JP2010238616A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、固体電解質型燃料電池であって、燃料電池モジュール(2)と、燃料供給手段(38)と、酸化剤ガス供給手段(45)と、燃料供給量を制御する制御手段(110)と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定手段(110a)、及び、劣化判定に基づいて運転条件を補正する燃料補正手段(110b)を備え、燃料補正手段は、定格出力電力が維持されるように燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる増量補正モード、及び、燃料供給量が減少されるように定格出力電圧を低下させる減量補正モードを実行可能であり、さらに、補正モードを選択するためのモード選択手段(110c)を有することを特徴としている。
【選択図】図13
Description
このように構成された本発明によれば、燃料電池の工場出荷時や、劣化が判定されたとき等に、予想される燃料電池の使用状況に応じて、適切な補正モードを選択することができる。
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1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)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20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20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22が配置されている。
また、燃料電池モジュール2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52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2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54が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
図2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83が、燃焼室18に設けられている。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84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88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90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92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16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68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110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112、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114、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116が接続されている。なお、この報知装置116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。
先ず、可燃ガス検出センサ120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2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80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2及び補機ユニット4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124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。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10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130は、改質器20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132は、改質器20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。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20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140は、温水製造装置50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。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18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146は、排気ガス室78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148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(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。
また、制御ユニット110は、インバータ54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。
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。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38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20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
まず、図9乃至12を参照して、固体電解質型燃料電池1の負荷追従運転及び燃料電池モジュール2の劣化判定を説明する。
図9は、本実施形態の固体電解質型燃料電池における劣化判定を説明するタイムチャートである。図10は、制御部110に入力される要求発電量と、要求発電量を生成するために必要な燃料供給量の関係の一例を示すグラフである。図11は、要求発電量の変更に対する燃料供給量の時間的変化の一例を示すグラフである。図12は、劣化判定手段による劣化判定の手順を示すフローチャートである。
なお、図10及び11は、燃料供給量に関するものであるが、空気供給量、水供給量も、要求発電量に応じて、同様に変更される。
時刻t311においては、定格出力運転時の燃料電池セルユニット16の温度が、更新された基準温度T0(時刻t308〜t309における温度)よりも30゜C以上上昇しているので、図12に示すフローチャートのステップS6からステップS7に処理が移行する。上記のように減量補正モードが選択されているので、ステップS7では、図16のフローチャートが呼び出され、ステップS101、S102が順に実行される。ステップS102において、時刻t311における燃料電池セルユニット16の温度T1は、減量補正モードにおける補正切替温度Tmax1を超えているので、処理はステップS106に移行する。
次いで、時刻t314において劣化判定が行われ、燃料電池モジュール2が更に劣化していると判定された場合には、図16のフローチャートにおいて、ステップS101、S107が順に実行される。ステップS107においては、燃料補正手段110bは、予め設定されている固定値だけ燃料供給量を更に増加させる(図15の時刻t314)。この燃料供給量の増量補正により、出力電力が回復すると共に、燃料電池セルユニット16の温度は上昇する(図15の時刻t314〜t315)。回復された出力電力(図15の時刻t315〜t316における出力電力)は、下限電力Wminよりも大きいのでステップS109に進み、図16のフローチャートの一回の処理を終了する。
次いで、時刻t317において劣化判定が行われ、燃料電池モジュール2が更に劣化していると判定された場合には、図16のフローチャートにおいて、ステップS101、S107が順に実行される。ステップS107においては、燃料補正手段110bは、燃料供給量を更に増加させる(図15の時刻t317)。しかしながら、燃料電池モジュール2の劣化が進行しているため、出力電力は回復することなく、燃料電池セルユニット16の温度のみが上昇する(図15の時刻t317〜t318)。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体電解質型燃料電池セル)
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部
110a 劣化判定手段
110b 燃料補正手段
110c モード選択手段
110d 運転状態記録手段
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
Claims (5)
- 固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池モジュールに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段から供給する燃料供給量を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの劣化を判定する劣化判定手段、及び、この劣化判定手段による劣化判定に基づいて運転条件を補正する燃料補正手段を備え、
上記燃料補正手段は、上記燃料電池モジュールが劣化したことが最初に判定されたとき、定格出力電力が維持されるように上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる増量補正モード、及び、燃料供給量が減少されるように定格出力電圧を低下させる減量補正モードを実行可能であり、
さらに、上記増量補正モード又は上記減量補正モードを選択するためのモード選択手段を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 上記モード選択手段は、操作により上記増量補正モード又は上記減量補正モードを選択することができるモード選択用の操作装置である請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- さらに、上記燃料電池モジュールの過去の運転状態を記録する運転状態記録手段を有し、上記モード選択手段は、上記運転状態記録手段により記録された過去の運転状態に基づいて、自動的に上記増量補正モード又は上記減量補正モードを選択する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記燃料補正手段は、上記増量補正モードが選択された場合において、上記燃料電池モジュールの劣化が進行し、所定の補正切替条件が満たされると、燃料供給量が減少されるように、上記燃料電池モジュールの定格出力電力を低下させる補正を実行する請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記燃料補正手段は、上記減量補正モードが選択された場合において、上記燃料電池モジュールの劣化が進行し、所定の補正切替条件が満たされると、低下された定格出力電力を維持するように、上記燃料電池モジュールに供給する燃料供給量を増加させる補正を実行する請求項1乃至4の何れか1項に記載の固体電解質型燃料電池。
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