JP2013214403A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】試運転の際のシステムへのダメージを極力低減しながら、試運転時の作業者への負担を軽減する。
【解決手段】運転停止手段として、通常運転停止モードおよび即時停止モードに加えて、試運転停止モードを備える。試運転停止モードでは、発電出力を停止する（Ｍ１）とともに、燃料ガスおよび改質水の供給量を設定量まで絞り（Ｍ２）、それと同時に第２のタイマを起動し、ステップＭ３に移行して、第２のタイマで設定された特定時間が経過したかどうかを判断する。特定時間が経過したときには、ブザーを起動して（Ｍ４）試運転が終了したことを報知し、燃料ガスおよび改質水の供給を停止し、更に、空気の供給を停止する（Ｍ５）。これにより、待機している作業者に試運転が終了したことを知らせる。作業者は、燃料ガスの元栓を閉止するなどの処理を行って試運転停止に伴う作業を完了することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させる改質器と、その改質器からの改質ガスと空気とを反応させて発電するセルスタックとを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関し、特には、運転停止手法の改良に関する。

固体酸化物形燃料電池は、発電効率および排熱の利用面で優れるが、６００〜１０００℃と高温で動作するものであるため、運転停止に際して、高温のままにしておくと、燃料電池を構成する支持枠やセパレータといった構成材の材料であるニッケルなどの金属が酸化するダメージの問題があり、運転停止後の冷却に時間がかかる不都合があった。
従来、そのような運転停止時の冷却の問題と再起動の時間短縮を図るために、次のようなものが提案されている。

この従来例によれば、運転停止時において、燃料電池（セルスタック）から負荷への出力（発電出力）を停止し、発電部の温度（モジュール温度）が動作温度からガス供給を停止する温度になるまで、微量の燃料ガスと水蒸気を供給し、その後に燃料ガスと水蒸気の供給を停止し、発電部の温度が室温よりも高い温度のとき、すなわち、発電部の熱エネルギーが残存している状態で再起動するようにしている（特許文献１参照）。

特開２０１１−１９８７６８号公報

上述のように、通常の運転停止時において、発電部の温度（モジュール温度）が動作温度からガス供給を停止する温度になるまで、微量の燃料ガスと水蒸気を供給しているのは、燃料電池でのダメージを回避するためであり、結果として、燃料ガスと水蒸気の供給を停止するまでに６時間などのある程度の時間を要している。
一方、震災や不測の事故といった燃料ガス設備や水道設備などの供給源で問題を生じた場合には、システムの運転中であっても即時に運転を停止せざるを得ないため、燃料電池の構成材としては、そのような緊急時のダメージに対して、ある程度の回数耐えるようにはなっている。

しかしながら、例えば、売買される住宅において固体酸化物形燃料電池システムを設置する場合、使用場所に設置してから試運転をする必要がある。
ところが、その試運転の後、居住者が決まって実際に使用を開始するまでに期間があり、作業者は試運転終了後に燃料ガスなどの元栓を閉止しなければならない。しかも、設置が終わって試運転を終了しても、セルスタックの冷却のために微量の燃料ガスと水蒸気を６時間以上供給し続ける必要があり、冷却のための待機を余儀なくされ、必要以上に時間を要して作業者にかかる負担が大きい不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、試運転の際のシステムへのダメージを極力低減しながら、試運転時の作業者への負担を軽減できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させる改質器と、前記改質器からの改質ガスと空気とを反応させて発電するセルスタックと、前記改質器と前記セルスタックとを内包するモジュールの温度を制御上の代表温度として計測するモジュール温度センサとを備え、かつ、
運転停止手段として、
前記セルスタックによる発電出力を停止するとともに、燃料ガスおよび水の供給量を通常運転時の最少供給量以下の設定量まで減少させた後、前記モジュール温度センサで計測されるモジュール温度が設定温度以下になったときに燃料ガスおよび水の供給を停止し、更にその後設定時間経過後に空気の供給を停止する通常運転停止モードと、
前記セルスタックによる発電出力、燃料ガスおよび水ならびに空気の供給のいずれをも即座に停止する即時停止モードとを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記運転停止手段として、前記通常運転停止モードおよび即時停止モードに加えて、
前記セルスタックによる発電出力を停止するとともに、燃料ガスおよび水の供給量を通常運転時の最少供給量以下の設定量まで減少させた後、１５〜９０分の範囲で設定した特定時間経過後に燃料ガスおよび水ならびに空気の供給のいずれをも停止する試運転停止モードを備えたことを特徴としている。
燃料ガスおよび水ならびに空気の供給のいずれをも停止するまでの設定時間を１５〜９０分としているのは、１５分未満であると、セルスタックの温度が高温で、燃料電池の構成材などのシステムに与えるダメージが大きく、一方、９０分を超えると作業者が待機する時間が長くなって負担が大きくなるからである。

（作用・効果）
請求項１に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムの構成によれば、セルスタックでの運転停止後の温度変化が運転停止に伴って急激に低下することと、燃料電池の構成材に与えるダメージと温度との関係から、燃料ガスおよび水の供給量を通常運転時の最少供給量以下の設定量まで減少させて冷却運転する特定時間を１５分以上に設定することで、燃料電池の構成材などのシステムに与えるダメージを低減できることを見出した。一方、特定時間を長くすれば、燃料電池の構成材に与えるダメージを一層低減できるが、その最長時間を９０分とすることで、元栓の閉止などの最終処理を行う作業者の待機時間を短くできる。
したがって、試運転に際しては、試運転終了後に試運転停止モードとすることにより、試運転の際のシステムへのダメージを極力低減しながら、試運転時の作業者への負担を軽減できる。

請求項２に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムは、
前記試運転停止モードで特定時間経過したことに基づいて試運転終了を報知する報知手段を備えていることを特徴としている。

（作用・効果）
請求項２に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムの構成によれば、待機している作業者が、特定時間が経過したことを適切に知ることができるから、時間を常に気にせずに済み、試運転時の作業者への負担を一層軽減できる。

請求項３に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムは、
前記試運転停止モードでの特定時間を変更設定可能に構成してあることを特徴としている。

（作用・効果）
請求項３に係る発明の固体酸化物形燃料電池システムの構成によれば、作業者側で、待機できる時間の余裕に合わせて特定時間を変更できるから、作業者がスケジュールを組む上で便利であり、試運転時の作業者への負担を一層軽減できる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの実施例１の燃料電池の概略構成を示す全体構成図である。 実施例１のシステム構成を示すブロック図である。 実施例１の制御構成を示すブロック図である。 システムの運転および停止動作を示すフローチャ−トである。 常運転停止モード、試運転停止モードおよび即時停止モードそれぞれの処理動作を示すフローチャ−トである。 通常の運転停止に伴うモジュール温度の経時的変化を示すグラフである。 セルスタック温度とニッケル酸化率との相関を示すグラフ

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムの実施例１の燃料電池の概略構成を示す全体構成図であり、改質器１とセルスタック２とを内包するモジュール３に、燃焼触媒部４と熱交換器５が付設され、固体酸化物形燃料電池が構成されている。
燃焼触媒部４は、ハニカムやボールなどにプラチナなどの触媒を担持させて構成されている。

改質器１には、図２の固体酸化物形燃料電池システムのシステム構成のブロック図に示すように、脱硫器６が接続され、その脱硫器６に、開閉弁７および流量可変型の燃料ポンプ８を介して燃料ガスが供給されるように構成され、セルスタック２にはインバータなどのパワーコンディショナー９が接続されている。
これにより、燃料ガス中の付臭成分である硫黄分を除去した後に改質器１に供給し、燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させ、セルスタック２において改質ガスと空気とを反応させて発電し、発電電力をパワーコンディショナー９で安定した交流電流にして出力するようになっている。

セルスタック２と燃焼触媒部５との間にオフガス燃焼部１０が介装され、セルスタック２から排出されるオフガスを燃焼し、更に、オフガス燃焼部１０で燃焼しなかった微量の一酸化炭素や未燃の炭化水素といった残留物を含有する処理ガスを燃焼触媒部４で燃焼処理し、一酸化炭素や未燃の炭化水素などの有害成分を除去するようになっている。
熱交換器５では、オフガス燃焼部１０から燃焼触媒部４を通じて排出される高温排気ガスの熱を回収し、その回収排熱を改質器１などに供給するようになっている。

セルスタック２に、モジュール３の温度を制御上の代表温度として計測するモジュール温度センサ１１が付設され、そのモジュール温度センサ１１がコントローラ１２に接続されている。
室外に設置されているモジュール３の近傍のパネル（図示せず）に、システムを起動および停止する運転スイッチ１３、試運転停止スイッチ１４、即時停止スイッチ１５、時間設定器１６および試運転が終了したことを報知するブザー１７が付設されている（図３参照）。

図３の実施例１の制御構成のブロック図に示すように、運転スイッチ１３、試運転停止スイッチ１４、即時停止スイッチ１５および後述する試運転停止モードでの特定時間を変更設定する時間設定器１６がコントローラ１２に接続され、そのコントローラ１２に、パワーコンディショナー９と、ブザー１７および燃料ポンプ８と、改質器１への改質水の供給および停止を行う流量調整可能な給水弁１８と、空気の供給および停止を行う流量調整可能な給気弁１９とが接続されている。

コントローラ１３には、停止モード判断手段２０、発電出力停止指令手段２１、ガス量・給水量調節手段２２、比較手段２３、ガス・給水停止指令手段２４、第１のタイマ２５、給気停止指令手段２６および第２のタイマ２７が備えられている。
停止モード判断手段２０では、運転スイッチ１３、試運転停止スイッチ１４および即時停止スイッチ１５それぞれの操作に応じ、運転停止手段として、通常運転停止モード、試運転停止モード、即時停止モードのうちのいずれが選択されたかを判断するようになっている。

図４のシステムの運転および停止動作のフローチャ−トに示すように、運転スイッチ１３がＯＮかどうか、すなわち、固体酸化物形燃料電池システムの運転が開始されたかどうかを判断し（Ｓ１）、運転スイッチ１３がＯＮになって運転が開始されるに伴い、システムを起動・運転する（Ｓ２）。この運転開始に伴って、モジュール温度センサ１１で計測されるモジュール温度に基づき、それを制御上の代表温度として、燃料ガス、改質水および空気の供給量を制御するとともに発電出力を制御する。この制御については説明を省略するが、通常運転および試運転いずれの場合でも同じである。

次いで、ステップＳ３に移行し、運転スイッチ１３がＯＦＦかどうか、すなわち、通常運転が停止されたかどうかを判断する。ここで、通常運転が停止されたと判断したときには、ステップＳ４に移行して通常運転停止モードでの処理を行う。一方、停止されていないと判断したときには、ステップＳ５に移行して、試運転停止スイッチ１４がＯＮかどうか、すなわち、試運転が停止されたかどうかを判断する。ここで、試運転が停止されたと判断したときには、ステップＳ６に移行して試運転停止運転モードでの処理を行う。一方、停止されていないと判断したときには、ステップＳ７に移行して、即時停止スイッチ１５がＯＮかどうか、すなわち、即時停止かどうかを判断する。ここで、即時停止であると判断したときには、ステップＳ８に移行して即時停止モードでの処理を行う。

次に、上述した通常運転停止モード、試運転停止モードおよび即時停止モードそれぞれの処理動作につき、図３のブロック図および図５のフローチャ−トを用いて説明する。
（１）通常運転停止モード
図５の（ａ）に示すように、先ず、発電出力停止指令手段２１によりパワーコンディショナー９からの発電出力を停止する（Ｌ１）とともに、ガス量・給水量調節手段２２により燃料ポンプ８および給水弁１８を操作して燃料ガスおよび改質水の供給量を設定量まで絞り（Ｌ２）、ステップＬ３で、モジュール温度センサ１１で計測されるモジュール温度と設定温度とを比較手段２３で比較し、モジュール温度が設定温度になるまで（通常６時間程度）、燃料ガスおよび改質水の供給量を絞った状態を維持する。

モジュール温度が設定温度になったときには、ステップＬ３からステップＬ４に移行し、ガス・給水停止指令手段２４により燃料ポンプ８を停止するとともに給水弁１８を全閉にして、燃料ガスおよび改質水の供給を停止する。それと同時に第１のタイマ２５を起動し、例えば、１２時間など、第１のタイマ２５で設定されている時間が経過する（Ｌ５）まで空気を供給し続け、設定時間経過後に、給気停止指令手段２６により給気弁１９を全閉にして、空気の供給を停止する（Ｌ６）。

（２）試運転停止モード
図５の（ｂ）に示すように、先ず、発電出力停止指令手段２１によりパワーコンディショナー９からの発電出力を停止する（Ｍ１）とともに、ガス量・給水量調節手段２２により燃料ポンプ８および給水弁１８を操作して燃料ガスおよび改質水の供給量を設定量まで絞り（Ｍ２）、それと同時に第２のタイマ２７を起動し、ステップＭ３に移行して、第２のタイマ２７で設定された特定時間が経過したかどうかを判断する。

特定時間が経過したときには、ブザー１７を起動して（Ｍ４）試運転が終了したことを報知し、かつ、ガス・給水停止指令手段２４により燃料ポンプ８を停止するとともに給水弁１８を全閉にして、燃料ガスおよび改質水の供給を停止し、更に、給気停止指令手段２６により給気弁１９を全閉にして、空気の供給を停止する（Ｍ５）。
これにより、待機している作業者に試運転が終了したことを知らせる。作業者は、燃料ガスの元栓を閉止し、更に、必要に応じて電源を遮断したり、水道の元栓を閉止するなどの処理を行って試運転終了に伴う作業を完了することができる。

（３）即時停止モード
図５の（ｃ）に示すように、発電出力停止指令手段２１によりパワーコンディショナー９からの発電出力を停止し（Ｎ１）、かつ、ガス・給水停止指令手段２４により燃料ポンプ８を停止するとともに給水弁１８を全閉にして、燃料ガスおよび改質水の供給を停止し、更に、給気停止指令手段２６により給気弁１９を全閉にして、空気の供給を停止する（Ｎ２）。

試運転停止の際に第２のタイマ２７において設定する特定時間としては、１５〜９０分の範囲の時間が設定される。これは、セルスタック２の温度変化とセルスタック２の構成材のダメージとを考慮したものであり、次に説明する。
図６は、通常の運転停止に伴うモジュール温度の経時的変化を示すグラフであり、図７は、セルスタック温度とニッケル酸化率との相関を示すグラフである。これらのグラフから、運転停止後１５分経過した時点でモジュール温度ＡがＴ２に近い温度まで低下しており、９０分経過した時点ではモジュール温度がＴ２とＴ３の中間温度以下まで低下していることがわかる。一方、ニッケル酸化率においては、セルスタック２の温度がＴ１からＴ２に低下するに伴って急激に減少し、更に、セルスタック２の温度がＴ３に低下するに伴って急激に減少していることがわかる。
上記結果から、特定時間として１５〜９０分の範囲の時間を設定することで、セルスタック２の構成材のダメージを低減できることが明らかである。また、４５分経過した時点ではモジュール温度がＴ２よりも低い温度まで低下しており、上記特定時間として４５〜９０分に設定する方がより好ましいことが明らかである。

上記実施例では、試運転が終了したことを報知するのに、ブザー１７を設けているが、ブザー１７に代えて点滅ランプなどを設けるとか、あるいは、両者を設けるようにしても良く、それらをして報知手段と総称する。

１…改質器
２…セルスタック
３…モジュール
１１…モジュール温度センサ
１３…運転スイッチ
１４…試運転停止スイッチ
１５…即時停止スイッチ
１６…時間設定器
１７…ブザー（報知手段）

Claims (3)

1. 燃料ガスを水蒸気改質して水素と一酸化炭素とを含む改質ガスに変化させる改質器と、前記改質器からの改質ガスと空気とを反応させて発電するセルスタックと、前記改質器と前記セルスタックとを内包するモジュールの温度を制御上の代表温度として計測するモジュール温度センサとを備え、かつ、
   運転停止手段として、
   前記セルスタックによる発電出力を停止するとともに、燃料ガスおよび水の供給量を通常運転時の最少供給量以下の設定量まで減少させた後、前記モジュール温度センサで計測されるモジュール温度が設定温度以下になったときに燃料ガスおよび水の供給を停止し、更にその後設定時間経過後に空気の供給を停止する通常運転停止モードと、
   前記セルスタックによる発電出力、燃料ガスおよび水ならびに空気の供給のいずれをも即座に停止する即時停止モードとを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記運転停止手段として、前記通常運転停止モードおよび即時停止モードに加えて、
   前記セルスタックによる発電出力を停止するとともに、燃料ガスおよび水の供給量を通常運転時の最少供給量以下の設定量まで減少させた後、１５〜９０分の範囲で設定した特定時間経過後に燃料ガスおよび水ならびに空気の供給のいずれをも停止する試運転停止モードを備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記試運転停止モードで特定時間経過したことに基づいて試運転終了を報知する報知手段を備えている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記試運転停止モードでの特定時間を変更設定可能に構成してある請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

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