JP2013026179A - Sofc power generation system and output voltage recovery method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた発電システムの運転方法に関するもので、特に燃料電池の出力電圧が発電時に低下した際に、その出力電圧を回復させる技術に関するものである。 The present invention relates to a method for operating a power generation system using a solid oxide fuel cell, and more particularly to a technique for recovering the output voltage of the fuel cell when the output voltage decreases during power generation.
新しい分散電源のひとつとして注目されている固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、以下SOFC)による発電は、他の発電方法と比べて発電容量にかかわらず高効率・低CO2排出量で発電できる点が特長となっており、高温の排熱による良質な温水の供給能力と併せて、様々な分野における分散発電装置として注目されている。現在開発が進められている何種類かの形態のSOFCの中で、平板型SOFCは、平板状の燃料極と電解質と空気極とによってセルが構成され、セルの燃料極側に還元性の燃料ガスを供給し、空気極側に酸素や空気を供給することにより発電を行うものである。平板型SOFCは、平板状の燃料電池セルを積層してスタックを形成することが可能であるため、スタック内部に無駄な空隙が少なく、スタックの小型化・高エネルギー密度化が可能である(非特許文献1参照)。 Power generation using solid oxide fuel cells (SOFC), which is attracting attention as one of the new distributed power sources, has higher efficiency and lower CO 2 emissions than other power generation methods, regardless of power generation capacity. It is characterized by its ability to generate electricity, and is attracting attention as a distributed generator in various fields, together with the ability to supply high-quality hot water through high-temperature exhaust heat. Among several types of SOFCs currently under development, the flat plate type SOFC is composed of a flat fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode, and a reducing fuel is provided on the fuel electrode side of the cell. Electric power is generated by supplying gas and supplying oxygen and air to the air electrode side. Flat type SOFC can form a stack by stacking flat fuel cells, so that there are few wasted voids inside the stack, and it is possible to reduce the size and energy density of the stack. Patent Document 1).
しかし、従来の平板型SOFCでは、燃料ガスの高利用率を維持したままで低負荷運転を継続すると、出力電圧が次第に低下し、最終的にSOFCが機能しなくなるという問題があった。特に大きなSOFCセルを用いたシステムで小さな電力を得ようとする場合にこの問題が顕著であった。このような問題は、限られた厚さの燃料ガス流路を経由して平板型セルの燃料極側全面に燃料ガスを供給するため、電極反応による燃料ガスの消費と反応ガスの生成とに伴って、燃料ガス中の還元性ガス濃度が流路の入口から出口方向に流れるに連れて低下し、流路の出口近傍では十分な燃料ガス濃度が確保できないために起こると考えられる。 However, in the conventional flat plate type SOFC, when the low load operation is continued while maintaining the high utilization rate of the fuel gas, there is a problem that the output voltage gradually decreases and the SOFC does not function finally. This problem was particularly noticeable when trying to obtain small power in a system using a large SOFC cell. Such a problem is caused by the fact that fuel gas is supplied to the entire surface of the fuel cell side of the flat plate cell via the fuel gas passage with a limited thickness. Along with this, the reducing gas concentration in the fuel gas decreases as it flows in the direction from the inlet of the flow path to the outlet, and this is considered to occur because a sufficient fuel gas concentration cannot be secured in the vicinity of the outlet of the flow path.
流路の出口付近でも十分な燃料ガス濃度が確保されるように、発電に必要な量より多くの燃料ガスを供給すれば、出力電圧低下は発生しないが、セルに供給される燃料ガスの一部が排ガス中に未反応のまま排出されることになり、燃料利用率の低下を招くことになる。 If more fuel gas is supplied than the amount necessary for power generation so that a sufficient fuel gas concentration is ensured even near the outlet of the flow path, the output voltage does not decrease, but one of the fuel gases supplied to the cell does not occur. The part is discharged unreacted in the exhaust gas, leading to a decrease in fuel utilization.
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高燃料利用率・低負荷運転により出力電圧が低下したSOFCセルの出力電圧を回復させることができるシステムおよび出力電圧回復方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a system and an output voltage recovery method capable of recovering the output voltage of an SOFC cell whose output voltage has decreased due to high fuel utilization and low load operation. For the purpose.
本発明のSOFC発電システムは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)セルを一枚又は複数枚用いたSOFCスタックを有する発電モジュールと、この発電モジュールに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記発電モジュールの出力電圧を測定する電圧測定手段と、前記発電モジュールの出力端子と後段の負荷との間を接続または遮断する切替手段と、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記切替手段を制御して前記発電モジュールの出力端子を前記負荷から切り離すと共に、前記燃料供給手段を制御して前記発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす制御手段とを備えることを特徴とするものである。 The SOFC power generation system of the present invention includes a power generation module having an SOFC stack using one or more solid oxide fuel cell (SOFC) cells, fuel supply means for supplying fuel gas to the power generation module, and the power generation Voltage measuring means for measuring the output voltage of the module, switching means for connecting or disconnecting between the output terminal of the power generation module and a subsequent load, and when the output voltage of the power generation module falls below a predetermined threshold A control means for controlling the switching means to disconnect the output terminal of the power generation module from the load, and for controlling the fuel supply means to fill a fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module. It is characterized by comprising.
また、本発明のSOFC発電システムは、固体酸化物形燃料電池(SOFC)セルを一枚又は複数枚用いたSOFCスタックをそれぞれ有する複数の発電モジュールと、各発電モジュールに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記発電モジュールの出力電圧を発電モジュール毎に測定する電圧測定手段と、前記発電モジュールの出力端子と後段の負荷との間を発電モジュール毎に接続または遮断する切替手段と、前記複数の発電モジュールのうち少なくとも1台の発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記切替手段を制御して、前記出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの出力端子を前記負荷から切り離すと共に、前記燃料供給手段を制御して、前記出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす制御手段とを備えることを特徴とするものである。 The SOFC power generation system of the present invention also includes a plurality of power generation modules each having a SOFC stack using one or more solid oxide fuel cell (SOFC) cells, and a fuel supply for supplying fuel gas to each power generation module Means, voltage measuring means for measuring the output voltage of the power generation module for each power generation module, switching means for connecting or shutting off between the output terminal of the power generation module and the subsequent load for each power generation module, When the output voltage of at least one power generation module among the power generation modules is equal to or lower than a predetermined threshold value, the switching means is controlled so that the output terminal of the power generation module whose output voltage is equal to or lower than the threshold value is removed from the load. At the same time, the fuel supply means is controlled to contact the fuel electrode of the power generation module whose output voltage is below the threshold value. It is characterized in that a control means to meet the fuel gas flow passage to the fuel gas that.
また、本発明のSOFC発電システムの1構成例において、前記制御手段は、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記燃料供給手段を制御して、この発電モジュールへの水素の流量を通常時の発電に必要な量よりも少なくすることを特徴とするものである。
また、本発明のSOFC発電システムの1構成例は、さらに、前記発電モジュールで発電に利用された燃料ガスを排出する燃料排出手段を備え、前記制御手段は、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記燃料供給手段と前記燃料排出手段とを制御して、この発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路内に燃料ガスを密封することを特徴とするものである。
また、本発明のSOFC発電システムの1構成例は、さらに、前記発電モジュールで発電に利用された燃料ガスを排出する燃料排出手段を備え、前記制御手段は、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記燃料供給手段と前記燃料排出手段とを制御して、この発電モジュールの燃料ガスの出口から燃料ガスの入口へ燃料ガスを循環させることを特徴とするものである。
また、本発明のSOFC発電システムの1構成例において、前記閾値は、単セルあたり0.2Vである。
Further, in one configuration example of the SOFC power generation system of the present invention, the control means controls the fuel supply means when the output voltage of the power generation module falls below a predetermined threshold value, and supplies the power to the power generation module. It is characterized in that the flow rate of hydrogen is less than the amount necessary for normal power generation.
In addition, one configuration example of the SOFC power generation system of the present invention further includes fuel discharge means for discharging fuel gas used for power generation by the power generation module, and the control means has a predetermined output voltage of the power generation module. The fuel supply means and the fuel discharge means are controlled when the fuel gas becomes below a threshold value, and the fuel gas is sealed in the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module. .
In addition, one configuration example of the SOFC power generation system of the present invention further includes fuel discharge means for discharging fuel gas used for power generation by the power generation module, and the control means has a predetermined output voltage of the power generation module. The fuel supply means and the fuel discharge means are controlled to circulate the fuel gas from the fuel gas outlet of the power generation module to the fuel gas inlet when the threshold value is below the threshold value. .
In one configuration example of the SOFC power generation system of the present invention, the threshold value is 0.2 V per single cell.
また、本発明のSOFC発電システムの出力電圧回復方法は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)セルを一枚又は複数枚用いたSOFCスタックを有する発電モジュールの出力電圧を測定する電圧測定ステップと、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記発電モジュールの出力端子を後段の負荷から切り離すと共に、前記発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす出力電圧回復ステップとを備えることを特徴とするものである。 Further, the output voltage recovery method of the SOFC power generation system of the present invention includes a voltage measurement step of measuring an output voltage of a power generation module having a SOFC stack using one or a plurality of solid oxide fuel cell (SOFC) cells, When the output voltage of the power generation module is equal to or lower than a predetermined threshold, the output voltage of the power generation module is disconnected from the subsequent load and the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module fills the fuel gas. And a recovery step.
また、本発明のSOFC発電システムの出力電圧回復方法は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)セルを一枚又は複数枚用いたSOFCスタックをそれぞれ有する複数の発電モジュールの出力電圧を発電モジュール毎に測定する電圧測定ステップと、前記複数の発電モジュールのうち少なくとも1台の発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、この出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの出力端子を後段の負荷から切り離すと共に、前記出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす出力電圧回復ステップとを備えることを特徴とするものである。 Further, the output voltage recovery method of the SOFC power generation system according to the present invention provides the output voltage of a plurality of power generation modules each having a SOFC stack using one or more solid oxide fuel cell (SOFC) cells for each power generation module. A voltage measurement step for measuring, and when an output voltage of at least one power generation module among the plurality of power generation modules is equal to or lower than a predetermined threshold, an output terminal of the power generation module whose output voltage is equal to or lower than the threshold is And an output voltage recovery step for filling the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module whose output voltage is equal to or lower than the threshold value.
本発明によれば、高燃料利用率・低負荷運転により発電モジュールの出力電圧が低下しても、出力電圧を回復させることができる。 According to the present invention, the output voltage can be recovered even if the output voltage of the power generation module decreases due to high fuel utilization and low load operation.
また、本発明では、複数の発電モジュールのうち少なくとも1台の発電モジュールの出力電圧が低下しても、出力電圧を回復させることができ、出力電圧が閾値より大である発電モジュールが1台でもあれば、システム全体の発電を停止することなく、高利用率・低負荷運転により性能が低下した発電モジュールの出力電圧を回復させることができる。 In the present invention, even if the output voltage of at least one power generation module among the plurality of power generation modules is reduced, the output voltage can be recovered, and even one power generation module whose output voltage is larger than the threshold value can be recovered. If so, it is possible to recover the output voltage of the power generation module whose performance has deteriorated due to high utilization and low load operation without stopping the power generation of the entire system.
[発明の原理]
本発明は、高利用率・低負荷運転によりセルの出力電圧がある閾値以下まで低下した場合、発電を停止し出力端子を開回路とした上で、燃料極表面を還元雰囲気にした状態で静置することでセルの機能を回復させる。
また、本発明は、発電電力や供給するガスの流量を個別に制御することが可能な2台以上のモジュールから構成されるSOFC発電システムにおいて、各モジュールの出力電圧を随時計測し、出力電圧が一定の閾値以下になったモジュールのみの発電を中止し、出力端子を開回路とした上で、モジュール内の燃料極表面を還元雰囲気にした状態で放置することでモジュールの出力電圧を回復させる。
[Principle of the Invention]
In the present invention, when the cell output voltage drops below a certain threshold due to high utilization and low load operation, power generation is stopped, the output terminal is opened, and the surface of the fuel electrode is kept in a reducing atmosphere. To restore the function of the cell.
In addition, the present invention measures the output voltage of each module at any time in an SOFC power generation system composed of two or more modules capable of individually controlling the generated power and the flow rate of the supplied gas. The power generation of only the module that is below a certain threshold is stopped, the output terminal is set to an open circuit, and the fuel electrode surface in the module is left in a reducing atmosphere to recover the module output voltage.
燃料極表面を還元雰囲気にする方法としては、少量の燃料ガスを流し続けるか、あるいは発電中止後に一旦燃料ガス流路に燃料ガスを流して流路中のガスを未反応の燃料ガスに置換した後に、ガス流路の出口と入口を閉鎖してガス流路に燃料ガスを充填する方法が考えられる。燃料極材料の還元に使用される燃料ガスはモジュールに導入されたガスの一部分のみであるため、少量の燃料ガスを流し続ける場合には、モジュールの出口から排出された燃料ガスをモジュールの入口に戻して循環させてもかまわない。 As a method of making the surface of the fuel electrode into a reducing atmosphere, a small amount of fuel gas is kept flowing, or after the power generation is stopped, the fuel gas is once flowed into the fuel gas passage and the gas in the passage is replaced with unreacted fuel gas. Later, it is conceivable to close the outlet and inlet of the gas flow path and fill the gas flow path with fuel gas. The fuel gas used to reduce the anode material is only a part of the gas introduced into the module. Therefore, when a small amount of fuel gas is kept flowing, the fuel gas discharged from the module outlet is supplied to the module inlet. It can be returned and circulated.
高燃料利用率・低負荷運転によりSOFCセルの出力電圧が低下する原因としては、燃料ガス中の還元性ガス分圧の低下により燃料極材料が酸化され、燃料極内に導電性が低い物質が生成されることにより、抵抗成分による電圧降下(IRドロップ)が発生するためと考えられる。SOFCセルの出力端子を開回路にした状態で燃料ガスを導入すると、還元性の高い燃料ガスが燃料ガス流路の出口近傍まで殆ど濃度が変化することなく供給されるため、発電中に酸化された燃料極材料が再び還元され、電圧降下が起こらなくなる。 The reason why the output voltage of the SOFC cell decreases due to high fuel utilization and low load operation is that the electrode material is oxidized due to the reduction of the reducing gas partial pressure in the fuel gas, and there is a substance with low conductivity in the fuel electrode. This is probably because a voltage drop (IR drop) due to the resistance component occurs. When fuel gas is introduced with the output terminal of the SOFC cell open, the highly reducible fuel gas is supplied to the vicinity of the outlet of the fuel gas flow path with almost no change in concentration, so it is oxidized during power generation. The fuel electrode material is reduced again, and no voltage drop occurs.
なお、SOFCセルの出力電圧がある閾値以下まで低下した時点で発電を停止する理由は、それ以上電圧を低下させると電解質にクラックが発生し、還元を行ってもセルの出力電圧が回復しなくなるためである。燃料極材料が酸化すると体積の膨張が発生するが、酸化範囲が限定的である間は多孔性の燃料極そのものが材料の膨張を吸収するため、固体電解質薄膜に掛かる応力はそれ程大きくならない。しかし、酸化がより広い範囲に進行すると燃料極が全体として膨張し始めるため、燃料極の上に形成された固体電解質薄膜に亀裂が発生する。したがって、燃料極材料の酸化が限定的で電解質に亀裂が発生しない範囲で発電を中止する必要がある。一方、より高い電圧で発電を中止すれば、短時間の回復処理で出力電圧が回復するが、回復処理の頻度が多くなり、作業が煩雑になる。 The reason for stopping power generation when the output voltage of the SOFC cell drops below a certain threshold is that if the voltage is lowered further, cracks will occur in the electrolyte, and the cell output voltage will not recover even if reduction is performed. Because. When the fuel electrode material is oxidized, volume expansion occurs. However, while the oxidation range is limited, the porous fuel electrode itself absorbs the material expansion, so that the stress applied to the solid electrolyte thin film is not so great. However, since the fuel electrode begins to expand as a whole when the oxidation proceeds to a wider range, cracks occur in the solid electrolyte thin film formed on the fuel electrode. Therefore, it is necessary to stop the power generation in a range where the oxidation of the fuel electrode material is limited and cracks do not occur in the electrolyte. On the other hand, if the power generation is stopped at a higher voltage, the output voltage is recovered by a short recovery process, but the frequency of the recovery process increases and the operation becomes complicated.
また、1台のモジュールから構成されるSOFC発電システムでは、回復のためにモジュールの運転を停止するとシステムの発電も止まってしまう。しかし、発電電力や供給するガスの流量を個別に制御することが可能な2台以上のモジュールから構成されるSOFC発電システムであれば、各モジュールの出力電圧を随時計測し、いずれかのモジュールの電圧が一定の閾値以下になった場合はそのモジュールのみの発電を中止し、出力端子を開回路とした上で、モジュール内の燃料極に接する燃料ガス流路に燃料ガスを存在させた状態で静置することにより、システムとしての発電を中止することなく、モジュールの出力電圧を回復させることが可能となる。 In addition, in an SOFC power generation system composed of one module, power generation of the system stops when the operation of the module is stopped for recovery. However, if the SOFC power generation system is composed of two or more modules that can individually control the generated power and the flow rate of the gas to be supplied, the output voltage of each module is measured at any time. When the voltage falls below a certain threshold, power generation of only that module is stopped, the output terminal is opened, and fuel gas is present in the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode in the module. By standing still, it becomes possible to recover the output voltage of the module without stopping the power generation as a system.
[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態に係るSOFC発電システムの構成を示すブロック図である。
SOFC発電システムは、SOFCセルを一枚又は複数枚用いたSOFCスタックを有する発電モジュール1と、発電モジュール1に空気を供給する空気供給マニホールド12と、発電モジュール1に燃料ガスである水素を供給する燃料供給マニホールド13と、発電モジュール1の出力電圧を測定する電圧測定器14と、発電モジュール1の出力端子と後段の負荷Rとの間を接続または遮断する切替手段となるスイッチ15と、燃料ガスの流量を制御する供給用バルブ16と、制御部17とから構成される。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a SOFC power generation system according to an embodiment of the present invention.
The SOFC power generation system includes a power generation module 1 having an SOFC stack using one or more SOFC cells, an
発電モジュール1のSOFCスタックは、電解質2と、電解質2の一方の面に配置された空気極3と、電解質2の反対側の面に配置された燃料極4と、空気極3と電気的に接触する板状の空気極側セパレータ5と、燃料極4と電気的に接触する板状の燃料極側セパレータ6と、空気極側セパレータ5と燃料極側セパレータ6とを電気的に絶縁する絶縁材7とから構成される。なお、本実施の形態では、電解質2と空気極3と燃料極4とからなるSOFCセルを1枚用いるSOFCスタック、すなわち単セルスタックを例に挙げて説明するが、単セルスタックを複数枚積層したSOFCスタックを用いるようにしてもよい。
The SOFC stack of the power generation module 1 is electrically connected to the electrolyte 2, the
空気極側セパレータ5と燃料極側セパレータ6と絶縁材7には、空気を供給する空気供給経路8と、燃料ガスを供給する燃料供給経路9とが形成されている。さらに、空気極側セパレータ5には、空気供給経路8からの空気を空気極3に供給する空気供給流路10が形成され、燃料極側セパレータ6には、燃料供給経路9からの燃料ガスを燃料極4に供給する燃料供給流路11が形成されている。空気供給流路10の入口は空気供給経路8と接続され、燃料供給流路11の入口は燃料供給経路9と接続されている。燃料供給経路9と燃料供給マニホールド13と供給用バルブ16とは、燃料供給手段を構成している。本実施の形態では、以上のような構成の発電モジュール1を2台設置している。
An
なお、図1では、空気極側セパレータ5内に設けられる空気排出流路、燃料極側セパレータ6内に設けられる燃料排出流路、空気排出流路の出口と接続され、空気を外部に排出する空気排出経路、および燃料排出流路の出口と接続され、燃料ガスを外部に排出する燃料排出経路については記載を省略している。燃料排出経路と、この燃料排出経路に設けられた排出用バルブ(不図示)と、この燃料排出経路に設けられた接続用バルブ(不図示)とは、燃料排出手段を構成している。
In FIG. 1, the air discharge channel provided in the air
次に、SOFC発電システムの通常時の動作について説明する。空気は、空気供給マニホールド12から空気供給経路8およびSOFCセル毎に設けられた空気供給流路10を介して各SOFCセルの空気極3に供給される。水素は、燃料供給マニホールド13から燃料供給経路9およびSOFCセル毎に設けられた燃料供給流路11を介して各SOFCセルの燃料極4に供給される。空気極側セパレータ5には空気極側出力端子18が接続され、燃料極側セパレータ6には燃料極側出力端子19が接続されており、この空気極側出力端子18と燃料極側出力端子19との間に負荷Rが接続されている。通常時においては、スイッチ15が閉状態となっているので、SOFC発電システムで発電された電力が負荷Rに供給される。なお、本実施の形態では、発電モジュール1を2台使用しているため、2台の発電モジュール1が並列に接続されている。
Next, the normal operation of the SOFC power generation system will be described. Air is supplied from the
発電に利用された後の空気は、SOFCセル毎に設けられた空気排出流路を通り、空気排出経路を介して外部に排出される。発電に利用された後の水素は、SOFCセル毎に設けられた燃料排出流路を通り、燃料排出経路を介して外部に排出される。 The air that has been used for power generation passes through an air discharge passage provided for each SOFC cell, and is discharged to the outside through an air discharge path. The hydrogen used for power generation passes through the fuel discharge channel provided for each SOFC cell and is discharged to the outside through the fuel discharge path.
次に、高燃料利用率・低負荷運転により発電モジュール1の出力電圧が低下したときの動作について説明する。
電圧測定器14は、発電モジュール1の出力電圧(空気極側セパレータ5と燃料極側セパレータ6間の電圧)を常時測定している。
制御部17は、2台の発電モジュール1のうち少なくとも1台の発電モジュール1の出力電圧が一定の閾値以下になったとき、出力電圧が閾値以下となった発電モジュール1に対応するスイッチ15を開状態として、この発電モジュール1を負荷Rから切り離すと共に、出力電圧が閾値以下となった発電モジュール1に対応する供給用バルブ16を制御して、この発電モジュール1への水素の流量を通常時の発電に必要な量よりも少なくする。
Next, the operation when the output voltage of the power generation module 1 decreases due to the high fuel utilization rate / low load operation will be described.
The
When the output voltage of at least one power generation module 1 out of the two power generation modules 1 falls below a certain threshold value, the
こうして、出力電圧が閾値以下になった発電モジュール1のみ発電を中止し、出力端子を開回路とした上で、発電モジュール1内の燃料極表面を還元雰囲気にした状態で放置することで、発電モジュール1の出力電圧を回復させる。
なお、制御部17は、出力電圧が閾値以下となった発電モジュール1については、この発電モジュール1の出口側の燃料排出経路と入口側の燃料供給マニホールド13とを接続する接続用バルブ(不図示)を開き、この発電モジュール1の燃料排出経路から排出される水素を燃料供給マニホールド13に戻すことにより、水素を循環させてもかまわない。
In this way, power generation is stopped only in the power generation module 1 whose output voltage is below the threshold, the output terminal is opened, and the fuel electrode surface in the power generation module 1 is left in a reducing atmosphere to generate power. The output voltage of module 1 is restored.
For the power generation module 1 whose output voltage is equal to or less than the threshold value, the
また、制御部17は、発電モジュール1の出力電圧が閾値以下になったとき、この発電モジュール1に暫く水素を供給して、この発電モジュール1の燃料供給流路11および燃料排出流路中のガスを未反応の水素に置換した後に、この発電モジュール1の出口側の燃料排出経路に設けられた排出用バルブ(不図示)と入口側の燃料供給マニホールド13に設けられた供給用バルブ16とを閉じることで、燃料供給流路11および燃料排出流路に水素を充填するようにしてもよい。
Further, the
なお、本実施の形態では、2台の発電モジュール1を用いたSOFC発電システムを例に挙げて説明しているが、これに限るものではなく、1台の発電モジュールでSOFC発電システムを構成してもよいことは言うまでもない。 In this embodiment, the SOFC power generation system using two power generation modules 1 is described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the SOFC power generation system is configured by one power generation module. Needless to say.
図2は、直径φ=120mmの平板型SOFCセルを用いた単セルスタックを高燃料利用率・低負荷(燃料利用率95%、放電電流25A)で運転したときと、本実施の形態の出力電圧回復処理で回復させたときの単セルスタックの出力電圧Vおよび出力電流Iの経時変化を示す図である。ここでは、閾値を0.2Vとしている。高燃料利用率・低負荷で運転している場合、電流値一定で運転していても出力電圧Vが徐々に低下していく。図2の例では、480分付近で出力電圧Vが閾値0.2Vに達しており、この時点で発電を中止して本実施の形態の出力電圧回復処理で単セルスタックを回復させると、0.9V付近まで出力電圧Vが回復することが分かる。さらに、出力電圧回復を継続すると、およそ30分間で出力電圧Vが1.2V付近まで上昇した。 FIG. 2 shows a case where a single cell stack using a flat plate type SOFC cell having a diameter φ = 120 mm is operated at a high fuel utilization rate and a low load (fuel utilization rate 95%, discharge current 25 A), and the output of the present embodiment. It is a figure which shows the time-dependent change of the output voltage V and the output current I of a single cell stack when it is made to recover by a voltage recovery process. Here, the threshold value is 0.2V. When operating at high fuel utilization and low load, the output voltage V gradually decreases even when operating at a constant current value. In the example of FIG. 2, the output voltage V reaches the threshold value of 0.2 V around 480 minutes. When the power generation is stopped at this time and the single cell stack is recovered by the output voltage recovery processing of this embodiment, 0 is output. It can be seen that the output voltage V recovers to around .9V. Furthermore, when the output voltage recovery was continued, the output voltage V rose to about 1.2 V in about 30 minutes.
図3は、直径φ=120mmの平板型SOFCセルを用いた単セルスタックにおいて高燃料利用率・低負荷(燃料利用率95%、放電電流25A)で運転する前と本実施の形態の出力電圧回復処理で回復させた後の電流−電圧曲線を示す図である。図3における30は単セルスタックを高燃料利用率・低負荷で運転する前の電流−電圧曲線、31は単セルスタックを本実施の形態の出力電圧回復処理で回復させた後の電流−電圧曲線である。二つの曲線に殆ど変化は無く、出力電圧Vが一旦0.2Vまで低下した単セルスタックにおいても、本実施の形態の出力電圧回復処理で回復させることにより、運転前と同様な電流−電圧特性が得られることが分かる。すなわち、図3は出力電圧Vが低下したセルの性能を本実施の形態の出力電圧回復処理で回復できることを示している。 FIG. 3 shows the output voltage of the present embodiment before operating at a high fuel utilization and low load (fuel utilization 95%, discharge current 25 A) in a single cell stack using a flat plate SOFC cell having a diameter φ = 120 mm. It is a figure which shows the electric current-voltage curve after making it recover by a recovery process. 3, 30 is a current-voltage curve before the single cell stack is operated at a high fuel utilization rate and low load, and 31 is a current-voltage after the single cell stack is recovered by the output voltage recovery processing of the present embodiment. It is a curve. There is almost no change in the two curves, and even in a single cell stack in which the output voltage V has once decreased to 0.2 V, the current-voltage characteristics similar to those before the operation are obtained by recovering with the output voltage recovery processing of the present embodiment. It can be seen that That is, FIG. 3 shows that the performance of the cell in which the output voltage V has decreased can be recovered by the output voltage recovery process of the present embodiment.
発電を中止する閾値についての検討を行ったところ、閾値を0.2Vよりも低くすると、このような発電性能の確実な回復は見られなかった。表1に、本実施の形態の出力電圧回復処理により出力電圧が回復したセルの割合と、出力電圧回復処理後に電解質にクラックの発生が確認されたセルの割合を閾値毎に示す。このときの試験は閾値毎に4個のセルを用いて実施した。 When the threshold value for stopping power generation was examined, when the threshold value was lower than 0.2 V, such a reliable recovery of power generation performance was not seen. Table 1 shows the ratio of cells whose output voltage has been recovered by the output voltage recovery process of the present embodiment and the ratio of cells in which cracks have been confirmed in the electrolyte after the output voltage recovery process for each threshold value. The test at this time was implemented using four cells for each threshold.
発電を中止する閾値を0.2V以上とした場合は100%出力電圧が回復しており、水素供給後にSOFCセルを観察しても電解質でのクラックの発生は確認されなかった。これに対して、閾値を0.1Vとした場合は4個の内1個のセルしか出力電圧が回復せず、閾値を0Vとした場合には出力電圧の回復が全く見られなかった。また、閾値を0Vとした場合、全てのセルの電解質にクラックの発生が観察された。なお、閾値0.2Vは単セルあたりの値なので、単セルをn(nは2以上の整数)枚積層する場合には、閾値を0.2×nVとすればよい。 When the threshold value for stopping power generation was 0.2 V or more, the output voltage was 100%, and even when the SOFC cell was observed after supplying hydrogen, the occurrence of cracks in the electrolyte was not confirmed. On the other hand, when the threshold value was set to 0.1V, only one cell out of the four cells recovered the output voltage, and when the threshold value was set to 0V, no recovery of the output voltage was observed. In addition, when the threshold value was set to 0 V, occurrence of cracks was observed in the electrolytes of all cells. Since the threshold value 0.2V is a value per unit cell, when stacking n (n is an integer of 2 or more) single cells, the threshold value may be 0.2 × nV.
本実施の形態の制御部17は、例えばCPU、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
The
本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた発電システムを運転する技術に適用することができる。 The present invention can be applied to a technique for operating a power generation system using a solid oxide fuel cell.
1…発電モジュール、2…電解質、3…空気極、4…燃料極、5…空気極側セパレータ、6…燃料極側セパレータ、7…絶縁材、8…空気供給経路、9…燃料供給経路、10…空気供給流路、11…燃料供給流路、12…空気供給マニホールド、13…燃料供給マニホールド、14…電圧測定器、15…スイッチ、16…供給用バルブ、17…制御部、18…空気極側出力端子、19…燃料極側出力端子。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power generation module, 2 ... Electrolyte, 3 ... Air electrode, 4 ... Fuel electrode, 5 ... Air electrode side separator, 6 ... Fuel electrode side separator, 7 ... Insulating material, 8 ... Air supply path, 9 ... Fuel supply path, DESCRIPTION OF
Claims (8)
この発電モジュールに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記発電モジュールの出力電圧を測定する電圧測定手段と、
前記発電モジュールの出力端子と後段の負荷との間を接続または遮断する切替手段と、
前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記切替手段を制御して前記発電モジュールの出力端子を前記負荷から切り離すと共に、前記燃料供給手段を制御して前記発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす制御手段とを備えることを特徴とするSOFC発電システム。 A power generation module having a SOFC stack using one or more solid oxide fuel cells (SOFC) cells;
Fuel supply means for supplying fuel gas to the power generation module;
Voltage measuring means for measuring an output voltage of the power generation module;
Switching means for connecting or disconnecting between the output terminal of the power generation module and the subsequent load;
When the output voltage of the power generation module falls below a predetermined threshold, the switching means is controlled to disconnect the output terminal of the power generation module from the load, and the fuel supply means is controlled to control the fuel of the power generation module. A SOFC power generation system comprising: a control means for filling a fuel gas in a fuel gas flow path in contact with an electrode.
各発電モジュールに燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
前記発電モジュールの出力電圧を発電モジュール毎に測定する電圧測定手段と、
前記発電モジュールの出力端子と後段の負荷との間を発電モジュール毎に接続または遮断する切替手段と、
前記複数の発電モジュールのうち少なくとも1台の発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記切替手段を制御して、前記出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの出力端子を前記負荷から切り離すと共に、前記燃料供給手段を制御して、前記出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす制御手段とを備えることを特徴とするSOFC発電システム。 A plurality of power generation modules each having a SOFC stack using one or more solid oxide fuel cells (SOFC) cells;
Fuel supply means for supplying fuel gas to each power generation module;
Voltage measuring means for measuring the output voltage of the power generation module for each power generation module;
Switching means for connecting or blocking each power generation module between the output terminal of the power generation module and the load on the subsequent stage;
When the output voltage of at least one power generation module among the plurality of power generation modules is equal to or lower than a predetermined threshold value, the switching means is controlled so that the output terminal of the power generation module whose output voltage is equal to or lower than the threshold value And a control means for controlling the fuel supply means to fill the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module whose output voltage is equal to or lower than a threshold, while disconnecting from the load. SOFC power generation system.
前記制御手段は、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記燃料供給手段を制御して、この発電モジュールへの水素の流量を通常時の発電に必要な量よりも少なくすることを特徴とするSOFC発電システム。 The SOFC power generation system according to claim 1 or 2,
The control means controls the fuel supply means when the output voltage of the power generation module falls below a predetermined threshold value, so that the flow rate of hydrogen to the power generation module is higher than the amount necessary for normal power generation. SOFC power generation system characterized by a reduction.
さらに、前記発電モジュールで発電に利用された燃料ガスを排出する燃料排出手段を備え、
前記制御手段は、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記燃料供給手段と前記燃料排出手段とを制御して、この発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路内に燃料ガスを密封することを特徴とするSOFC発電システム。 The SOFC power generation system according to claim 1 or 2,
Furthermore, it comprises a fuel discharge means for discharging the fuel gas used for power generation in the power generation module,
The control means controls the fuel supply means and the fuel discharge means when the output voltage of the power generation module becomes a predetermined threshold value or less, and in the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module. An SOFC power generation system characterized by sealing the fuel gas at the bottom.
さらに、前記発電モジュールで発電に利用された燃料ガスを排出する燃料排出手段を備え、
前記制御手段は、前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記燃料供給手段と前記燃料排出手段とを制御して、この発電モジュールの燃料ガスの出口から燃料ガスの入口へ燃料ガスを循環させることを特徴とするSOFC発電システム。 The SOFC power generation system according to claim 3,
Furthermore, it comprises a fuel discharge means for discharging the fuel gas used for power generation in the power generation module,
The control means controls the fuel supply means and the fuel discharge means when the output voltage of the power generation module falls below a predetermined threshold, and the fuel gas inlet to the fuel gas inlet of the power generation module SOFC power generation system characterized by circulating fuel gas to
前記閾値は、単セルあたり0.2Vであることを特徴とするSOFC発電システム。 The SOFC power generation system according to any one of claims 1 to 5,
The SOFC power generation system, wherein the threshold is 0.2 V per unit cell.
前記発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、前記発電モジュールの出力端子を後段の負荷から切り離すと共に、前記発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす出力電圧回復ステップとを備えることを特徴とするSOFC発電システムの出力電圧回復方法。 A voltage measurement step of measuring an output voltage of a power generation module having a SOFC stack using one or more solid oxide fuel cell (SOFC) cells;
When the output voltage of the power generation module is equal to or lower than a predetermined threshold, the output voltage of the power generation module is disconnected from the subsequent load and the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module fills the fuel gas. And a recovery step. An output voltage recovery method for an SOFC power generation system, comprising: a recovery step.
前記複数の発電モジュールのうち少なくとも1台の発電モジュールの出力電圧が所定の閾値以下になったときに、この出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの出力端子を後段の負荷から切り離すと共に、前記出力電圧が閾値以下となった発電モジュールの燃料極と接する燃料ガス流路に燃料ガスを満たす出力電圧回復ステップとを備えることを特徴とするSOFC発電システムの出力電圧回復方法。 A voltage measurement step of measuring output voltages of a plurality of power generation modules each having a SOFC stack using one or a plurality of solid oxide fuel cells (SOFC) cells for each power generation module;
When the output voltage of at least one power generation module among the plurality of power generation modules is equal to or lower than a predetermined threshold, the output terminal of the power generation module whose output voltage is equal to or lower than the threshold is disconnected from the subsequent load, and An output voltage recovery method for an SOFC power generation system, comprising: an output voltage recovery step for filling the fuel gas flow path in contact with the fuel electrode of the power generation module whose output voltage is equal to or less than a threshold value to fill the fuel gas.
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