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図14は、図13のXIV- XIV線に沿って断面図である。
図13及び図14に示すように、燃料電池モジュール102のハウジング106内の密閉空間108には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体112、改質器120、空気用熱交換器122が配置されている。
Next, the internal structure of the fuel cell module of the fuel cell device according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14. FIG. 13 is a side sectional view showing a fuel cell module of a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a sectional view taken along line XIV-XIV in FIG.
As shown in FIGS. 13 and 14, in the sealed
改質器120は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管160と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管162が取り付けられ、また、改質器120の内部には、上流側から順に、蒸発部120aと改質部120bを形成され、改質部120bには改質触媒が充填されている。この改質器120に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器120内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
The
この改質器120の下流端側には、燃料ガス供給管164が接続され、この燃料ガス供給管164は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体112の下方に形成されたマニホールド166内で水平に延びている。燃料ガス供給管164の水平部164aの下方面には、複数の燃料供給孔164bが形成されており、この燃料供給孔164bから、改質された燃料ガスがマニホールド166内に供給される。
A fuel
このマニホールド166の上方には、上述した燃料電池セルスタック114を支持するための貫通孔を備えた下支持板168が取り付けられており、マニホールド166内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット116内に供給される。
A
次に、改質器120の上方には、空気用熱交換器122が設けられている。この空気用熱交換器122は、上流側に空気集約室170、下流側に2つの空気分配室172を備え、これらの空気集約室170と空気分配室172は、6個の空気流路管174により接続されている。ここで、図14に示すように、3個の空気流路管174が一組(174a,174b,174c,174d,174e,174f)となっており、空気集約室170内の空気が各組の空気流路管174からそれぞれの空気分配室172へ流入する。
Next, an
空気用熱交換器122の6個の空気流路管174内を流れる空気は、燃焼室118で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室172のそれぞれには、空気導入管176が接続され、この空気導入管176は、下方に延び、その下端側が、発電室110の下方空間に連通し、発電室110に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path tubes 174 of the
An
次に、マニホールド166の下方には、排気ガス室178が形成されている。また、図14に示すように、ハウジング106の長手方向に沿った面である前面106aと後面106bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路180が形成され、この排気ガス通路180の上端側は、空気用熱交換器122が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室178と連通している。また、排気ガス室178の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管182が接続され、この排気ガス排出管182の下流端は、図12に示す上述した温水製造装置150に接続されている。
図13に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置183が、燃焼室118に設けられている。
Next, an
As shown in FIG. 13, an
次に図15により燃料電池セルユニット116について説明する。図15は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図15に示すように、燃料電池セルユニット116は、燃料電池セル184と、この燃料電池セル184の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子186とを備えている。
燃料電池セル184は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路188を形成する円筒形の内側電極層190と、円筒形の外側電極層192と、内側電極層190と外側電極層192との間にある電解質層194とを備えている。この内側電極層190は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層192は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the
As shown in FIG. 15, the
The
燃料電池セル116の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子186は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子186について具体的に説明する。内側電極層190の上部190aは、電解質層194と外側電極層192に対して露出された外周面190bと上端面190cとを備えている。内側電極端子186は、導電性のシール材196を介して内側電極層190の外周面190bと接続され、さらに、内側電極層190の上端面190cとは直接接触することにより、内側電極層190と電気的に接続されている。内側電極端子186の中心部には、内側電極層190の燃料ガス流路188と連通する燃料ガス流路198が形成されている。
Since the
内側電極層190は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
The
電解質層194は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
The
外側電極層192は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
次に図16により燃料電池セルスタック14について説明する。図16は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図16に示すように、燃料電池セルスタック114は、16本の燃料電池セルユニット116を備え、これらの燃料電池セルユニット116の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板168及び上支持板200により支持されている。これらの下支持板18及び上支持板200には、内側電極端子186が貫通可能な貫通穴168a及び200aがそれぞれ形成されている。
Next, the
As shown in FIG. 16, the
さらに、燃料電池セルユニット116には、集電体202及び外部端子204が取り付けられている。この集電体202は、燃料極である内側電極層190に取り付けられた内側電極端子186と電気的に接続される燃料極用接続部202aと、空気極である外側電極層192の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部202bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部202bは、外側電極層192の表面を上下方向に延びる鉛直部202cと、この鉛直部202cから外側電極層192の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部202dとから形成されている。また、燃料極用接続部202aは、空気極用接続部202bの鉛直部202cから燃料電池セルユニット116の上下方向に位置する内側電極端子186に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
Further, a current collector 202 and an
さらに、燃料電池セルスタック114の端(図16では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット116の上側端及び下側端の内側電極端子186には、それぞれ外部端子204が接続されている。これらの外部端子204は、隣接する燃料電池セルスタック114の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子204(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット116の全てが直列接続されるようになっている。
Furthermore, the
次に図17により本発明の第2実施形態による燃料電池装置に取り付けられたセンサ類等について説明する。図17は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
図17に示すように、燃料電池装置(SOFC)101は、制御部210を備え、この制御部210には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置212、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置214、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置216が接続されている。なお、この報知装置216は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a block diagram showing a fuel cell device according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 17, the fuel cell apparatus (SOFC) 101 includes a
次に、制御部210には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ220は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール102及び補機ユニット104に取り付けられている。
CO検出センサ222は、本来排気ガス通路180等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール102及び補機ユニット104を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ224は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the
First, the combustible
The
The hot water storage
電力状態検出センサ226は、インバータ154及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ228は、発電室110に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ230は、改質器120に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ232は、改質器120に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power
The power generation air flow
The reforming air
The fuel
水流量センサ234は、改質器120に供給される純水(水蒸気)の流量を検出するためのものである。
水位センサ236は、純水タンク126の水位を検出するためのものである。
圧力センサ238は、改質器120の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ240は、温水製造装置150に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The
The
The
The
発電室温度センサ242は、図14に示すように、燃料電池セル集合体112の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック114の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック114(即ち燃料電池セル184自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ244は、燃焼室118の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ246は、排気ガス室178の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ248は、改質器120の温度を検出するためのものであり、改質器120の入口温度と出口温度から改質器120の温度を算出する。
外気温度センサ250は、燃料電池装置(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 14, the power generation
The combustion
The exhaust gas
The
The outside
これらのセンサ類からの信号は、制御部210に送られ、制御部210は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット128、燃料流量調整ユニット138、改質用空気流量調整ユニット144、発電用空気流量調整ユニット145に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット210は、インバータ154に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the
Further, the
次に図18により本発明の第2実施形態による燃料電池装置(SOFC)による起動時の動作を説明する。図18は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the fuel cell apparatus (SOFC) according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a time chart showing the operation at the start-up of the fuel cell device according to the second embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the
先ず、改質用空気流量調整ユニット144から改質用空気を第1ヒータ146を経由して燃料電池モジュール102の改質器120へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット145から発電用空気を第2ヒータ148を経由して燃料電池モジュール102の空気用熱交換器122へ供給し、この発電用空気が、発電室110及び燃焼室118に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット138からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器120及び燃料電池セルスタック114、燃料電池セルユニット116を通過して、燃焼室118に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow
次に、点火装置183により着火して、燃焼室118にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室110が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール102の密封空間108内を上昇する際、改質器120内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器122内の発電用空気も暖める。
Next, ignition is performed by the
このとき、燃料流量調整ユニット138及び改質用空気流量調整ユニット144により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器120に供給されているので、改質器120において、式(3)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管164により燃料電池セルスタック114の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック114が下方から加熱され、また、燃焼室118も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック114は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック114は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室118では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the
CmHn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (3)
C m H n + xO 2 →
部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ248により改質器120が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット128、燃料流量調整ユニット138及び改質用空気流量調整ユニット144により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器120に供給する。このとき、改質器120においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器120内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。
After the partial oxidation reforming reaction POX starts, when the
式(4)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ246により改質器120が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット144による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット128による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器120には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器120において、式(5)の水蒸気改質反応SRが進行する。
When the
CmHn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (4)
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (5)
C m H n + xO 2 + yH 2
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (5)
この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室118からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール102の起動の最終段階であるため、発電室110内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室110が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室118では継続して燃焼反応が進行する。
Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the
このようにして、燃料電池モジュール102は、点火装置183により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室110内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室110内及び燃料電池セル184の温度が燃料電池モジュール102を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール102を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール102による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール102の発電により、燃料電池セル184自体も発熱し、燃料電池セル184の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール102を作動させる定格定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。
In this way, after the
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル184で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室118での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。
Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the
次に、図19乃至図21により、本発明の第2実施形態による燃料電池装置(SOFC)の要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するときの運転状態を説明する。
図19は本発明の第2実施形態による燃料電池装置の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートであり、図20は第2実施形態による燃料電池装置における燃料供給制御特性(要求発電量と燃料ガス供給量との関係)を示す図であり、図21は第2実施形態による燃料電池装置における燃料供給制御特性(要求発電量と発電用空気供給量との関係)を示す図である。
Next, with reference to FIG. 19 to FIG. 21, an operation state when changing the power generation output value corresponding to the required power generation amount of the fuel cell apparatus (SOFC) according to the second embodiment of the present invention to follow the load will be described.
FIG. 19 is a time chart showing an operation state at the time of load following in which the power generation output value is changed corresponding to the required power generation amount of the fuel cell device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 20 is a fuel according to the second embodiment. FIG. 21 is a diagram showing fuel supply control characteristics (relationship between required power generation amount and fuel gas supply amount) in the battery device, and FIG. 21 is a fuel supply control characteristic (required power generation amount and power generation air) in the fuel cell device according to the second embodiment. It is a figure which shows (relation with supply amount).
先ず、図19において、縦軸は、発電室温度(T1)、燃料ガス供給量、発電用空気供給量を示し、横軸は、時間(t)を示している。
第2実施形態による燃料電池装置(SOFC)101は、要求発電量が100W〜700Wの燃料電池であり、この範囲で、要求発電量に対して発電出力値を変更して負荷追従することができるようになっている。
First, in FIG. 19, the vertical axis represents the power generation chamber temperature (T1), the fuel gas supply amount, and the power generation air supply amount, and the horizontal axis represents time (t).
The fuel cell apparatus (SOFC) 101 according to the second embodiment is a fuel cell having a required power generation amount of 100 W to 700 W, and can follow the load by changing the power generation output value with respect to the required power generation amount within this range. It is like that.
次に、燃料電池セル184は、100W〜700Wの定格発電出力値を発電するとき発電反応が良好に行えるため温度帯域に保持する必要があり、この温度帯域は、固体差の無い設計時の標準の燃料電池セルを所定の基準運転状態において動作させるという条件の下で、100W〜700Wの定格発電出力値に対応したものとなっている。
Next, the
次に、下限定格発電量100Wに対応する燃料電池セル84の温度より所定温度だけ低い温度である下限温度値(Ta)を690℃に設定し、上限定格発電量700Wに対応する燃料電池セル84の温度より所定温度だけ高い温度である上限温度値(Tb)を710℃に設定し、この下限温度値(Ta)と上限温度値(Tb)の温度範囲を温度監視帯域Wとする。なお、下限定格発電量100Wに対応する燃料電池セル84の温度を下限温度値とし、上限定格発電量700Wに対応する燃料電池セル84の温度を上限温度値とし、これらの下限温度値と上限温度値の温度範囲を温度監視帯域Wとしても良い。
Next, a lower limit temperature value (Ta) that is a predetermined temperature lower than the temperature of the fuel battery cell 84 corresponding to the lower limit rated
このように、下限定格発電量及び上限定格発電量を考慮して下限温度値及び下限温度値を決定し、後述するように、発電室温度がこれらの下限温度値と上限温度値を持つ監視温度帯域W外となったとき燃料ガスや発電用空気の供給量を補正するようにしているので、要求発電量に対応して燃料供給量を変更して負荷追従する際、燃料供給制御特性を変更するような複雑な制御を行う必要がなく、簡易でかつ十分な制御が可能となる。 In this way, the lower limit temperature value and the lower limit temperature value are determined in consideration of the lower limit rated power generation amount and the upper limit rated power generation amount, and as will be described later, the monitoring room temperature has the lower limit temperature value and the upper limit temperature value. Since the supply amount of fuel gas and power generation air is corrected when out of the band W, the fuel supply control characteristic is changed when changing the fuel supply amount corresponding to the required power generation amount to follow the load. It is not necessary to perform such complicated control, and simple and sufficient control is possible.
また、第2実施形態においては、燃料電池装置(SOFC)の設置時に、定格運転を行い、このときの燃料電池セルの発電室温度を定格基準温度(T0)とし、この定格基準温度を中心にして上下方向に10℃だけ離れた下限温度値と上限温度値を設定するようにしてもよい。これにより、燃料電池セル84の固体差を、運転の初期段階で、吸収することができる。 In the second embodiment, the rated operation is performed when the fuel cell apparatus (SOFC) is installed, and the power generation chamber temperature of the fuel cell at this time is set as the rated reference temperature (T0), and the rated reference temperature is the center. Thus, a lower limit temperature value and an upper limit temperature value separated by 10 ° C. in the vertical direction may be set. Thereby, the solid difference of the fuel cell 84 can be absorbed in the initial stage of operation.
次に、第2実施形態においては、図20に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と燃料ガス供給量の関係」が予め決定されており、また、図21に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と発電用空気供給量との関係」が予め決定されている。
第2実施形態においては、燃料電池モジュール2が定常運転に移行後、要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するとき、燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を、図20及び図21に示す燃料供給制御特性に基づき、増大又は減少させて、要求された負荷に追従することができるようになっている。
Next, in the second embodiment, as shown in FIG. 20, the “relationship between required power generation amount and fuel gas supply amount”, which is a fuel supply control characteristic, is determined in advance, and as shown in FIG. The fuel supply control characteristic “relation between required power generation amount and power generation air supply amount” is determined in advance.
In the second embodiment, after the
この負荷追従するとき、燃料電池モジュール102の燃料電池セル184は、燃料電池セル184の持つ個々の固体差、及び、燃料電池モジュール2が設置された外気環境(温度、湿度等)により、燃料電池セル84の温度(T1)が、温度監視帯域W外となることがある。そのため、第2実施形態においては、燃料電池セル184の発電室温度(T1)が、下限温度値(Ta)を下回った場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それぞれ所定量(燃料供給制御特性における供給量の10%)だけ増大する増量補正をし、一方、燃料電池セル84の発電室温度(T1)が、上限温度値(Tb)を超えた場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それぞれ所定量(燃料供給制御特性における供給量の10%)だけ減少させる減量補正をして、燃料電池セル84の発電室温度(T1)が温度監視帯域W内となるような適応制御(adaptive control)を実行する。
When following this load, the
第2実施形態においては、この適応制御により、負荷追従時に燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を増大又は減少させて補正した後は、所定の禁止期間(例えば、5時間)が経過するまで次回の補正を実行しないようにしている。これにより、燃料供給量を減量補正又は増量補正した後、燃料電池セル84の温度が安定する程度の期間(SOFCでは一般的に数時間を要する)まで燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正を実行しないので、過剰補正による燃料電池セル184の悪影響を防止し、燃料電池セル184の固体差や外気環境変化により生じる燃料供給制御特性への影響に適応させることができる。
In the second embodiment, by this adaptive control, a predetermined prohibition period (for example, 5 hours) elapses after correction by increasing or decreasing the supply amount of fuel gas and the supply amount of power generation air during load following. Until next time, the next correction is not executed. Thus, after the fuel supply amount is corrected to decrease or increase, the supply amount of fuel gas and power generation air is corrected until a period during which the temperature of the fuel cell 84 is stabilized (generally, several hours are required for SOFC). Is not executed, the adverse effect of the
次に、図19に示すように、第2実施形態においては、温度監視帯域Wの上限温度値(Tb)よりも高い温度である720℃を冷却温度(Tc)とし、燃料電池セル184の発電室温度(T1)がこの冷却温度(Tc)を超えた場合には、空気流量調整ユニット144により、燃料電池モジュール102の発電室110に多量の発電用空気を導入し、この空気により、燃料電池セル集合体112を強制的に冷却するようにしている。
Next, as shown in FIG. 19, in the second embodiment, 720 ° C., which is higher than the upper limit temperature value (Tb) of the temperature monitoring band W, is set as the cooling temperature (Tc), and the power generation of the
更に、図19に示すように、第2実施形態においては、温度監視帯域Wの上限温度値(Tb)及び冷却温度(Tc)よりも高い温度(800℃以上)の帯域、及び、温度監視帯域Wの下限温度値(Ta)よりも低い温度(500℃以下)の帯域を異常温度帯域として設定し、燃料電池セル184の発電室温度(T1)がこの異常温度帯域になったとき、燃料電池の運転を規制するようにしている。具体的には、燃料電池の運転自体を停止する、燃料電池の発電運転を停止する、燃料ガスの供給量を低減させる、警報(ワーニング)を発する等である。これにより、第2実施形態によれば、燃料供給制御特性が外気環境(温度、湿度等)の変化や燃料電池セル84の固体差に適応させることができない異状な状態の時であっても、燃料電池セル84が異常状態となることを確実に防止することができる。
Further, as shown in FIG. 19, in the second embodiment, a temperature range (800 ° C. or higher) higher than the upper limit temperature value (Tb) and the cooling temperature (Tc) of the temperature monitoring zone W, and the temperature monitoring zone When a band of temperature (500 ° C. or lower) lower than the lower limit temperature value (Ta) of W is set as an abnormal temperature band, and the power generation chamber temperature (T1) of the
次に、図22により、本発明の第2実施形態による燃料電池装置における負荷追従時における電流値と燃料利用率及び空気利用率との関係を説明する。図22は、本発明の第2実施形態による燃料電池装置における発電運転時の電流値と燃料利用率及び空気利用率との関係を示す線図である。 Next, the relationship between the current value, the fuel usage rate, and the air usage rate during load following in the fuel cell device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the current value, the fuel utilization rate, and the air utilization rate during the power generation operation in the fuel cell device according to the second embodiment of the present invention.
ここで、燃料利用率は、上述したように、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である。また、空気利用率は、燃料電池セルへ供給される発電用空気の総流量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される流量の割合である。 Here, as described above, the fuel utilization rate is the ratio of the amount of heat used for the power generation reaction of the fuel cell to the total amount of heat of the fuel supplied to the fuel cell. The air utilization rate is a ratio of the flow rate used for the power generation reaction of the fuel cell to the total flow rate of power generation air supplied to the fuel cell.
本発明の第2実施形態においては、燃料利用率を以下の3つの態様(第1例〜第3例)により下げることができる。即ち、上述した第1実施形態と同様に、燃料電池セル集合体から出力される電流値が一定の場合に被改質ガスの流量(燃料供給量)を増加させること(第1例)、被改質ガスの流量が一定の場合に電流値を下げること(第2例)、及び、被改質ガスの流量を増大させると共に電流値を下げること(第3例)により、燃料利用率を下げることができる。 In the second embodiment of the present invention, the fuel utilization rate can be lowered by the following three modes (first to third examples). That is, as in the first embodiment described above, when the current value output from the fuel cell assembly is constant, the flow rate of the reformed gas (fuel supply amount) is increased (first example), Lowering the fuel utilization rate by lowering the current value when the flow rate of the reformed gas is constant (second example) and increasing the flow rate of the reformed gas and lowering the current value (third example) be able to.
上述した第1例を具体的に説明する。例えば、燃料電池セル集合体に流れる電流値が7A、5A、3Aのとき、発電反応に使用される被改質ガス量(燃料量)が、70cc/分、50cc/分、30cc/分であり、燃料利用率を70%(一定)と設定した場合には、燃料供給総量がそれぞれ100cc/分、約71cc/分、約43cc/分となるように制御する。一方、燃焼部で燃焼に使用される被改質ガス量(燃料量)は、燃料供給総量から発電反応に使用される量を引いた分に相当するので、30cc/分、21cc/分、13cc/分となる。これでは、電流値が3A(低負荷領域)のときに、燃焼に使用される燃料量(=13cc/分)が少なすぎるので、燃料に使用される燃料を更に10cc/分だけ増量するように制御すると、燃焼に使用される燃料量が23cc/分となり、燃料利用率が57%まで下がる。 The first example described above will be specifically described. For example, when the current value flowing through the fuel cell assembly is 7A, 5A, 3A, the amount of reformed gas (fuel amount) used for the power generation reaction is 70 cc / min, 50 cc / min, 30 cc / min. When the fuel utilization rate is set to 70% (constant), the total fuel supply amount is controlled to be 100 cc / min, about 71 cc / min, and about 43 cc / min, respectively. On the other hand, the amount of reformed gas (fuel amount) used for combustion in the combustion section corresponds to the amount obtained by subtracting the amount used for power generation reaction from the total amount of fuel supply, so 30 cc / min, 21 cc / min, 13 cc / Min. In this case, when the current value is 3 A (low load region), the amount of fuel used for combustion (= 13 cc / min) is too small, so that the amount of fuel used for fuel is further increased by 10 cc / min. When controlled, the amount of fuel used for combustion becomes 23 cc / min, and the fuel utilization rate decreases to 57%.
上述した第2例を上記同様に説明する。例えば、燃料電池セル集合体に流れる電流値が5Aのとき、燃料利用率を70%と設定した場合には、燃料供給総量が約71cc/分となるように制御する。このときの燃料供給総量を固定(=約71cc/分)しておいて、電流値を3Aに変化させると、発電反応に使用される被改質ガス量(燃料量)が30cc/分となるので、燃焼部で燃焼に使用される被改質ガス量(燃料量)が41cc/分となり、そのときの燃料利用率が41%まで下がる。電流値を下げることにより、発電反応に使用される被改質ガス量(燃料量)が少なり、その結果、燃焼部で燃焼に使用される被改質ガス量(燃料量)が多くなる。 The 2nd example mentioned above is demonstrated similarly to the above. For example, when the value of the current flowing through the fuel cell assembly is 5 A and the fuel utilization rate is set to 70%, the total fuel supply amount is controlled to be about 71 cc / min. If the total amount of fuel supplied at this time is fixed (= about 71 cc / min) and the current value is changed to 3 A, the amount of reformed gas (fuel amount) used for the power generation reaction becomes 30 cc / min. Therefore, the amount of reformed gas (fuel amount) used for combustion in the combustion section is 41 cc / min, and the fuel utilization rate at that time decreases to 41%. By reducing the current value, the amount of reformed gas (fuel amount) used for the power generation reaction decreases, and as a result, the amount of reformed gas (fuel amount) used for combustion in the combustion section increases.
以下、第1例を用いた第2実施形態による燃料電池装置を説明する。まず、燃料利用率及び空気利用率は、負荷追従運転時に、出力される電流値に基づき、燃料流量調整ユニット138及び発電用空気流量調整ユニット145により、燃料ガスの流量及び発電用空気の流量が制御されることにより変更されるようになっている。
ここで、図22において、便宜上、燃料利用率の出力電流値が4A以上の領域をA1領域、これ未満の領域をA2領域と呼び、また、空気利用率の出力電流値が4A以上の領域をB1領域、これ未満の領域をB2領域と呼ぶ。
Hereinafter, the fuel cell apparatus according to the second embodiment using the first example will be described. First, the fuel utilization rate and the air utilization rate are determined by the fuel flow
Here, in FIG. 22, for the sake of convenience, the region where the output current value of the fuel utilization rate is 4 A or more is called the A1 region, the region less than this is called the A2 region, and the region where the output current value of the air utilization rate is 4 A or more. The area B1 and the area less than this are called the area B2.
先ず、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においては、上述した第1実施形態と同様に、負荷追従時に、燃料利用率が、小さな電流値を出力する低負荷領域(A2領域)では大きな電流値を出力する高負荷領域(A1領域)より低くなるように、燃料ガスの供給量が燃料流量調整ユニット138により制御される。
このように、第2実施形態の燃料電池装置においては、燃料利用率が、低負荷領域では、高負荷領域より、低くなるようにしたので、低負荷領域で、発電反応に使用されなかった残余の燃料の熱量が増大し、燃焼室(燃焼部)118における燃料の熱量はほぼ一定に維持される。また、燃料電池セル184の温度も維持されるので、再加熱のための時間を要することもない。さらに、改質器120においても、燃焼室118における燃料の熱量はほぼ一定に維持されるので、改質反応のバランスが維持され、最適な燃料を燃料電池セル184へ供給することができる。この結果、第2実施形態よる燃料電池装置によれば、高負荷領域から低負荷領域へ移行するとき、燃料電池セル118の温度を狭い温度帯域に維持することができ、且つ、最適な燃料が燃料電池セルへ供給され、効率の良い発電反応を行うことができる。
First, as shown in FIG. 22, in the fuel cell device according to the second embodiment, as in the first embodiment described above, the fuel utilization rate is a low load region (A2) that outputs a small current value during load following. In the region), the fuel gas supply amount is controlled by the fuel flow
As described above, in the fuel cell device of the second embodiment, the fuel utilization rate is lower in the low load region than in the high load region. Therefore, the residual that is not used for the power generation reaction in the low load region. The amount of heat of the fuel increases, and the amount of heat of the fuel in the combustion chamber (combustion unit) 118 is maintained substantially constant. Further, since the temperature of the
次に、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においては、燃料利用率と同様に、負荷追従時に、空気利用率が、低負荷領域(B1領域)では高負荷領域(B1領域)より低くなるように、発電用空気の供給量が発電用空気流量調整ユニット145により制御される。
このように、第2実施形態の燃料電池装置においては、燃料利用率を低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにしたことに対応させて、空気利用率も、同様に、低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにした。この結果、第2実施形態による燃料電池装置によれば、低負荷領域であっても燃焼室118で燃料が燃焼し易くなる。さらに、高負荷領域においては、空気利用率を高くしても、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、過剰な空気の供給により燃料電池モジュール2内が冷却されることを防止することができる。
Next, as shown in FIG. 22, in the fuel cell device according to the second embodiment, as with the fuel usage rate, the air usage rate is high in the low load region (B1 region) when the load follows. The supply amount of power generation air is controlled by the power generation air flow
As described above, in the fuel cell device of the second embodiment, the air utilization rate is similarly reduced in the low load region in correspondence with the fuel utilization rate being lower than that in the high load region in the low load region. Lower than the high load area. As a result, according to the fuel cell device according to the second embodiment, the fuel easily burns in the
次に、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においては、燃料利用率の低下割合が、出力電流値が4Aよりも小さな負荷領域(A2領域)では、高負荷側ほど小さくなるように、燃料ガスの供給量が燃料流量調整ユニット138により制御される。
このように、第2実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が4Aよりも小さな負荷領域では、高負荷側では供給される燃料の絶対量も比較的多く、燃料電池セル184の温度も十分に維持され、改質器にも十分な熱量が供給されていると考えられるので、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さく(緩やかに)することにより、無駄な燃料が燃焼室118で燃焼して消費されることを防止することができ、発電効率を上げることができる。
Next, as shown in FIG. 22, in the fuel cell device according to the second embodiment, the rate of decrease in the fuel utilization rate is smaller in the load region where the output current value is smaller than 4A (A2 region) as the load increases. Thus, the fuel gas supply amount is controlled by the fuel flow
Thus, in the fuel cell device according to the second embodiment, in the load region where the output current value is smaller than 4A, the absolute amount of fuel supplied on the high load side is relatively large, and the temperature of the
次に、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においては、空気利用率の低下割合が、出力電流値が4Aよりも小さな負荷領域(B2領域)では、高負荷側ほど小さくなるように、発電用空気の供給量が発電用空気供給ユニット145により制御される。
このように、第2実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が4Aよりも小さな負荷領域では、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さくしたことに対応させて、空気利用率の低下割合も、同様に、高負荷側ほど小さくなるようにした。この結果、第2実施形態の燃料電池装置によれば、燃料室118において燃料の燃焼に必要な量の空気を確保することができる。
Next, as shown in FIG. 22, in the fuel cell device according to the second embodiment, the rate of decrease in the air utilization rate is smaller in the load region (B2 region) where the output current value is smaller than 4A as the load becomes higher. Thus, the supply amount of power generation air is controlled by the power generation
As described above, in the fuel cell device according to the second embodiment, in the load region where the output current value is smaller than 4A, the reduction rate of the fuel utilization rate is made smaller toward the higher load side, and the air utilization rate is reduced. Similarly, the rate of decrease was made smaller as the load increased. As a result, according to the fuel cell device of the second embodiment, it is possible to secure an amount of air necessary for fuel combustion in the
次に、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が4Aより小さい負荷領域(A2領域及びB2領域)では、上述した、燃料利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、且つ、空気利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるようにしたことに加えて、更に、低負荷側ほど空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるように、燃料の流量及び発電用空気の流量が燃料流量調整ユニット138及び発電用空気流量調整ユニット145により制御される。
このように、第2実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が4Aより小さい負荷領域では、空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるようにしているので、低負荷領域において、燃焼部で燃料が燃焼するために最低限必要な空気量を確保することができ、さらに、過剰な空気の供給によりモジュール内が冷却されることを防止することができる。
Next, as shown in FIG. 22, in the fuel cell device according to the second embodiment, in the load region (A2 region and B2 region) where the output current value is smaller than 4A, the above-described rate of decrease in the fuel utilization rate is high. In addition to the smaller the load side, the smaller the rate of decrease in the air utilization rate, the smaller the higher the load side, the lower the load side, the lower the rate of air utilization rate, the lower the rate of fuel utilization rate. The fuel flow rate and the power generation air flow rate are controlled by the fuel flow
Thus, in the fuel cell device according to the second embodiment, in the load region where the output current value is smaller than 4A, the rate of decrease in the air utilization rate is made smaller than the rate of decrease in the fuel utilization rate. In the region, it is possible to secure a minimum amount of air necessary for the fuel to burn in the combustion section, and it is possible to prevent the inside of the module from being cooled due to excessive supply of air.
次に、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が4Aより大きな負荷領域(B1領域)では、空気利用率の低下割合がほぼゼロとなるように、発電用空気の供給量が発電用空気流量調整ユニット145により制御される。
このように、第2実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が4Aより大きな負荷領域では、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、空気供給量を変動させることにより生じる不安定な燃焼により燃料電池セルの温度維持とのバランスが崩れることを防止することができる。
Next, as shown in FIG. 22, in the fuel cell device according to the second embodiment, in the load region (B1 region) where the output current value is larger than 4A, the rate of decrease in the air utilization rate is almost zero. The amount of power generation air supplied is controlled by the power generation air flow
As described above, in the fuel cell device according to the second embodiment, there is no problem because a sufficient amount of power generation air is already supplied in the load region where the output current value is larger than 4 A. It is possible to prevent the balance with the temperature maintenance of the fuel cell from being lost due to unstable combustion caused by the fluctuation.
次に、図22に示すように、第2実施形態による燃料電池装置においても、上述した第1実施形態と同様に、燃焼室118の温度を検出する燃料室温度センサ244を備え、燃焼室118の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるように、燃料の供給量が燃料流量調ユニット138により制御される。
このように、第2実施形態による燃料電池装置においても、燃焼室118の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるようにしているので、燃料室118において燃料の燃焼性がより確実となり、その結果、燃料電池セル184の温度も必要な狭い温度帯域に保持することができ、改質器120では最適な改質反応を維持することができ、効率的な発電反応を維持することができる。
Next, as shown in FIG. 22, the fuel cell apparatus according to the second embodiment also includes a fuel
As described above, also in the fuel cell device according to the second embodiment, the temperature of the
4 燃料電池セル
5 改質器
16 発電室
18 燃焼部
30 燃料電池セルユニット
90 燃料電池セルスタック
FC 燃料電池モジュール
FCS 燃料電池
FP 燃料供給部
AP1 第1空気供給部(発電用空気供給部)
AP1 第2空気供給部(改質用空気供給部)
WP 水供給部
101 燃料電池装置
102 燃料電池モジュール
110 発電室
112 燃料電池セル集合体
114 燃料電池セルスタック
116 燃料電池セルユニット
118 燃焼室(燃焼部)
120 改質器
128 水流量調整ユニット
130 燃料流量調整ユニット
144 改質空気流量調整ユニット
145 発電用空気流量調整ユニット
184 燃料電池セル
244 燃焼室温度センサ
DESCRIPTION OF
AP1 Second air supply unit (reforming air supply unit)
WP
120
Claims (11)
モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、
上記改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて上記燃料供給手段及び発電用空気供給手段を制御する制御手段と、を有し、
上記燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、
上記燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、
上記制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率を、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くする燃料利用率変更手段を備えていることを特徴とする燃料電池装置。 In a fuel cell device that generates power following the required load,
A fuel cell assembly comprising a plurality of fuel cells arranged in a module;
A reformer that is disposed in the combustion section at the top of the fuel cell assembly in the module and reforms the fuel;
Fuel supply means for supplying fuel to the reformer;
Reforming air supply means for supplying reforming air to the reformer;
Power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly;
Control means for controlling the fuel supply means and the power generation air supply means based on the current value output from the fuel cell assembly,
One of the fuel and the air for power generation is supplied into the flow path of the fuel battery cell of the fuel cell assembly, and the other of the fuel and the air for power generation is supplied outside the flow path of the fuel battery cell,
In the combustion section, the remaining fuel and the remaining power generation air that were not used in the power generation reaction burned,
The control means is a low load region that outputs a small current value as a fuel utilization rate, which is a ratio of a heat amount used for a power generation reaction of the fuel cell to a total heat amount of the fuel supplied to the fuel cell at the time of load following. Then, the fuel cell device is characterized by comprising a fuel utilization rate changing means for lowering than a high load region that outputs a large current value.
上記制御手段は、上記燃焼部の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるように、上記燃料供給手段を制御する請求項1乃至9の何れか1項に記載の燃料電池装置。 Furthermore, a fuel part temperature detecting means for detecting the temperature of the combustion part is provided,
The fuel cell device according to any one of claims 1 to 9, wherein the control means controls the fuel supply means so that a temperature of the combustion section is equal to or higher than a self-ignition temperature of hydrogen as a fuel.
モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、
上記改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて上記燃料供給手段を制御する制御手段と、を有し、
上記燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、
上記燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、
上記制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率が、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くなるように、上記燃料供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。 In a fuel cell device that generates power following the required load,
A fuel cell assembly comprising a plurality of fuel cells arranged in a module;
A reformer that is disposed in the combustion section at the top of the fuel cell assembly in the module and reforms the fuel;
Fuel supply means for supplying fuel to the reformer;
Reforming air supply means for supplying reforming air to the reformer;
Power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly;
Control means for controlling the fuel supply means based on the current value output from the fuel cell assembly,
One of the fuel and the air for power generation is supplied into the flow path of the fuel battery cell of the fuel cell assembly, and the other of the fuel and the air for power generation is supplied outside the flow path of the fuel battery cell,
In the combustion section, the remaining fuel and the remaining power generation air that were not used in the power generation reaction burned,
The control means is a low load region in which the fuel utilization rate, which is the ratio of the amount of heat used for the power generation reaction of the fuel cell to the total amount of fuel supplied to the fuel cell when the load follows, outputs a small current value. Then, the fuel supply device is characterized in that the fuel supply means is controlled to be lower than a high load region where a large current value is output.
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