JP2013171625A - 燃料電池及び燃料電池の停止時冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転停止に伴う高温型の燃料電池の劣化を防止した燃料電池を提供する。
【解決手段】 圧力容器２と、圧力容器２の内部に格納され、燃料ガス及び空気の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する複数のカートリッジ１０と、緊急停止時に圧力容器２の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧する水スプレー装置３０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温型の燃料電池及び燃料電池の停止時冷却方法に係り、特に、高温型燃料電池の運転停止に伴う劣化を防止する技術に関する。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
このような燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。

このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られており、排燃料の熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービン等のボトミングサイクルにより回収して発電に利用することで、システム損失を小さくして高い発電効率を得ることが可能になる。

すなわち、ＳＯＦＣは、ガスタービンと組み合わせて発電を行う燃料電池・ガスタービン発電設備や、さらに、ガスタービンの排熱を回収する排熱回収ボイラを設けて蒸気を生成し、この蒸気により蒸気タービンを駆動して発電する複合発電設備に利用できる。
このようなＳＯＦＣにおいては、たとえば下記の特許文献１に記載されているように、発電停止に伴う空気極の還元や燃料極の酸化による劣化を防止するため、燃料電池の運転停止後に、空気極側に大量の空気を供給して冷却時間を短縮するとともに、燃料極側に窒素を通ガスさせて燃料電池を保護することが行われている。

特開２００９−１７０３０７号公報

ところで、ＳＯＦＣを用いた燃料電池・ガスタービン発電設備は、トリップ発生時の空気側及び燃料系統において、下記のような操作が行われている。
ＳＯＦＣの空気極に空気を供給する空気系統（空気側）では、通常ガスタービンの圧縮機から圧縮空気の供給を受けて発電（運転）しているが、トリップ発生時に発電が停止されると、封じ込め（系統の遮断）または圧縮空気の供給停止となる。すなわち、トリップ発生時にはガスタービンも停止するため、圧縮空気の供給が停止されると空気系統内は常圧となる。

一方、ＳＯＦＣの燃料極に燃料ガスを供給する燃料系統では、トリップ発生時に窒素ガスを供給して高温の燃料極等にパージしている。すなわち、トリップ時に発電室の両端部（管板と呼ばれる上下のメタル部品、絶縁箇所）で温度上昇することを防止するため、燃料系統に窒素ガスが供給される。この窒素ガスは、通常発電部両端の絶縁箇所において、温度が６００℃程度以上にならないように冷却している。

上述した窒素ガスパージを行うためには、常に窒素ガスを保有しておくことが必要となる。しかし、燃料電池・ガスタービン発電設備が大型化していくことを考えると、窒素ガスの保有量も増大することになるので、窒素ガスに代わる冷却や劣化防止対策が求められる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、運転停止に伴う高温型の燃料電池の劣化を防止した燃料電池及び燃料電池の停止時冷却方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る燃料電池は、圧力容器と、前記圧力容器の内部に格納され、燃料ガス及び空気の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有する複数のカートリッジと、緊急停止時に前記圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧する水スプレー手段と、を備えていることを特徴とするものである。

このような燃料電池によれば、緊急停止時に前記圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧する水スプレー手段を備えているので、燃料電池の緊急停止時には、圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、スプレー水の蒸発熱で容器内雰囲気を急速に温度低下させることができる。

この場合、前記水スプレー手段は、前記圧力容器の内部に配設された複数の水噴霧ノズルと、該水噴霧ノズルに容器外の水源から給水する水供給配管と、緊急停止時に開動作する給水元弁と、を備えていることが好ましい。
そして、給水元弁を圧力容器内の水噴霧ノズル近傍等に設置すれば、水供給配管内の水を予め加熱しておくことができるため、低温のスプレー水供給量を最小限に抑えることができる。この結果、圧力容器内にあって温度の高い水供給配管や水噴霧ノズルに対し、低温のスプレー水が突然供給されることを防止できるので、急激な温度低下による熱衝撃で破損することを防止できる。また、このような熱衝撃対策としては、水噴霧に使用する水を無停電電源装置（ＵＰＳ）で作動する電気ヒータにより加熱して使用してもよい。

本発明に係る燃料電池の停止時冷却方法は、圧力容器と、前記圧力容器の内部に格納され、燃料ガス及び空気の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有する複数のカートリッジとを備えている燃料電池の停止時冷却方法であって、緊急停止時に前記圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、前記スプレー水の蒸発熱で前記容器内雰囲気を温度低下させることを特徴とするものである。

このような燃料電池の停止時冷却方法によれば、緊急停止時に圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、スプレー水の蒸発熱で容器内雰囲気を温度低下させるので、圧力容器内の冷却速度が上昇する。このため、燃料局側で使用していた窒素ガスを全く使用しなくても、あるいは、使用する窒素ガス量を低減しても、燃料電池が劣化しやすい高温の温度領域を速やかに通過して温度低下させることが可能になる。

上述した本発明によれば、燃料電池が劣化しやすい高温の温度領域を速やかに通過して温度低下させることができるので、運転停止時の劣化防止対策として必要だった窒素ガスの保有量を低減またはなくすことができる。この結果、今後の燃料電池大型化において、大規模な窒素ガス供給設備の設置や大量の窒素ガス使用に係わるイニシャルコストやランニングコストを低減することが可能になる。

本発明に係る燃料電池及び燃料電池の停止時冷却方法の一実施形態を示す図であり、（ａ）は燃料電池の圧力容器内部構造及び水スプレー手段を示す水平断面図、（ｂ）は圧力容器内に格納されたカートリッジの内部構造及び水スプレー手段を示す縦断面図である。 カートリッジ（ＳＯＦＣモジュール）の概要を示す縦断面図である。 燃料電池の停止時（トリップ時）において、カートリッジ内の上部管板温度及び下部管板温度の温度変化を経過時間とともに示す図である。

以下、本発明に係る燃料電池及び燃料電池の冷却方法について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の燃料電池（以下、ＳＯＦＣ）１は、圧力容器２と、圧力容器２の内部に格納され、燃料ガス及び空気の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する複数のカートリッジ（ＳＯＦＣモジュール）１０と、緊急停止時に圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧する水スプレー装置（水スプレー手段）３０と、を備えている。なお、図示の構成例においては、圧力容器２の内部に１６セットのカートリッジ１０を配列しているが、カートリッジ１０の形状等も含めて特に限定されることはない。すなわち、以下において、カートリッジ１０に搭載されるセルスタックを円筒型セルスタック（セルチューブ）として説明するが、必ずしもこれに限定されることはなく、平板型のセルスタックを搭載するカートリッジにも適用可能である。

ＳＯＦＣ１のカートリッジ１０は、たとえば図２に示すように、容器１１の内部空間が上下方向を５分割されている。容器１１内に形成された分割空間は、上から順に燃料供給室１２，空気排出室１３、発電室１４、空気供給室１５及び燃料排出室１６である。
燃料供給室１２と空気排出室１３との間は、金属製の上部管板１７により仕切られている。空気排出室１３と発電室１４との間は上部断熱材１８で仕切られ、発電室１４と空気供給室１５との間は下部断熱材１９により仕切られている。空気供給室１５と燃料排出室１６との間は、金属製の下部管板２０により仕切られている。

セルチューブ２１は、上端部近傍を上部管板１７に支持されるとともに、下端部近傍を下部管板２０に支持されて、複数本が容器１１内の上下方向に設置されている。各セルチューブ２１は、発電室１４内の領域に複数の燃料電池セル２２が上下方向に配置され、上端部が燃料供給室１２に開口するとともに、下端部が燃料供給室１６に開口している。ここで、燃料電池セル２２は、燃料極と電解質と空気極とを有するものである。また、隣り合う燃料電池セル２２は、インターコネクタによって電気的に接続されている。

セルチューブ２１が上部断熱材１８及び下部断熱材１９を貫通する貫通孔１８ａ，１９ａの内径は、セルチューブ２１の外径より大きな値とされる。
このため、空気供給室１５に供給された空気は、貫通孔１９ａを通って発電室１４に流入し、この発電室１４で燃料供給室１２から供給されてセルチューブ２１内を流れる燃料ガスと電気化学的に反応して発電する。発電室１４で発電に使用された空気は、貫通孔１８ａを通って空気排出室１３へ流れ込んだ後、排出空気としてカートリッジ１０の外部へ流出する。また、発電室１４で発電に使用された燃料ガスは、排燃料として燃料排出室１６からカートリッジ１０の外部へ流出する。

水スプレー装置３０は、圧力容器２の内部に配設された複数の水噴霧ノズル３１と、水噴霧ノズル３１に容器外の水源（不図示）から給水する水供給配管３２と、緊急停止時に開動作する給水元弁（不図示）と、を備えている。この水スプレー装置３０は、ＳＯＦＣ１の緊急停止時に圧力容器２の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、このスプレー水が蒸発する際に周囲から蒸発熱を奪うことで、圧力容器２内の雰囲気を温度低下させるものである。

具体的に説明すると、圧力容器２の内部には、周囲を断熱材３で覆われたカートリッジ１０が配設されている。そこで、水供給配管３２及び水噴霧ノズル３１は、断熱材３の外周部からカートリッジ１０の外側空間へ向けてスプレー水を噴霧するように配置されている。すなわち、圧力容器２の容器内雰囲気は、断熱材で覆われたカートリッジ１０の外側に形成された内部空間の空気温度を意味している。

図示の構成例では、圧力容器２が横長の円形断面ドラムとされ、長手方向に１６セットのカートリッジ１０を並べた配置となっている。そこで、カートリッジ１０の上面及び下面に各々２本（合計４本）の水供給配管３２を長手方向に通し、各水供給配管３２に等ピッチで８個（合計３２個）の水噴霧ノズル３１を取り付けている。ここで使用する水噴霧ノズル３１は、噴霧したスプレー水の蒸発熱（潜熱）を利用して容器内雰囲気の温度を低下させるものであるから、比較的細かい水滴を霧状に噴霧するものが望ましい。
なお、水供給配管３２及び水噴霧ノズル３１の数については、図示の構成に限定されるものではない。

このように構成されたＳＯＦＣ１は、緊急停止時に圧力容器２の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧する水スプレー装置３０を備えているので、ＳＯＦＣ１が何らかの理由で緊急停止すると、圧力容器２の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、スプレー水の蒸発熱で容器内雰囲気を急速に温度低下させることができる。

このとき、給水元弁の好適な位置は、熱衝撃対策として圧力容器２内でできるだけ水噴霧ノズル３１に近い位置とすることが望ましい。
すなわち、圧力容器２の内部は通常高温になっているので、圧力容器２の内部に配設された水噴霧ノズル３１や水供給配管３２も同様の高温状態にある。このため、高温状態の水供給配管３２に低温のスプレー水が供給されると、大きな温度差により供給配管３２等の破損が懸念される。従って、できるだけ多量のスプレー水を高水温の状態にしておくためには、スプレー水の噴霧時に開とする給水元弁が圧力容器２内で水噴霧ノズル３１の近傍にあることが望ましい。この結果、給水元弁まできているスプレー水も加熱を受けて温度上昇するので、ほとんど温度差のないスプレー水を確保することができる。

換言すれば、水供給配管３２内の水をできるだけ多量に予め加熱しておくことができる位置に給水元弁を設ければ、低温のスプレー水供給量を最小限に抑えることができ、従って、熱衝撃のリスクを低減することができる。
また、このような熱衝撃対策としては、たとえば水噴霧に使用する水を無停電電源装置（ＵＰＳ）で作動する電気ヒータとうにより、加熱して使用するようにしてもよい。

ここで、スプレー水の噴霧量について、試算の一例を示す。この試算においては、圧力容器２の内部に存在する雰囲気（内部雰囲気）の容積を５０ｍ^３、内部雰囲気の温度を４５０℃、内部雰囲気の圧力を０．３ＭPaと設定する。
この場合、内部雰囲気の容積内に存在する空気量は、下記の通りである。
ｎ（mol）＝３０００００×５０／８．３１４／７２３＝２４９５
従って、ｎ＝２４９５molの空気量は、重量にして７２Kgとなる。

この空気を４５０℃から２００℃まで冷却する場合、比熱を１kj／Kg／Kとすれば、取り去る熱量Ｑは、下記のように算出される。
Ｑ（Kj）＝７２×２５０×１＝１８０００
一方、水の蒸発潜熱を２４４１Kj／Kgとすれば、７２Kgの空気量を冷却するために必要な水量Ｗ（Kg）は、顕熱変化分を無視した場合、下記のように算出される。
Ｗ（Kg）＝１８０００／２４４１＝７．４
この結果、本試算によるスプレー水の必要量は、７Kg程度である。

この場合、水の潜熱を利用した冷却となるので、噴霧する水温については特に下げる必要はなく、成り行きの温度でよい。
また、スプレー水の噴霧により蒸発した７Kgの水蒸気と７２Kgの空気とが混合された場合、水蒸気濃度は１３％で露点は約５０℃となるから、５０℃まではドレン化しない。

ところで、ＳＯＦＣ１の緊急停止（トリップ）直後には、発電室１４の内部温度を速やかに冷却するため、発電室１４の空気側に冷却用の空気を供給する。この空気供給は、安価な送風ブロワ（非常用機器として保有）を用いて実施したいので、緊急停止直後は空気側、燃料側とも降圧処置を行う。なお、降圧処理を行うことで、空気側から燃料側への酸素侵入量も減少するため、燃料電池セル２２の耐酸化性が向上する。

一方、ＳＯＦＣ１の緊急停止後に温度上昇する発電室１４の両端部、すなわち絶縁部として機能する上部管板１７及び下部管板２０の温度上昇を抑えるために、燃料側への窒素ガス供給に代えて、上述した水スプレー装置３０を設置している。この結果、圧力容器２の容器内雰囲気温度を低く抑えることで、絶縁部の温度上昇を抑えることが可能になる。

上述したように、本実施形態のＳＯＦＣ１及びその冷却方法によれば、発電室１４内の温度を冷却する速度が上がることで、耐酸化性の低い８００〜９５０℃の領域を速やかに通過できるため、セルチューブ２１の再酸化損傷のリスクを抑えることができる。
すなわち、窒素ガスを用いた従来の冷却では、図３に実線で示すように、運転時の発電部温度（９５０℃）から経過時間とともに温度低下していく。このとき、上部管板１７及び下部管板２０は６００℃以下の状態にあり、燃料側窒素（Ｎ_２）ガス通気遮断まで窒素ガスを燃料側へ通気した場合、いったん温度上昇した後に温度降下している。

これに対し、上述した水スプレー装置３０により容器内雰囲気温度を低下させると、図３に二点鎖線で示すように、発電部温度が急速に温度低下し、耐酸化性の低い８００〜９５０℃の領域から短時間で温度低下する。従って、セルチューブ２１が高温で酸化雰囲気に曝される時間を短縮でき、この結果として、セルチューブ２１が酸化して劣化・損傷するリスクを低減できるようになり、窒素ガスのパージを不要とすることができる。

このように、上述したＳＯＦＣ１及びその停止時冷却方法によれば、緊急停止時に圧力容器２の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、スプレー水の蒸発熱で容器内雰囲気を温度低下させるので、圧力容器２内の冷却速度が上昇し、燃料局側で使用していた窒素ガスを全く使用しなくても、あるいは、使用する窒素ガス量を低減しても、ＳＯＦＣ１が劣化しやすい高温の温度領域を速やかに通過して温度低下させることが可能になる。

従って、運転停止時の劣化防止対策として必要だった窒素ガスの保有量を低減またはなくすことができ、この結果、今後の燃料電池大型化において、大規模な窒素ガス供給設備の設置や大量の窒素ガス使用に係わるイニシャルコストやランニングコストを低減することが可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ 圧力容器
１０ カートリッジ（ＳＯＦＣモジュール）
１１ 容器
１２ 燃料供給室
１３ 空気排出室
１４ 発電室
１５ 空気供給室
１６ 燃料排出室
１７ 上部管板
１８ 上部断熱材
１９ 下部断熱材
２０ 下部管板
２１ セルチューブ
３０ 水スプレー装置
３１ 水噴霧ノズル
３２ 水供給配管

Claims (3)

1. 圧力容器と、
   前記圧力容器の内部に格納され、燃料ガス及び空気の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有する複数のカートリッジと、
   緊急停止時に前記圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧する水スプレー手段と、
   を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記水スプレー手段は、前記圧力容器の内部に配設された複数の水噴霧ノズルと、該水噴霧ノズルに容器外の水源から給水する水供給配管と、緊急停止時に開動作する給水元弁と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 圧力容器と、前記圧力容器の内部に格納され、燃料ガス及び空気の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有する複数のカートリッジとを備えている燃料電池の停止時冷却方法であって、
   緊急停止時に前記圧力容器の容器内雰囲気にスプレー水を噴霧し、前記スプレー水の蒸発熱で前記容器内雰囲気を温度低下させることを特徴とする燃料電池の停止時冷却方法。
   

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