JP2013073903A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は固体酸化物型燃料電池(1)であって、燃料電池セルスタック(14)を備えた燃料電池モジュール(2)と、排気中の水分を凝縮させる凝縮器(160)と、凝縮水を貯留する凝縮水タンク(26b)と、凝縮水の量を検出する貯水量検出手段(136e)と、燃料を水蒸気改質する改質器(20)と、燃料供給手段(38)と、凝縮水を改質器に供給する水供給手段(28)と、発電用酸化剤ガス供給手段(45)と、燃料、水、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、所要の発電電力を生成する制御手段(110)と、を有し、制御手段は、凝縮水が所定量以下であることが検出されると、凝縮水を増加させるべく、発電電力を低下させる凝縮水高速生成手段(110a)を備えたことを特徴としている。
【選択図】図10
Description
このように構成された本発明によれば、発電用酸化剤ガス利用率を上昇させることにより発電用酸化剤ガスを減少させて排気温度を上昇させ、凝縮水の生成を促進すると共に、発電用酸化剤ガス利用率の上昇を最大発電用酸化剤ガス利用率の範囲内で行うことにより、燃料電池モジュールからの排気中の一酸化炭素濃度等を抑制することができる。
本発明において、好ましくは、凝縮水高速生成手段は、凝縮水タンク内の凝縮水が少ない場合には、凝縮水が多い場合よりも、より大幅に発電電力を低下させる。
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(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酸化物型燃料電池(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、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制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、固体酸化物型燃料電池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、固体酸化物型燃料電池(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。
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。
さらに、第1の貯水タンク26aは、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ136a,136bをそれぞれ備え、各水位センサ136a,136bがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量(例えば、第1の貯水タンク26aの満水量等)を検出することができるようになっている。
図10は、凝縮水高速生成制御のフローチャートを示す。図11は、凝縮水高速生成制御が実行された場合における各パラメータの変化を示すタイムチャートである。
図11は、本実施形態による固体酸化物型燃料電池1の作動状態の一例を示すタイムチャートであり、上段から順に、燃料電池セルスタック14の温度、発電用空気供給量、燃料供給量、発電用空気供給量と燃料供給量の比、燃料電池モジュール2による発電電流、熱交換器160表面温度と熱交換器160に流入する排気温度の差を示している。
即ち、検出温度Tdが、
Ts(I)−Te≦Td≦Ts(I)+Te
の範囲内にある場合には、第1加減算値M1=0にされる。ここで、Teは第1加減算値閾値温度である。なお、本実施形態においては、第1加減算値閾値温度Teは3℃である。
Td<Ts(I)−Te (4)
の範囲内(図13における下側の実線よりも下)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)−Te)) (5)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、負の値(減算値)となる。なお、Kiは、所定の比例定数である。
Td>Ts(I)+Te (6)
の範囲内(図13における上側の実線よりも上)にある場合には、第1加減算値M1は、
M1=Ki×(Td−(Ts(I)+Te)) (7)
によって計算される。この際、第1加減算値M1は、正の値(加算値)となる。このように、第1加減算値M1は、検出温度Tdの他、発電電流に基づいて決定され、これを積算することにより蓄熱量が推定される。即ち、適正温度Ts(I)は、発電電流(電力)に応じて異なるように設定され、この適正温度Ts(I)に基づいて決定される(Ts(I)+Te)の値、及び(Ts(I)−Te)の値に基づいて、第1加減算値M1が正又は負の値に決定される。
M2=Kd×(Td−Tdb) (8)
によって計算される。この第2加減算値M2は、検出温度Tdが上昇傾向にある場合には正の値(加算値)となり、検出温度Tdが低下傾向にある場合には負の値(減算値)となる。なお、Kdは、所定の比例定数である。従って、検出温度Tdが上昇している場合において、変化温度差(Td−Tdb)が大きい領域においては、変化温度差が小さい領域よりも、速応推定値である第2加減算値M2が大きく増加される。逆に、検出温度が低下している場合において、変化温度差(Td−Tdb)の絶対値が大きい領域においては、変化温度差の絶対値が小さい領域よりも、第2加減算値M2は大きく減少される。
N1id=N1id+M1+M2 (9)
により、第1積算値N1idを計算している。ここで、変形例として、第1加減算値M1と第2加減算値M2の積を積算することにより、積算値を計算しても良い。即ち、この変形例では、第1積算値N1idは、
N1id=N1id+Km×M1×M2 (10)
により計算される。ここで、Kmは、所定の条件に応じて変更される可変の係数である。また、この変形例においては、最新の検出温度Tdと1分前の検出温度Tdbの差の絶対値が所定の第2加減算値閾値温度未満である場合には、第2加減算値M2は1にされる。
図14は、計算された第1積算値N1idに対する燃料利用率Ufの設定値を示すグラフである。図14に示すように、第1積算値N1idが0である場合には、燃料利用率Ufは最小値である最小燃料利用率Ufminに設定される。また、第1積算値N1idの増加と共に燃料利用率Ufも増加し、第1積算値N1id=1において最大値である最大燃料利用率Ufmaxとなる。この間、燃料利用率Ufは、第1積算値N1idが小さい領域では傾きが小さく、第1積算値N1idが1に近づくほど傾きが大きくなる。即ち、推定蓄熱量が大きい領域においては、推定蓄熱量が小さい領域よりも、推定蓄熱量の変化に対して大幅に燃料利用率Ufが変化される。換言すれば、推定された蓄熱量が大きいほど大幅に燃料利用率Ufを高めるように燃料供給量が減少される。さらに、第1積算値N1idが1よりも大きい場合には、燃料利用率Ufは最大燃料利用率Ufmaxに固定される。これらの最小燃料利用率Ufmin及び最大燃料利用率Ufmaxの具体的な値は、発電電流(図11における5段目のタイムチャート)に基づいて、図15に示すグラフにより決定される。このように、断熱材7等に利用可能な熱量が蓄積されていることが推定された場合には、利用可能な熱量が蓄積されていない場合よりも同一の発電電力に対して燃料利用率が高くなるように、燃料供給量が減少される。即ち、図11における時刻t10〜t13付近においては、燃料電池モジュール2内の温度が高く、利用可能な熱量が蓄積されている状態であるため、燃料利用率が高くなるように燃料供給量が減少されている。
図16は、計算された第2積算値N2idに対する空気利用率Uaの設定値を示すグラフである。図16に示すように、第2積算値N2idが0乃至1である場合には、空気利用率Uaは最大発電用酸化剤ガス利用率である最大空気利用率Uamaxに設定される。さらに、第2積算値N2idが1を超えて増加すると共に空気利用率Uaは低下し、第2積算値N2id=4において最小値である最小空気利用率Uaminとなる。このように、空気利用率Uaを低下させることによる増加分の空気は冷却用の流体として作用するので、図16に示す空気利用率Uaの設定は、強制冷却手段として作用する。これらの最小空気利用率Uamin及び最大空気利用率Uamaxの具体的な値は、発電電流に基づいて、図17に示すグラフにより決定される。
図18は、横軸を空気利用率Ua、縦軸を、供給された水蒸気量と、燃料に含まれる炭素量との比S/Cとしたグラフである。
まず、ステップS33において計算される第1積算値N1idの値が0である場合には、ステップS34において決定される燃料利用率Ufが、その発電電流における最小燃料利用率Ufmin(燃料供給量最大)に設定される。これにより、第1積算値N1idの値が0であり、断熱材7等に蓄積された熱量が少ない状態においても、燃料電池モジュール2が熱的に自立できる十分な燃料が供給される。また、ステップS33において計算される第2積算値N2idの値が、第1積算値N1idと同様に0である場合には、ステップS35において決定される空気利用率Uaが、その発電電流における最大空気利用率Uafmax(空気供給量最小)に設定される。このため、燃料電池モジュール2に導入される発電用の空気により燃料電池セルスタック14が冷却される作用は最小にされ、燃料電池セルスタック14の温度を上昇傾向にすることができる。
このような制御が実行されることにより、図11に示すタイムチャートでは、燃料電池セルスタック14の温度が高い状態において(時刻t10〜t13付近)、最大空気利用率Uamax(図11、2段目のタイムチャートの破線に対応)よりも空気利用率Uaを低下させた(空気供給量を増加させた)運転が行われ、燃料電池セルスタック14が適正温度(図13の一点鎖線に対応)まで冷却される。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
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(固体酸化物型燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
26b 第2の貯水タンク(凝縮水タンク)
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(発電用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(制御手段)
110a 凝縮水高速生成手段
110b 蓄熱量推定手段
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(買電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
136e 水位センサ(貯水量検出手段)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
140 排気温度センサ
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
154 ポンプ
156 RO膜(逆浸透膜)
158 パルスポンプ
160 熱交換器(凝縮器)
162 ヒーター
Claims (8)
- 排気中の水分を回収し、回収した水を使用して燃料を水蒸気改質し、電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタック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の排気中の水分を凝縮させる凝縮器と、
この凝縮器で凝縮された凝縮水を貯留する凝縮水タンクと、
この凝縮水タンクに貯留された凝縮水の量を検出する貯水量検出手段と、
燃料を水蒸気改質して水素を生成し、上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
上記凝縮水タンク内に貯留された凝縮水を上記改質器に供給する水供給手段と、
上記燃料電池セルスタックに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記燃料供給手段、上記水供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、上記燃料電池モジュールにより所要の発電電力を生成する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記貯水量検出手段により、上記凝縮水タンク内の凝縮水が所定量以下であることが検出されると、上記凝縮器により凝縮される凝縮水を増加させるべく、発電電力を低下させる凝縮水高速生成手段を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 - 上記制御手段は、上記燃料電池セルスタックの温度が所定温度以上である場合には、上記発電用酸化剤ガス供給量を増加させ、上記燃料電池セルスタックの温度を適正温度まで冷却する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記制御手段は、燃料利用率が、常に、発電電力に応じて予め設定された燃料利用率の許容範囲内になるように、上記燃料供給手段を制御し、上記燃料利用率の許容範囲は、発電電力が少ない場合には、発電電力が多い場合よりも広くなるように設定されている請求項2記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記制御手段は、燃料利用率が、常に、発電電力に応じて予め設定された燃料利用率の許容範囲内になるように上記燃料供給手段を制御し、上記凝縮水高速生成手段は、上記発電用酸化剤ガス利用率の許容範囲及び上記燃料利用率の許容範囲の中で、発電用酸化剤ガスに対する燃料の割合が多くなるように、上記発電用酸化剤ガス供給手段及び上記燃料供給手段を制御する請求項3記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記凝縮水高速生成手段は、発電電力を低下させることにより、燃料供給量を低下させ、これにより、上記燃料電池セルスタックの温度が低下した後、発電用酸化剤ガスに対する燃料の割合が多くなるように、上記発電用酸化剤ガス供給手段及び上記燃料供給手段を制御する請求項4記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記凝縮水高速生成手段は、所定の最大発電用酸化剤ガス利用率の範囲内で発電用酸化剤ガス利用率を上昇させる請求項5記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記制御手段は、上記燃料電池セルスタックの温度が高い場合には、上記燃料電池セルスタックの温度が低い場合よりも、上記凝縮水タンク内の凝縮水が多い状態から上記凝縮水高速生成手段を実行する請求項6記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記凝縮水高速生成手段は、上記凝縮水タンク内の凝縮水が少ない場合には、凝縮水が多い場合よりも、より大幅に発電電力を低下させる請求項7記載の固体酸化物型燃料電池。
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