JP2011210567A - Solid oxide fuel battery power generation apparatus, and operation stop method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料極層に燃料ガスを、酸化剤極層に酸化剤ガスを供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池発電装置およびその運転停止方法に関するものである。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell power generation apparatus including a solid oxide fuel cell that generates power by supplying fuel gas to a fuel electrode layer and supplying oxidant gas to an oxidant electrode layer, and a method for shutting down the same. Is.
従来の固体酸化物形燃料電池発電装置として、固体酸化物形燃料電池と、当該固体酸化物形燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、固体酸化物形燃料電池に空気(酸化剤ガス)を供給するための酸化剤ガス供給手段と、当該酸化剤ガス供給手段から供給された空気を空気極層(酸化剤極層)に導く酸化剤ガス供給ラインと、上記固体酸化物形燃料電池からの電力を外部負荷に導く電力供給ラインと、当該電力供給ラインに介装されて直流電力を交流電力へと変換するインバータとを備えたものが知られている。 As a conventional solid oxide fuel cell power generator, a solid oxide fuel cell, a fuel gas supply line for supplying fuel gas to the solid oxide fuel cell, and air (oxidant) in the solid oxide fuel cell Oxidant gas supply means for supplying gas), an oxidant gas supply line for guiding the air supplied from the oxidant gas supply means to the air electrode layer (oxidant electrode layer), and the solid oxide fuel There is known a power supply line that leads power from a battery to an external load and an inverter that is interposed in the power supply line and converts DC power into AC power.
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質の一方の面に燃料極層が配され、他方の面に酸化剤極層が配された発電セルとセパレータとが複数積層されて構成されるとともに、上記燃料極層に上記燃料ガス供給ラインを通じて燃料ガスが供給され、上記酸化剤極層に上記酸化剤ガス供給ラインを通じて酸化剤ガスが供給されることにより発電反応が生じるものである。そして、上記発電セルとセパレータを複数積層してなる積層体の両端部に位置するセパレータからインバータを備えた電力供給ラインを通じて外部負荷に電力を供給するものである。 This solid oxide fuel cell is configured by laminating a plurality of power generation cells and separators each having a fuel electrode layer disposed on one surface of a solid electrolyte and an oxidant electrode layer disposed on the other surface, A fuel gas is supplied to the fuel electrode layer through the fuel gas supply line, and an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode layer through the oxidant gas supply line, thereby generating a power generation reaction. And electric power is supplied to an external load through the electric power supply line provided with the inverter from the separator located in the both ends of the laminated body formed by laminating a plurality of power generation cells and separators.
ここで、上記固体電解質層は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料(LSGMC)等で構成されている。 Here, the solid electrolyte layer is made of a lanthanum gallate material (LSMCC) to which strontium, magnesium, and cobalt are added.
また、燃料極層は、Niのサーメット等で構成され、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)等で構成されている。 The fuel electrode layer is composed of Ni cermet or the like, and the air electrode layer is composed of samarium strontium cobaltite (SSC) or the like.
一方、一般に酸化剤ガス供給手段としては、空気ブロア、空気バッファタンク等が使用されている。 On the other hand, an air blower, an air buffer tank, or the like is generally used as the oxidant gas supply means.
このような固体酸化物形燃料電池発電装置は、長期間使用していると、下記表1に記載されている重故障が生じる可能性がある。なお、下記表1には、重故障が生じた際の燃料ガス供給ラインおよび酸化剤ガス供給ラインの状態も表記している。 When such a solid oxide fuel cell power generator is used for a long period of time, there is a possibility that a serious failure described in Table 1 below occurs. Table 1 below also shows the state of the fuel gas supply line and the oxidant gas supply line when a serious failure occurs.
これらの重故障A〜Eが生じると、上記固体酸化物形燃料電池発電装置は、直ちに緊急停止して、負荷電流が停止されるとともに燃料ガスおよび空気の供給も停止される。 When these major faults A to E occur, the solid oxide fuel cell power generator immediately stops immediately, the load current is stopped, and the supply of fuel gas and air is also stopped.
ここで、本発明者は、重故障A〜Eによる緊急停止後に、負荷電流を停止させた状態において、燃料極層の酸化および空気極層の結晶構造の変化を防止するために、再度、燃料極層に燃料ガスを供給可能であるものに燃料ガスを供給し、空気極層に空気を供給可能であるものに空気を供給しながら固体酸化物形燃料電池の温度を降温させた。そして、各々発電セルの燃料極層側および空気極層側の状態を確認した。 Here, in order to prevent the oxidation of the fuel electrode layer and the change of the crystal structure of the air electrode layer in the state where the load current is stopped after the emergency stop due to the major faults A to E, the inventor again The fuel gas was supplied to the one capable of supplying fuel gas to the electrode layer, and the temperature of the solid oxide fuel cell was lowered while supplying air to the one capable of supplying air to the air electrode layer. And the state of the fuel electrode layer side and the air electrode layer side of each power generation cell was confirmed.
重故障Aにおいては、インバータに異常が生じているが、燃料ガス供給ラインおよび酸化剤ガス供給ライン共に異常がないため、緊急停止後も燃料ガス供給ラインに燃料ガスを、酸化剤ガス供給ラインに空気を供給しながら固体酸化物形燃料電池の温度を降温した。その結果、図3(a)に示すように、発電セルの燃料極層が酸化していないことが確認され、図3(b)に示すように、空気極層が変色せず、XRD分析でも結晶構造が変化していないことが確認された。 In the serious failure A, the inverter has an abnormality, but neither the fuel gas supply line nor the oxidant gas supply line has an abnormality. Therefore, after the emergency stop, the fuel gas is supplied to the fuel gas supply line and the oxidant gas supply line. The temperature of the solid oxide fuel cell was lowered while supplying air. As a result, as shown in FIG. 3 (a), it was confirmed that the fuel electrode layer of the power generation cell was not oxidized, and as shown in FIG. 3 (b), the air electrode layer was not discolored. It was confirmed that the crystal structure was not changed.
そして、重故障B〜重故障Eにおいては、燃料ガス供給ラインに異常が生じて燃料ガス供給ラインに燃料ガスを供給できないことから、燃料ガス供給ラインに燃料ガスを供給することなく固体酸化物形燃料電池の温度を降温した。すると、燃料極層に燃料ガスが存在しないために周囲の空気により燃料極層が酸化して黒く変色すると思われたが、図4(a)、図5(a)、図6(a)および図7(a)に示すように、燃料極層が殆ど酸化していないことが確認された。これは、固体酸化物形燃料電池の周囲および燃料ガス供給ラインに燃料ガスが残っていたために、その残存燃料ガスにより燃料極層が還元雰囲気に保持されたと推測される。 In the major fault B to the major fault E, an abnormality occurs in the fuel gas supply line, and the fuel gas cannot be supplied to the fuel gas supply line. Therefore, the solid oxide type is not supplied to the fuel gas supply line. The temperature of the fuel cell was lowered. Then, since there was no fuel gas in the fuel electrode layer, it was thought that the fuel electrode layer was oxidized by the surrounding air and turned black, but FIG. 4 (a), FIG. 5 (a), FIG. 6 (a) and As shown in FIG. 7A, it was confirmed that the fuel electrode layer was hardly oxidized. This is presumed that the fuel electrode layer was held in the reducing atmosphere by the remaining fuel gas because the fuel gas remained around the solid oxide fuel cell and in the fuel gas supply line.
また、この重故障B〜重故障Eの中でも重故障Bおよび重故障Cにおいては、酸化剤ガス供給ラインに異常がないため、緊急停止後も空気極層に空気を供給しながら固体酸化物形燃料電池の温度を降温した。その結果、図4(b)および図5(b)に示すように、空気極層が変色せず、XRD分析でも結晶構造が変化していないことが確認された。 In the major fault B to the major fault E, the major fault B and the major fault C have no abnormality in the oxidant gas supply line, so that the solid oxide form is supplied while supplying air to the air electrode layer even after an emergency stop. The temperature of the fuel cell was lowered. As a result, as shown in FIGS. 4B and 5B, it was confirmed that the air electrode layer was not discolored and the crystal structure was not changed by XRD analysis.
さらに、重故障Dおよび重故障Eにおいては、空気ブロアが故障して酸化剤ガス供給ラインに空気を供給できないことから、酸化剤ガス供給ラインに空気を供給することなく固体酸化物形燃料電池の温度を降温した。すると、図6(b)および図7(b)に示すように、空気極層が黒く変色し、XRD分析で結晶構造が変化していることが確認された。これは、上述のように、燃料極層に上記残余の燃料ガスが流入しているのに対し、空気ブロアが故障して、空気極層に十分な空気を供給することができない状態にあったため、上記空気極層自身の酸素イオンが燃料極層へと移動して、上記空気極層の結晶構造が不可逆に変化してしまったと推測される。 Further, in the serious failure D and the serious failure E, the air blower fails and air cannot be supplied to the oxidant gas supply line. Therefore, the solid oxide fuel cell is not supplied without supplying air to the oxidant gas supply line. The temperature was lowered. Then, as shown in FIGS. 6B and 7B, it was confirmed that the air electrode layer turned black and the crystal structure was changed by XRD analysis. This is because, as described above, the remaining fuel gas flows into the fuel electrode layer, but the air blower has failed, and sufficient air cannot be supplied to the air electrode layer. It is presumed that the oxygen ions of the air electrode layer itself moved to the fuel electrode layer and the crystal structure of the air electrode layer changed irreversibly.
次に、本発明者は、空気極層の結晶構造が変化していない重故障Cと、空気極層の結晶構造が変化した重故障Dおよび重故障Eの発電セルの両端に各々セパレータを配してなる単セルの緊急停止前後のセル電圧を測定した。ここで、緊急停止前とは、緊急停止直前のことであり、緊急停止後とは緊急停止後に発電装置を再稼働した時のことである。なお、その際の運転条件を燃料利用率80%、一分間に供給する単位面積あたりの燃料ガス(水素ガス)量を5.6cc/cm2・minに設定した。 Next, the present inventor placed separators on both ends of the power failure cells of the major fault C in which the crystal structure of the air electrode layer has not changed, the major fault D in which the crystal structure of the air electrode layer has changed, and the major fault E. The cell voltage before and after the emergency stop of the single cell was measured. Here, “before emergency stop” means immediately before the emergency stop, and “after emergency stop” means when the power generator is restarted after the emergency stop. The operating conditions at that time were set to a fuel utilization rate of 80%, and the amount of fuel gas (hydrogen gas) per unit area supplied per minute was set to 5.6 cc / cm 2 · min.
すると、重故障Cのセル電圧は、緊急停止前後共に0.703Vであり、セル電圧が変化していないことが確認された Then, the cell voltage of the serious failure C was 0.703 V before and after the emergency stop, and it was confirmed that the cell voltage did not change.
重故障Dのセル電圧は、緊急停止前が0.722Vであったのに対し、緊急停止後が0.708Vとなり、0.014V低下していることが確認された。 It was confirmed that the cell voltage of the serious failure D was 0.722V before the emergency stop, but 0.708V after the emergency stop, which was decreased by 0.014V.
さらに、重故障Eのセル電圧は、緊急停止前が0.732Vであったのに対し、緊急停止後が0.688Vとなり、0.044Vも低下していることが確認された。 Furthermore, it was confirmed that the cell voltage of the serious failure E was 0.732V before the emergency stop, but became 0.688V after the emergency stop, and also decreased by 0.044V.
この結果、空気極層の結晶構造が変化することにより発電セルのセル電圧が低下してしまうということが確認された。 As a result, it was confirmed that the cell voltage of the power generation cell was lowered by changing the crystal structure of the air electrode layer.
そこで、本発明者は、発電セルのセル電圧が殆ど変化しない重故障Cと、発電セルのセル電圧が大きく低下した重故障Eの空気極層の組成を測定した。 Therefore, the present inventor measured the composition of the air electrode layer of the major fault C in which the cell voltage of the power generation cell hardly changed and the major fault E in which the cell voltage of the power generation cell was greatly reduced.
下記表2は、重故障Cの空気極層の組成を示すものであり、下記表3は、重故障Eの空気極の組成を示すものである。 Table 2 below shows the composition of the air electrode layer of the major fault C, and Table 3 below shows the composition of the air electrode of the major fault E.
双方を比較すると、A部(中心部)の酸素成分は変らないものの、B部およびC部の酸素成分が、重故障Cの空気極層に比べて、重故障Eの空気極層の方が、酸素成分が2〜3at%少なくなっていることが確認された。 When both are compared, the oxygen component in the A part (center part) does not change, but the oxygen component in the B part and the C part is more in the air electrode layer in the serious fault E than in the air electrode layer in the serious fault C. It was confirmed that the oxygen component was reduced by 2 to 3 at%.
これらの結果とXRD評価結果から、空気極層の酸素成分が低下することによって、空気極層の結晶構造が変化して、イオン伝導性が低下することにより、緊急停止後に再稼働させた際、固体酸化物形燃料電池の発電性能の低下してしまうということが確認された。 From these results and the XRD evaluation results, when the oxygen component of the air electrode layer is reduced, the crystal structure of the air electrode layer is changed, and the ionic conductivity is reduced. It was confirmed that the power generation performance of the solid oxide fuel cell deteriorates.
そこで、本発明者は、下記特許文献1において、少なくとも燃料極層への燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際、空気極層に上記空気ブロア或いは空気バッファタンクの空気を上記残存燃料ガスが無くなるまで供給し続けることにより、空気極層の結晶構造の変化を防止し、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することのない固体酸化物形燃料電池発電装置の運転停止方法を提案している。 Therefore, in the following Patent Document 1, the present inventor, when the supply of fuel gas to at least the fuel electrode layer stops and makes an emergency stop, the air in the air blower or the air buffer tank is transferred to the air electrode layer by the residual fuel gas. The solid oxide fuel cell prevents the change in the crystal structure of the air electrode layer by continuing to supply until it disappears, and the power generation performance of the solid oxide fuel cell does not deteriorate even if it is restarted after an emergency stop A method for shutting down the generator is proposed.
さらには、上記空気ブロアに、上記固体酸化物形燃料電池発電装置の発電反応により得られた電力を一部蓄電する蓄電池を設けることにより、完全停電により緊急停止した際も、上記空気ブロアを稼働させることが可能な固体酸化物形燃料電池発電装置を提案している。 Furthermore, by providing a storage battery that stores part of the power obtained by the power generation reaction of the solid oxide fuel cell power generator, the air blower can be operated even in the event of an emergency stop due to a complete power failure. A solid oxide fuel cell power generator that can be made is proposed.
また、燃料極層への燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際、空気ブロアが故障して動かない状態にあっても、上記空気バッファタンクの空気を、空気極層に空気を上記残存燃料ガスが無くなるまで供給し続けることにより、空気極層の結晶構造の変化を防止し、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することのない固体酸化物形燃料電池発電装置およびその運転停止方法を提案している。 Further, when the supply of fuel gas to the fuel electrode layer is stopped and an emergency stop is performed, even if the air blower fails and does not move, the air in the air buffer tank is supplied to the air electrode layer and the remaining fuel is supplied to the fuel electrode layer. By supplying gas until it runs out of gas, the crystal structure of the air electrode layer is prevented from changing, and the power generation performance of the solid oxide fuel cell does not deteriorate even if it is restarted after an emergency stop. A fuel cell power generation apparatus and a method for stopping operation thereof are proposed.
ところが、上記特許文献1に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置およびその運転方法は、上記残存燃料ガスが無くなるまで空気極層へと空気を供給し続けるために、空気バッファタンクを大きくする必要があるとともに、容量の大きな蓄電池を搭載する必要があった。そのため、固体酸化物形燃料電池発電装置が全体として大型化してしまうという問題点があった。 However, the solid oxide fuel cell power generator and the operation method thereof described in Patent Document 1 need to enlarge the air buffer tank in order to continue supplying air to the air electrode layer until the remaining fuel gas is exhausted. There was also a need to install a large capacity storage battery. For this reason, there is a problem that the solid oxide fuel cell power generator is increased in size as a whole.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、緊急停止時における空気極層の結晶構造の変化を防止することにより、緊急停止後に再稼働しても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することがなくなるとともに、固体酸化物形燃料電池発電装置を小型化することが可能な固体酸化物形燃料電池発電装置およびその運転停止方法を提供することを課題とするものである。 The present invention has been made in view of such circumstances, and by preventing a change in the crystal structure of the air electrode layer during an emergency stop, the power generation of the solid oxide fuel cell can be performed even after restarting after an emergency stop. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell power generator and a method for shutting down the solid oxide fuel cell power generator capable of reducing performance and reducing the size of the solid oxide fuel cell power generator.
上記課題を解決するために、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置は、上記燃料極層に燃料ガスが供給され、上記酸化剤極層に酸化剤ガスが供給されることにより発電反応が生じる固体酸化物形燃料電池と、上記燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段が設けられ、当該酸化剤ガス供給手段により得られた酸化剤ガスを酸化剤極層に供給する酸化剤ガス供給ラインとを備えてなり、且つ上記酸化剤ガス供給手段には、少なくとも燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、上記固体酸化物形燃料電池の電圧の閾値に基づいて、上記酸化剤極層に上記酸化剤ガスを供給するか否かを制御する酸化剤ガス供給制御手段が設けられていることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the solid oxide fuel cell power generator according to claim 1 is configured such that a fuel gas is supplied to the fuel electrode layer and an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode layer. A solid oxide fuel cell that generates a power generation reaction, a fuel gas supply line that supplies fuel gas to the fuel electrode layer, and an oxidant gas supply unit that supplies an oxidant gas are provided. An oxidant gas supply line for supplying the obtained oxidant gas to the oxidant electrode layer, and the oxidant gas supply means includes at least a fuel gas supply stop and an emergency stop. An oxidant gas supply control means for controlling whether or not to supply the oxidant gas to the oxidant electrode layer based on a voltage threshold value of the solid oxide fuel cell is provided. It is.
また、請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置は、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置において、上記酸化剤ガス供給制御手段および上記酸化剤ガス供給手段には、上記固体酸化物形燃料電池の発電反応により得られた電力を一部蓄電する蓄電池が設けられていることを特徴とするものである。 Further, a solid oxide fuel cell power generator according to claim 2 is the solid oxide fuel cell power generator according to claim 1, wherein the oxidant gas supply control means and the oxidant gas supply means include A storage battery for storing part of the electric power obtained by the power generation reaction of the solid oxide fuel cell is provided.
そして、請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置は、請求項2または請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置において、上記酸化剤ガス供給手段が、空気の圧力を安定化させて固体酸化物形燃料電池に供給する酸化剤ガスバッファタンクの前段部に、酸化剤ガスブロア或いはコンプレッサーを設けた酸化剤ガス供給ユニットであることを特徴とするものである。 The solid oxide fuel cell power generator according to claim 3 is the solid oxide fuel cell power generator according to claim 2 or 3, wherein the oxidant gas supply means controls the air pressure. It is an oxidant gas supply unit in which an oxidant gas blower or a compressor is provided in a front stage portion of an oxidant gas buffer tank that is stabilized and supplied to a solid oxide fuel cell.
また、請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池発電装置の運転停止方法は、少なくとも燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、上記酸化剤ガス供給ユニットによって、酸化剤極層へと酸化剤ガスを供給し、上記酸化剤ガス供給制御手段よって、上記固体酸化物形燃料電池の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を一度停止し、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を停止することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for stopping the operation of the solid oxide fuel cell power generator, wherein at least when the supply of the fuel gas is stopped and an emergency stop is performed, the oxidant gas supply unit supplies the oxidant electrode layer to the oxidant electrode layer. When the voltage of the solid oxide fuel cell becomes lower than a predetermined threshold by the oxidant gas supply control means, the supply of the oxidant gas is stopped once and again. When the voltage rises and becomes higher than the threshold value, the process of supplying the oxidant gas is repeated. When the voltage does not eventually become higher than the threshold value, the oxidant gas is supplied. The supply is stopped.
請求項1に記載の発明によれば、上記酸化剤ガス供給手段に、少なくとも燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、上記固体酸化物形燃料電池の電圧の閾値に基づいて、上記酸化剤ガスを供給するか否かを制御する酸化剤ガス供給制御手段が設けられているために、当該酸化剤ガス供給制御手段によって上記酸化剤極層に供給する酸化剤ガスの供給量を調整することが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, when the supply of the fuel gas is stopped and the emergency stop is performed at least in the oxidant gas supply means, the oxidation gas is supplied based on the voltage threshold value of the solid oxide fuel cell. Since the oxidant gas supply control means for controlling whether or not to supply the oxidant gas is provided, the supply amount of the oxidant gas supplied to the oxidant electrode layer is adjusted by the oxidant gas supply control means. It becomes possible.
また、請求項2に記載の発明によれば、上記酸化剤ガス供給制御手段および上記酸化剤ガス供給手段には、上記固体酸化物形燃料電池の発電反応により得られた電力を一部蓄電する蓄電池が設けられているために、完全停電により燃料ガスの供給が止って緊急停止した場合であっても、上記酸化剤ガス供給制御手段および上記酸化剤ガス供給手段を稼働させることが可能となる。 According to a second aspect of the present invention, the oxidant gas supply control means and the oxidant gas supply means store part of the electric power obtained by the power generation reaction of the solid oxide fuel cell. Since the storage battery is provided, the oxidant gas supply control means and the oxidant gas supply means can be operated even when the supply of fuel gas is stopped due to a complete power failure and the emergency stop occurs. .
さらに、請求項3に記載の発明によれば、上記酸化剤ガス供給手段が、酸化剤ガスの圧力を安定化させて固体酸化物形燃料電池に供給する酸化剤ガスバッファタンクの前段部に、酸化剤ガスブロア或いはコンプレッサーを設けた酸化剤ガス供給ユニットであるために、燃料ガスの供給が止って緊急停止した際に、酸化剤ガスブロア或いはコンプレッサーが故障によって稼働できない状況にあっても、上記酸化剤ガスバッファタンクの酸化剤ガスを酸化剤極層に供給することが可能である。 Further, according to the invention described in claim 3, the oxidant gas supply means stabilizes the pressure of the oxidant gas and supplies the solid oxide fuel cell to the front stage of the oxidant gas buffer tank. Since the oxidant gas blower or compressor is provided with the oxidant gas blower or compressor, the above oxidant gas blower or compressor cannot be operated due to a failure when the fuel gas supply is stopped and the emergency stop is performed. It is possible to supply the oxidant gas of the gas buffer tank to the oxidant electrode layer.
そして、請求項4に記載の発明によれば、上記酸化剤ガス供給ユニットによって、酸化剤極層へと酸化剤ガスを供給しているために、上記残存燃料ガスが燃料極層へと流入して、上記酸化剤ガスの酸素イオンが上記燃料極層へと移動しても、上記酸化剤ガスの酸素イオンが酸化剤極層へ供給され続けることから、酸化剤極層の結晶構造の変化を防止することが可能となる。この結果、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することを防止することが可能となる。 According to the invention described in claim 4, since the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode layer by the oxidant gas supply unit, the remaining fuel gas flows into the fuel electrode layer. Even if the oxygen ions of the oxidant gas move to the fuel electrode layer, the oxygen ions of the oxidant gas continue to be supplied to the oxidant electrode layer. It becomes possible to prevent. As a result, it is possible to prevent the power generation performance of the solid oxide fuel cell from being deteriorated even if it is restarted after an emergency stop.
また、上記酸化剤ガス供給制御手段よって、上記固体酸化物形燃料電池の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を一度停止し、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を停止しているために、上記酸化剤ガスの供給量を必要最低限にすることが可能となり、上記酸化剤ガス供給ユニットの酸化剤ガスバッファタンクを小型化することが可能となる。 Further, when the voltage of the solid oxide fuel cell becomes lower than a predetermined threshold by the oxidant gas supply control means, the supply of the oxidant gas is once stopped and the voltage is increased again. When the voltage becomes higher than the threshold value, the process of supplying the oxidant gas is repeated. When the voltage does not eventually become higher than the threshold value, the supply of the oxidant gas is stopped. Therefore, the supply amount of the oxidant gas can be minimized, and the oxidant gas buffer tank of the oxidant gas supply unit can be downsized.
さらに、酸化剤ガスを供給する時間(累計)も低減されるために、完全停電の際に、酸化剤ガスブロアを稼働させるための電力を低減することが可能となり、従来に比べて容量の小さな蓄電池を搭載することが可能となる。 In addition, since the time for supplying the oxidant gas (cumulative) is also reduced, it is possible to reduce the power required to operate the oxidant gas blower in the event of a complete power outage, and the storage battery has a smaller capacity than before. Can be installed.
これらの結果、固体酸化物形燃料電池発電装置を小型化することが可能となる。 As a result, the solid oxide fuel cell power generator can be reduced in size.
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池発電装置の一実施形態について図1〜図2を用いて説明する。
図1に示すように、本発明の固体酸化物形燃料電池発電装置は、缶体1の内部に収容された固体酸化物形燃料電池2と、缶体1外に配された空気バッファタンク(酸化剤ガスバッファタンク)3の前段部に空気ブロア(酸化剤ガスブロア)4を設けた酸化剤ガス供給ユニット5、電磁弁(酸化剤ガス供給制御手段)6、電磁式スイッチ(酸化剤ガス供給制御手段)7、コンバータ8、蓄電池9、および系統電源10とによって概略構成されている。
Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell power generator according to the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell power generator according to the present invention includes a solid oxide fuel cell 2 housed inside a can body 1 and an air buffer tank (outside the can body 1). An oxidant gas supply unit 5 provided with an air blower (oxidant gas blower) 4 at the front stage of the oxidant gas buffer tank) 3, a solenoid valve (oxidant gas supply control means) 6, an electromagnetic switch (oxidant gas supply control) Means) 7, a converter 8, a storage battery 9, and a system power supply 10.
この固体酸化物形燃料電池2は、図2に示すように、固体電解質層11の一方の面に燃料極層12を、他方の面に空気極層(酸化剤極層)13を配置した発電セル14の外側に、各々燃料極集電体15と空気極集電体16を配置し、これらの集電体15、16の外側にセパレータ17を配置することにより単セル18が構成され、図1に示すように、この単セル18を複数積層させ、その積層体をフランジ19a、19bで挟み込むことにより構成されている。 As shown in FIG. 2, this solid oxide fuel cell 2 has a power generation in which a fuel electrode layer 12 is disposed on one surface of a solid electrolyte layer 11 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 13 is disposed on the other surface. A single cell 18 is configured by disposing a fuel electrode current collector 15 and an air electrode current collector 16 on the outside of the cell 14, and disposing a separator 17 on the outside of the current collectors 15, 16. As shown in FIG. 1, a plurality of single cells 18 are stacked and the stacked body is sandwiched between flanges 19a and 19b.
ここで、固体電解質層11は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料(LSGMC)によって構成されている。 Here, the solid electrolyte layer 11 is composed of a lanthanum gallate material (LSGMC) to which strontium, magnesium, and cobalt are added.
また、燃料極層12は、Niのサーメットで構成され、空気極層13は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)によって構成されている。 The fuel electrode layer 12 is made of Ni cermet, and the air electrode layer 13 is made of samarium strontium cobaltite (SSC).
さらに、燃料極集電体15および空気極集電体16は、多孔質焼結板によって構成されている。 Further, the fuel electrode current collector 15 and the air electrode current collector 16 are formed of a porous sintered plate.
そして、セパレータ17は、ステンレス板によって構成されるとともに、燃料極層12に燃料ガスを供給する燃料ガス通路19および空気極層13に空気(酸化剤ガス)を供給する酸化剤ガス通路20が穿設されている。また、セパレータ17は、発電セル14から外れた位置に、燃料ガス孔(図示せず)および酸化剤ガス孔(図示せず)が穿設され、各々セパレータ17の燃料ガス孔同士の間および酸化剤ガス孔同士の間が、絶縁性のセラミックからなるマニホールドリング(図示せず)を間に介して連通されることにより、燃料ガスマニホールド(図示せず)および酸化剤ガスマニホールド(図示せず)が形成されている。 The separator 17 is made of a stainless steel plate, and has a fuel gas passage 19 for supplying fuel gas to the fuel electrode layer 12 and an oxidant gas passage 20 for supplying air (oxidant gas) to the air electrode layer 13. It is installed. Further, the separator 17 is provided with fuel gas holes (not shown) and oxidant gas holes (not shown) at positions away from the power generation cell 14. The fuel gas manifold (not shown) and the oxidant gas manifold (not shown) are communicated between the agent gas holes through a manifold ring (not shown) made of an insulating ceramic. Is formed.
また、固体酸化物形燃料電池2の最下部側に配されたフランジ19aには、上記燃料ガスマニホールドに燃料ガスを供給する燃料ガス流路(図示せず)が穿設されている。そして、この燃料ガス流路の開口には、当該燃料ガス流路に燃料ガスを導入するための燃料ガス供給ライン21が接続されている。 A fuel gas passage (not shown) for supplying fuel gas to the fuel gas manifold is formed in the flange 19a disposed on the lowermost side of the solid oxide fuel cell 2. A fuel gas supply line 21 for introducing the fuel gas into the fuel gas passage is connected to the opening of the fuel gas passage.
さらに、固体酸化物形燃料電池2の最上部側に配されたフランジ19bには、上記酸化剤ガスマニホールドに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路(図示せず)が穿設されている。そして、この酸化剤ガス流路には、当該酸化剤ガス流路に空気を導入するための酸化剤ガス供給ライン22aの一端部が配管されている。 Further, an oxidant gas flow path (not shown) for supplying an oxidant gas to the oxidant gas manifold is formed in the flange 19b disposed on the uppermost side of the solid oxide fuel cell 2. . The oxidant gas flow path is provided with one end of an oxidant gas supply line 22a for introducing air into the oxidant gas flow path.
一方、空気ブロア4は、吸入口から空気を取り込み、排出口から空気バッファタンク3に空気を供給するもので、上記排出口に空気バッファタンク3に空気を供給するための酸化剤ガス供給ライン22bの一端部が配管されている。 On the other hand, the air blower 4 takes in air from the suction port and supplies air to the air buffer tank 3 from the discharge port. The oxidant gas supply line 22b for supplying air to the air buffer tank 3 to the discharge port. One end of the pipe is piped.
そして、空気バッファタンク3は、空気ブロア4から供給された空気の圧力を安定化させてフランジ19bの酸化剤ガス流路へと供給するもので、入口側に酸化剤ガス供給ライン22bの他端部が配管され、出口側に酸化剤ガス供給ライン22aの他端部が配管されている。 The air buffer tank 3 stabilizes the pressure of the air supplied from the air blower 4 and supplies it to the oxidant gas flow path of the flange 19b. The other end of the oxidant gas supply line 22b is provided on the inlet side. The other end of the oxidant gas supply line 22a is piped on the outlet side.
また、電磁弁6は、酸化剤ガス供給ライン22aの中段部に介装され、固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に内部の弁体が閉じ、高くなった場合に弁体が開くようになっている。 Further, the electromagnetic valve 6 is interposed in the middle part of the oxidant gas supply line 22a, and when the voltage of the solid oxide fuel cell 2 becomes lower than a predetermined threshold, the internal valve body closes and becomes high. When it becomes, the valve body opens.
他方、固体酸化物形燃料電池2の単セル18を複数積層してなる積層体の両端部のセパレータ17には、固体酸化物形燃料電池2によって得られた電力をコンバータ8へと供給する電力供給ライン23aの一端部が配線されている。 On the other hand, the power supplied from the solid oxide fuel cell 2 to the converter 8 is supplied to the separators 17 at both ends of the laminate formed by laminating a plurality of single cells 18 of the solid oxide fuel cell 2. One end of the supply line 23a is wired.
また、コンバータ8は、固体酸化物形燃料電池2の発電反応により得られた電力の入力電圧を希望値の出力電圧に変換して出力するもので、入力側に電力供給ライン23aの他端部が配線されている。そして、出力側に希望値の出力電圧に変換した電力を、直流出力を交流出力に変換するインバータ(図示せず)を介して、外部へと出力する電力供給ライン23b、および出力側に固体酸化物形燃料電池2より得られた電力の一部を蓄電池9へと導く電力供給ライン23cの一端部が配線されている。 The converter 8 converts the power input voltage obtained by the power generation reaction of the solid oxide fuel cell 2 into an output voltage having a desired value and outputs it. The other end of the power supply line 23a is provided on the input side. Is wired. Then, the power converted into the output voltage of the desired value on the output side is output to the outside via an inverter (not shown) that converts the DC output into the AC output, and solid oxidation is performed on the output side. One end of a power supply line 23c that guides part of the power obtained from the physical fuel cell 2 to the storage battery 9 is wired.
そして、蓄電池9は、固体酸化物形燃料電池2より得られた電力の一部を蓄電させて、緊急停止した際に、空気ブロア4、電磁弁6、電磁式スイッチ7に電力を出力する電源で、入力側に電力供給ライン23cの他端部が配線されている。そして、出力側に空気ブロア4に電力を導く電力供給ライン23d、電磁弁6に電力を導く電力供給ライン23e、および電磁式スイッチ7に電力を導く電力供給ライン23fが配線されている。 The storage battery 9 stores a part of the electric power obtained from the solid oxide fuel cell 2 and outputs power to the air blower 4, the electromagnetic valve 6, and the electromagnetic switch 7 when an emergency stop is performed. Thus, the other end of the power supply line 23c is wired on the input side. On the output side, a power supply line 23 d that leads power to the air blower 4, a power supply line 23 e that leads power to the electromagnetic valve 6, and a power supply line 23 f that leads power to the electromagnetic switch 7 are wired.
さらに、電磁式スイッチ7は、電力供給ライン23dの中段部に介装され、固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合にスイッチがOFFになって電力供給ライン23dが閉鎖され、高くなった場合にスイッチがONになって電力供給ライン23dが開放されるようになっている。 Further, the electromagnetic switch 7 is interposed in the middle part of the power supply line 23d, and when the voltage of the solid oxide fuel cell 2 becomes lower than a predetermined threshold, the switch is turned OFF and the power supply line When 23d is closed and becomes high, the switch is turned on and the power supply line 23d is opened.
また、系統電源10は、通常稼働時に空気ブロア4に電力を供給するものであり、出力側に空気ブロア4に電力を導く電力供給ライン23gが配線されている。 Further, the system power supply 10 supplies power to the air blower 4 during normal operation, and a power supply line 23g that guides power to the air blower 4 is wired on the output side.
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池発電装置によれば、空気ブロア4、燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、固体酸化物形燃料電池2の電圧の閾値に基づいて、空気極層13へと空気を供給するか否かを制御する電磁式スイッチ7を設けるとともに、空気バッファタンク3に、燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、固体酸化物形燃料電池2の電圧の閾値に基づいて、空気極層13へと空気を供給するか否かを制御する電磁弁6を設けているために、当該電磁式スイッチ7および電磁弁6によって、空気極層13に供給する空気の供給量を調整することが可能となる。 According to the solid oxide fuel cell power generator configured as described above, when the supply of the air blower 4 and the fuel gas is stopped and an emergency stop is performed, the air is generated based on the threshold voltage of the solid oxide fuel cell 2. An electromagnetic switch 7 for controlling whether or not to supply air to the polar layer 13 is provided, and when the supply of fuel gas is stopped in the air buffer tank 3 and an emergency stop is performed, the solid oxide fuel cell 2 Since the electromagnetic valve 6 for controlling whether or not to supply air to the air electrode layer 13 based on the voltage threshold value is provided, the electromagnetic switch 7 and the electromagnetic valve 6 supply the air electrode layer 13 with the electromagnetic valve 7. It is possible to adjust the amount of air supplied.
また、空気ブロア4および電磁弁6および電磁式スイッチ7に、固体酸化物形燃料電池2の発電反応により得られた電力を一部蓄電する蓄電池9を接続しているために、完全停電により燃料ガスの供給が止って緊急停止した場合であっても、空気ブロア4および電磁弁6および電磁式スイッチ7を稼働させることが可能となる。 In addition, since a storage battery 9 that partially stores electric power obtained by the power generation reaction of the solid oxide fuel cell 2 is connected to the air blower 4, the electromagnetic valve 6, and the electromagnetic switch 7, the fuel is generated due to a complete power failure. Even when the gas supply is stopped and the emergency stop is performed, the air blower 4, the electromagnetic valve 6, and the electromagnetic switch 7 can be operated.
さらに、空気の圧力を安定化させて固体酸化物形燃料電池2に供給する空気バッファタンク3の前段部に、空気ブロア4を設けた酸化剤ガス供給ユニット5を設けているために、燃料ガスの供給が止って緊急停止した際に、空気ブロア4が故障によって使用できない状況となっても、空気バッファタンク3の空気を空気極層13へと供給することが可能である。 Further, since the oxidant gas supply unit 5 provided with the air blower 4 is provided at the front stage of the air buffer tank 3 that stabilizes the air pressure and supplies the solid oxide fuel cell 2 to the fuel gas, When the air blower 4 is stopped and an emergency stop occurs, the air in the air buffer tank 3 can be supplied to the air electrode layer 13 even if the air blower 4 cannot be used due to a failure.
次に以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池発電装置の運転停止方法の一実施形態を説明する。
まず、燃料ガスの供給が止まって緊急停止した場合に系統電源10を用いて、或いは完全停電により燃料ガスの供給が止って緊急停止した場合は蓄電池9を用いて、空気ブロア4を稼働させて、それにより得られた空気を空気バッファタンク3に供給し、空気バッファタンク3において、空気の圧力を安定化させた後に、空気極層13へと空気を供給する。
Next, an embodiment of a method for stopping the operation of the solid oxide fuel cell power generator configured as described above will be described.
First, the air blower 4 is operated using the system power source 10 when the fuel gas supply is stopped and the emergency stop is performed, or when the fuel gas supply is stopped due to a complete power failure and the emergency stop is performed, using the storage battery 9. Then, the air thus obtained is supplied to the air buffer tank 3, and after the air pressure is stabilized in the air buffer tank 3, the air is supplied to the air electrode layer 13.
そして、固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、電磁弁6を閉じる或いは電磁式スイッチ7をOFFにすることにより、空気の供給を一度停止する。次いで、燃料ガス供給ライン21の残存燃料ガスと空気極層13の空気によって、発電が生じ、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、電磁弁6を開く或いは電磁式スイッチ7をONにすることにより、空気の供給を行なう工程を繰り返す。 When the voltage of the solid oxide fuel cell 2 becomes lower than a predetermined threshold value, the supply of air is stopped once by closing the electromagnetic valve 6 or turning off the electromagnetic switch 7. Next, when the remaining fuel gas in the fuel gas supply line 21 and the air in the air electrode layer 13 generate power and the voltage rises again and becomes higher than the threshold value, the electromagnetic valve 6 is opened or the electromagnetic switch 7 By turning ON, the process of supplying air is repeated.
そして、最終的に、上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、電磁弁6を閉じる或いは電磁式スイッチ7をOFFにすることにより、空気の供給を停止する。 Finally, when the voltage does not become higher than the threshold value, the supply of air is stopped by closing the electromagnetic valve 6 or turning off the electromagnetic switch 7.
次に以上の構成から成る固体酸化物形燃料電池発電装置の空気ブロア4が故障した際の運転停止方法について説明する。
まず、空気バッファタンク3に残存する空気を空気極層13へと供給する。
Next, a method of stopping operation when the air blower 4 of the solid oxide fuel cell power generation apparatus having the above configuration fails will be described.
First, the air remaining in the air buffer tank 3 is supplied to the air electrode layer 13.
そして、固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、電磁弁6を閉じることにより、空気の供給を一度停止する。次いで、燃料ガス供給ライン21の残存燃料ガスと空気極層13の空気によって、発電反応が生じ、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、電磁弁6を開くことにより、空気の供給を行なう工程を繰り返す。 When the voltage of the solid oxide fuel cell 2 becomes lower than a predetermined threshold value, the supply of air is stopped once by closing the electromagnetic valve 6. Next, when a power generation reaction is caused by the residual fuel gas in the fuel gas supply line 21 and the air in the air electrode layer 13 and the voltage rises again to become higher than the threshold value, the solenoid valve 6 is opened to open the air The process of supplying is repeated.
そして、最終的に、上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、電磁弁6を閉じることにより空気の供給を停止する。 Finally, when the voltage does not become higher than the threshold value, the supply of air is stopped by closing the electromagnetic valve 6.
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池発電装置の運転停止方法によれば、蓄電池7或いは系統電源10によって空気ブロア4を稼働させて、空気バッファタンク3に空気を供給し、空気バッファタンク3において、空気の圧力を安定化させた後に、空気極層13へと空気を供給しているために、上記残存燃料ガスが燃料極層へと流入して、上記酸化剤ガスの酸素イオンが上記燃料極層へと移動しても、上記酸化剤ガスの酸素イオンが酸化剤極層へ供給され続けることから、酸化剤極層の結晶構造の変化を防止することが可能となる。この結果、緊急停止後に再稼働させても、固体酸化物形燃料電池2の発電性能が低下を防止することが可能となる。 According to the method for stopping the operation of the solid oxide fuel cell power generator having the above-described configuration, the air blower 4 is operated by the storage battery 7 or the system power supply 10 to supply air to the air buffer tank 3. 2, after the air pressure is stabilized, the air is supplied to the air electrode layer 13, so that the remaining fuel gas flows into the fuel electrode layer, and oxygen ions of the oxidant gas are Even if it moves to the fuel electrode layer, oxygen ions of the oxidant gas continue to be supplied to the oxidant electrode layer, so that it is possible to prevent a change in the crystal structure of the oxidant electrode layer. As a result, it is possible to prevent the power generation performance of the solid oxide fuel cell 2 from being deteriorated even after restarting after an emergency stop.
また、電磁弁6或いは電磁式スイッチ7よって、固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、空気の供給を一度停止し、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、空気の供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、空気の供給を停止しているために、上記空気の供給量を必要最低限にすることが可能となり、空気バッファタンク3を小型化することが可能となる。 Further, when the voltage of the solid oxide fuel cell 2 becomes lower than a predetermined threshold value by the electromagnetic valve 6 or the electromagnetic switch 7, the supply of air is once stopped and the voltage is increased again to increase the voltage. When the voltage is higher than the threshold value, the process of supplying air is repeated, and when the voltage does not eventually become higher than the threshold value, the supply of air is stopped. The amount can be minimized, and the air buffer tank 3 can be downsized.
さらに、空気を供給する時間も低減されるために、緊急停止の際に、空気ブロア4を稼働させるための電力も低減することが可能となり、容量の小さな蓄電池9を搭載することが可能となる。 Furthermore, since the time for supplying air is also reduced, it is possible to reduce the power for operating the air blower 4 during an emergency stop, and it is possible to mount the storage battery 9 with a small capacity. .
これらの結果、固体酸化物形燃料電池発電装置を小型化することが可能となる。 As a result, the solid oxide fuel cell power generator can be reduced in size.
(実施例1)
実施例1においては、φ120mmの発電セル14を備えた単セル18を40層積層した上述の固体酸化物形燃料電池発電装置を使用し、発電反応が行なわれている固体酸化物形燃料電池2の負荷電流、燃料ガスの供給および空気の供給を一度停止して、仮想的な完全停電状態にした後に、空気バッファタンク3の空気を流量5NLMに設定して空気極層13へと供給した。そして、固体酸化物形燃料電池2の電圧が4Vより低くなった場合に、電磁弁6の弁体を閉じて上記空気の供給を一度停止し、再度電圧が上昇して4Vより高くなった場合に、電磁弁6の弁体を開いて上記空気の供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が4Vより高くなることが無くなったら、電磁弁6の弁体を閉じて上記空気の供給を停止した。そして、上記空気の供給が停止するまでの空気を供給した時間(累計)を測定した。
(Example 1)
In Example 1, a solid oxide fuel cell 2 in which a power generation reaction is performed using the above-described solid oxide fuel cell power generator in which 40 layers of single cells 18 each having a power generation cell 14 having a diameter of 120 mm are stacked. The load current, fuel gas supply, and air supply were stopped once to make a virtual complete power failure, and then the air in the air buffer tank 3 was set to a flow rate of 5 NLM and supplied to the air electrode layer 13. When the voltage of the solid oxide fuel cell 2 becomes lower than 4V, the valve body of the electromagnetic valve 6 is closed and the supply of the air is stopped once, and the voltage rises again and becomes higher than 4V. Then, the step of opening the valve body of the electromagnetic valve 6 and supplying the air is repeated, and when the voltage does not eventually become higher than 4V, the valve body of the electromagnetic valve 6 is closed and the supply of the air is performed. Stopped. And the time (cumulative) which supplied air until the supply of the said air stopped was measured.
なお、実施例1においては、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料(LSGMC)からなる固体電解質層11と、Niのサーメットからなる燃料極層12と、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)からなる空気極層13とによって構成されたφ120mmの発電セル14を使用した単セル18を40層積層した固体酸化物形燃料電池2を用いたため、固体酸化物形燃料電池の閾値を4V(セル電圧では、0.1V)に設定したが、固体酸化物形燃料電池の設置数、単セルの積層数、発電セルの材料および大きさに伴い、トータル電圧の大きさがそれぞれ異なるため、それに伴い、上記閾値も各々固体酸化物形燃料電池に適した値に設定する必要がある。 In Example 1, the solid electrolyte layer 11 made of lanthanum gallate material (LSGMC) to which strontium, magnesium, and cobalt are added, the fuel electrode layer 12 made of Ni cermet, and the samarium strontium cobaltite (SSC). Since the solid oxide fuel cell 2 in which 40 layers of the single cell 18 using the φ120 mm power generation cell 14 constituted by the air electrode layer 13 is stacked is used, the threshold of the solid oxide fuel cell is set to 4 V (in the cell voltage) 0.1V), the total voltage differs depending on the number of solid oxide fuel cells installed, the number of stacked single cells, and the material and size of the power generation cell. It is necessary to set the threshold value to a value suitable for each solid oxide fuel cell.
ここで、比較例1として、従来の固体酸化物形燃料電池発電装置を使用して、上記と同様に仮想的な完全停電状態にした後に、空気バッファタンクの空気を流量5NLMに設定して空気極層へと供給し続け、固体酸化物形燃料電池2の電圧が4Vより低くなったら、上記空気の供給を停止した。そして、上記空気の供給が停止するまでの空気の供給時間を測定した。 Here, as a comparative example 1, after using a conventional solid oxide fuel cell power generation device to make a virtual complete power failure as described above, the air in the air buffer tank is set to a flow rate of 5 NLM and air When the supply to the extreme layer was continued and the voltage of the solid oxide fuel cell 2 became lower than 4V, the supply of the air was stopped. And the air supply time until the said air supply stopped was measured.
その結果、実施例1の空気供給時間が10分間となり、比較例1の空気供給時間が40分となった。 As a result, the air supply time of Example 1 was 10 minutes, and the air supply time of Comparative Example 1 was 40 minutes.
これにより、実施例1の固体酸化物形燃料電池発電装置の空気バッファタンク3は、空気の流量を5NLMに設定して10分間供給していることから、仮にバッファタンク圧が10気圧充填のものである場合、バッファタンク容量5L(=5NLM×10min÷10気圧)のものを使用可能であることが確認できた。 As a result, the air buffer tank 3 of the solid oxide fuel cell power generator according to Example 1 is supplied for 10 minutes with the air flow rate set to 5 NLM. In this case, it was confirmed that a buffer tank with a capacity of 5 L (= 5 NLM × 10 min ÷ 10 atm) can be used.
一方、比較例1の固体酸化物形燃料電池発電装置の空気バッファタンクは、空気の流量5NMLに設定して40分間供給していることから、仮にバッファタンク圧が10気圧充填のものである場合、バッファタンク容量20L(=5NML×40min÷10気圧)のものを使用する必要があることが確認できた。 On the other hand, since the air buffer tank of the solid oxide fuel cell power generator of Comparative Example 1 is set at an air flow rate of 5 NML and supplied for 40 minutes, the buffer tank pressure is temporarily filled with 10 atm. It was confirmed that it was necessary to use a buffer tank with a capacity of 20 L (= 5 NML × 40 min ÷ 10 atm).
この結果、固体酸化物形燃料電池発電装置は、少なくとも燃料ガスの供給が止って緊急停止した際に、空気バッファタンク3によって空気を供給し、電磁弁6によって固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、空気の供給を一度停止し、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、空気の供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、空気の供給を停止することにより、空気の供給量を必要最低限にすることが可能となり、空気バッファタンクを小型化することが可能であることが実証できた。 As a result, the solid oxide fuel cell power generator supplies air by the air buffer tank 3 at least when the supply of the fuel gas stops and makes an emergency stop, and the voltage of the solid oxide fuel cell 2 by the electromagnetic valve 6. Is once lower than a predetermined threshold value, the air supply is once stopped, and when the voltage rises again and becomes higher than the threshold value, the step of supplying air is repeated, and finally the above-mentioned When the voltage is no longer higher than the above threshold, the supply of air can be minimized by stopping the supply of air, and the air buffer tank can be downsized. I was able to prove that.
(実施例2)
実施例2においては、実施例1の固体酸化物形燃料電池発電装置の空気バッファタンク3を空気ブロア4に変更し、電磁弁6を電磁式スイッチ7に変更して、同様の運転条件の運転停止方法を行なった。そして、空気の供給が停止するまでの消費電力を測定した。
(Example 2)
In the second embodiment, the air buffer tank 3 of the solid oxide fuel cell power generation apparatus of the first embodiment is changed to an air blower 4 and the electromagnetic valve 6 is changed to an electromagnetic switch 7 to operate under the same operating conditions. The stopping method was performed. And the power consumption until supply of air stopped was measured.
一方、比較例2は、比較例1と同様に従来の固体酸化物形燃料電池発電装置を使用し、空気バッファタンクを空気ブロアに変更して、同様の運転条件の運転停止方法を行なった。そして、空気の供給が停止するまでの消費電力を測定した。但し、空気ブロアの定格電力は20Wであり、1h運転したときの消費電力は20Whとなる。 On the other hand, Comparative Example 2 used the conventional solid oxide fuel cell power generator as in Comparative Example 1, and changed the air buffer tank to an air blower and performed an operation stop method under the same operating conditions. And the power consumption until supply of air stopped was measured. However, the rated power of the air blower is 20 W, and the power consumption when operated for 1 h is 20 Wh.
実施例2の固体酸化物形燃料電池発電装置の蓄電池9は、空気の流量5NLMに設定して10分間供給していることから、容量が3.33Wh(=20Wh×1/6h)のものを使用可能であることが確認できた。 Since the storage battery 9 of the solid oxide fuel cell power generator according to the second embodiment is set at an air flow rate of 5 NLM and is supplied for 10 minutes, a battery with a capacity of 3.33 Wh (= 20 Wh × 1 / 6h) is used. It was confirmed that it was usable.
また、比較例2の固体酸化物形燃料電池発電装置の蓄電池は、空気の流量5NLMに設定して40分間供給していることから、容量が13.3Wh(=20Wh×2/3h)のものを使用する必要があることが確認できた。 In addition, since the storage battery of the solid oxide fuel cell power generator of Comparative Example 2 is set for an air flow rate of 5 NLM and supplied for 40 minutes, the capacity is 13.3 Wh (= 20 Wh × 2 / 3h). It was confirmed that it was necessary to use.
この結果、固体酸化物形燃料電池発電装置は、少なくとも燃料ガスの供給が止って緊急停止した際に、空気ブロア4によって空気を供給し、電磁式スイッチ7によって固体酸化物形燃料電池2の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、空気の供給を一度停止し、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、空気の供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、空気の供給を停止することにより、完全停電の際に空気ブロア4を稼働させるための電力を低減することが可能となり、容量の小さな蓄電池9を搭載することが可能となることが実証できた。 As a result, the solid oxide fuel cell power generator supplies air by the air blower 4 at least when the supply of the fuel gas stops and makes an emergency stop, and the voltage of the solid oxide fuel cell 2 by the electromagnetic switch 7. Is once lower than a predetermined threshold value, the air supply is once stopped, and when the voltage rises again and becomes higher than the threshold value, the step of supplying air is repeated, and finally the above-mentioned When the voltage does not become higher than the above threshold value, by stopping the supply of air, it is possible to reduce the power for operating the air blower 4 in the event of a complete power failure, and the storage battery 9 having a small capacity. It was proved that it would be possible to install.
なお、本実施形態においては、酸化剤ガス供給手段として、空気バッファタンク3の前段部に、空気ブロア4を設けた酸化剤ガス供給ユニット5を用いたが、これに限らず、空気を供給できるものであれば、固体酸化物形燃料電池発電装置に空気バッファタンク3単体のみ、或いは空気ブロア4単体のみ搭載したものであっても、空気バッファタンク3に電磁弁6を設け、空気ブロア4に電磁式スイッチ7を設けることによって、空気の供給量を必要最低限にすることが可能である。 In this embodiment, as the oxidant gas supply means, the oxidant gas supply unit 5 in which the air blower 4 is provided at the front stage of the air buffer tank 3 is used. However, the present invention is not limited to this, and air can be supplied. If it is a thing, even if it installs only the air buffer tank 3 single-piece | unit or only the air blower 4 single-piece | unit in the solid oxide fuel cell electric power generating apparatus, the electromagnetic valve 6 is provided in the air buffer tank 3, and the air blower 4 is provided. By providing the electromagnetic switch 7, the amount of air supply can be minimized.
また、本実施形態においては、固体酸化物形燃料電池2の電圧に基づいて閾値を設定したが、単セル18のセル電圧に基づいて閾値を設定しても対応可能である。 In the present embodiment, the threshold value is set based on the voltage of the solid oxide fuel cell 2, but it is also possible to set the threshold value based on the cell voltage of the single cell 18.
2 固体酸化物形燃料電池
3 空気バッファタンク(酸化剤ガスバッファタンク)
4 空気ブロア(酸化剤ガスブロア)
5 酸化剤ガス供給ユニット
6 電磁弁(酸化剤ガス供給制御手段)
7 電磁式スイッチ(酸化剤ガス供給制御手段)
9 蓄電池
12 燃料極層
13 空気極層(酸化剤極層)
21 燃料ガス供給ライン
22a 酸化剤ガス供給ライン
22b 酸化剤ガス供給ライン
2 Solid oxide fuel cell 3 Air buffer tank (oxidant gas buffer tank)
4 Air blower (oxidizer gas blower)
5 Oxidant gas supply unit 6 Solenoid valve (Oxidant gas supply control means)
7 Electromagnetic switch (oxidant gas supply control means)
9 Battery 12 Fuel electrode layer 13 Air electrode layer (oxidant electrode layer)
21 Fuel gas supply line 22a Oxidant gas supply line 22b Oxidant gas supply line
Claims (4)
且つ上記酸化剤ガス供給手段には、少なくとも燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、上記固体酸化物形燃料電池の電圧の閾値に基づいて、上記酸化剤極層へと上記酸化剤ガスを供給するか否かを制御する酸化剤ガス供給制御手段が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電装置。 A fuel gas is supplied to the fuel electrode layer, and an oxidant gas is supplied to the oxidant electrode layer to generate a power generation reaction, and a fuel gas that supplies the fuel gas to the fuel electrode layer A supply line, and an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas, and an oxidant gas supply line for supplying the oxidant gas obtained by the oxidant gas supply means to the oxidant electrode layer. ,
The oxidant gas supply means supplies the oxidant gas to the oxidant electrode layer based on a threshold voltage of the solid oxide fuel cell at least when supply of the fuel gas is stopped and an emergency stop is performed. An oxidant gas supply control means for controlling whether or not to supply the solid oxide fuel cell power generator is provided.
少なくとも燃料ガスの供給が止まって緊急停止した際に、上記酸化剤ガス供給ユニットによって、酸化剤極層へと酸化剤ガスを供給し、上記酸化剤ガス供給制御手段よって、上記固体酸化物形燃料電池の電圧が予め定められた閾値より低くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を一度停止し、再度上記電圧が上昇して上記閾値より高くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を行なう工程を繰り返し、最終的に上記電圧が上記閾値より高くなることが無くなった場合に、上記酸化剤ガスの供給を停止することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転停止方法。 A method for stopping operation of a solid oxide fuel cell according to claim 1,
At least when the supply of the fuel gas is stopped and an emergency stop is performed, the oxidant gas supply unit supplies an oxidant gas to the oxidant electrode layer, and the oxidant gas supply control means controls the solid oxide fuel. When the voltage of the battery becomes lower than a predetermined threshold value, the supply of the oxidant gas is once stopped, and when the voltage rises again and becomes higher than the threshold value, the supply of the oxidant gas is stopped. A method of stopping operation of a solid oxide fuel cell, characterized in that the supply of the oxidant gas is stopped when the steps to be performed are repeated and the voltage does not eventually become higher than the threshold value.
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