JP2017117550A - Fuel cell cartridge, fuel cell module, and control device and control method of fuel cell cartridge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池カートリッジ、及び、これを備えた燃料電池モジュール、並びに、燃料電池カートリッジの制御装置及び制御方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell cartridge, a fuel cell module including the same, and a control device and a control method for the fuel cell cartridge.
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池(So1id Oxide Fuel Cell:SOFC)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、例えば、水素(H2)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)などの炭化水素系ガス、都市ガス,天然ガス,石油,メタノール,石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このようなSOFCは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約700〜1000℃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いる(特許文献1〜4参照)。 There is known a fuel cell that generates electric power by chemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas. Among these, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ). It is a fuel cell that is operated using as a fuel a gas produced from a carbonaceous raw material such as hydrocarbon gas such as hydrocarbon gas, city gas, natural gas, petroleum, methanol, and coal gasification gas by a gasification facility. Such an SOFC has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase the ionic conductivity, and is known as a high-efficiency high-temperature fuel cell that is versatile (see Patent Documents 1 to 4).
このようなSOFCを、例えばマイクロガスタービン(以下、「MGT」と呼ぶ)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このMGTでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をSOFCの空気極に供給するとともに、SOFCから排出される高温の排燃料ガスを、ブロワを介してMGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでMGTのタービンを回転させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。 A combined power generation system in which such an SOFC is combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”) has been developed. In this MGT, the compressed air discharged from the compressor is supplied to the SOFC air electrode, and the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC is supplied to the MGT combustor via the blower for combustion, and combustion is performed. By rotating the MGT turbine with the combustion gas generated in the generator and rotating the generator, it is possible to generate power with high power generation efficiency.
また、このようなSOFCを、GTCC(ガスタービンコンバインドサイクル)に組み合わせたトリプルコンバインドサイクルの開発も進められている。GTCCは、ガスタービンの高い排ガスエネルギーを排ガスボイラと蒸気タービンで熱回収するシステムを有するガスタービンと排ガスボイラ,蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルであり、高いプラント効率を達成することが可能とされている。このGTCCのトッピング側(ガスタービンの上流側)にさらにSOFCを組み合わせてトリプルコンバインドサイクルとすることで、より高いプラント効率を達成することが可能とされる。 Development of a triple combined cycle in which such SOFC is combined with GTCC (gas turbine combined cycle) is also underway. GTCC is a combined cycle that combines a gas turbine, an exhaust gas boiler, and a steam turbine that have a system that recovers heat from the high exhaust gas energy of the gas turbine using an exhaust gas boiler and a steam turbine, and is capable of achieving high plant efficiency. Yes. It is possible to achieve higher plant efficiency by combining a SOFC with the GTCC topping side (upstream side of the gas turbine) to form a triple combined cycle.
ところで、SOFCは、通常、断熱材を含むケーシング内に、複数の燃料電池カートリッジを備えた燃料電池モジュールとして構成される。燃料電池カートリッジは、複数の燃料電池セルスタックを燃料ガスや酸化性ガスの供給に対して並列に集合させ、これらの一端側に酸化性ガス供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダを設け、他端側に酸化性ガス排出ヘッダ及び燃料供給ヘッダを設けて構成される。燃料を燃料電池セルスタックの内部の他端側から一端側に、酸化性ガスを燃料電池セルスタックの周囲の一端側から他端側に、それぞれ流通させながら、燃料と酸化性ガスとの反応により発電を行なう。 By the way, SOFC is normally comprised as a fuel cell module provided with the some fuel cell cartridge in the casing containing a heat insulating material. In the fuel cell cartridge, a plurality of fuel cell stacks are assembled in parallel to the supply of fuel gas and oxidizing gas, and an oxidizing gas supply header and a fuel discharge header are provided on one end side thereof, and the other end side is oxidized. A gas exhaust header and a fuel supply header are provided. By allowing the fuel to flow from one end side to the other end inside the fuel cell stack and oxidizing gas from one end to the other end around the fuel cell stack, Generate electricity.
SOFCでは、各燃料電池セルスタックの発電時における発電部の温度は、性能,耐久性の観点から一般的には700〜1000℃程度とされるが、燃料電池の発電反応は発熱反応である。このため、発電出力を向上させようとすれば、燃料電池セルスタックの発電部の温度上昇を更に招きながらセルスタックの各部温度が上昇することになり、発電部の温度の上昇に伴い燃料電池カートリッジの各構成機器の温度が上昇する。そこで、この温度上昇により燃料電池カートリッジの各構成機器の破損を生じないように配慮する必要がある。そこで、燃料電池カートリッジの発電出力を向上させるには、燃料電池セルスタックの発電部の温度管理が必要になる。 In SOFC, the temperature of the power generation unit during power generation of each fuel cell stack is generally about 700 to 1000 ° C. from the viewpoint of performance and durability, but the power generation reaction of the fuel cell is an exothermic reaction. Therefore, if an attempt is made to improve the power generation output, the temperature of each part of the cell stack will rise while further increasing the temperature of the power generation part of the fuel cell stack, and as the temperature of the power generation part rises, the fuel cell cartridge The temperature of each component device increases. Therefore, it is necessary to consider that the components of the fuel cell cartridge are not damaged due to the temperature rise. Therefore, in order to improve the power generation output of the fuel cell cartridge, it is necessary to manage the temperature of the power generation unit of the fuel cell stack.
これに関し、特許文献3には、バイパス燃料流路を設けて燃料電池セルスタックの集合体の高温部に未改質燃料を含むガスを供給することにより、発電部での温度分布を減少させ、発電システムの効率を高めようとする構成が記載されている。
特許文献4には、燃料電池セルスタックの支持体にニッケルが配置されるが、上流側の支持体にはニッケルが配置されず、中間域の支持体にニッケルが少量配置され、下流側の支持体に中間域よりも多くニッケルが配置されており、燃料ガス通路上流では極力シフト反応を起こさず、下流でシフト反応をさせる構成が記載されている。
In this regard, Patent Document 3 provides a bypass fuel flow path to supply a gas containing unreformed fuel to the high temperature part of the fuel cell stack assembly, thereby reducing the temperature distribution in the power generation part, A configuration for increasing the efficiency of the power generation system is described.
In Patent Document 4, nickel is disposed on the support of the fuel cell stack, but nickel is not disposed on the upstream support, a small amount of nickel is disposed on the intermediate support, and the downstream support. A structure is described in which more nickel is disposed in the body than in the intermediate region, and a shift reaction is not caused as much as possible upstream of the fuel gas passage, but is caused downstream.
また、従来より、燃料電池カートリッジでは、複数の燃料電池セルスタックにより構成されており、燃料電池カートリッジ内での温度を均一化させる工夫が行なわれている。燃料電池セルスタックへ供給される酸化性ガスおよび燃料ガスは、燃料電池セルスタックの両端部より長手方向に対向に流れるようにして、燃料電池セルスタック端部にて各々熱交換により昇温された後に各燃料電池セルにおける発電反応により消費される構成とし、また燃料電池カートリッジ内の各燃料電池セルスタックへは燃料ガス及び酸化性ガスは、均等に分配されるように構成されて、各燃料電池セルスタックが均等に発電を行なうよう配慮されており、燃料電池セルスタックの温度分布も均一となるようにしている。 Conventionally, a fuel cell cartridge is composed of a plurality of fuel cell stacks, and a device for making the temperature uniform in the fuel cell cartridge has been devised. The oxidizing gas and the fuel gas supplied to the fuel cell stack were heated by heat exchange at the ends of the fuel cell stack so that they flow in opposite directions in the longitudinal direction from both ends of the fuel cell stack. Each fuel cell is configured to be consumed later by a power generation reaction in each fuel cell, and the fuel gas and the oxidizing gas are equally distributed to each fuel cell stack in the fuel cell cartridge. The cell stack is designed to generate power evenly, and the temperature distribution of the fuel cell stack is also made uniform.
しかしながら、実際の各燃料電池セルスタックにおいては、電気化学的な発電反応により発熱が加わり発電部(各燃料電池セル)の温度は上昇するが、燃料電池セルスタックの長手方向両端部分においては発電部が無いため発熱が生じない。また、燃料電池セルスタック端部ほどカートリッジの外部へと放熱されやすいため冷却が促進される。このため、燃料電池セルスタック中央部は発電部の発電反応時の発熱と周囲へ放熱されにくいことのために相対的に温度が上昇して高温となりやすく、燃料電池セルスタックの両端側は中央部に比べて相対的に温度の上昇が少なくなり、燃料電池セルスタック長手方向で温度差が発生する一要因となる。 However, in each actual fuel cell stack, heat is generated by an electrochemical power generation reaction, and the temperature of the power generation unit (each fuel cell) rises. However, the power generation unit is disposed at both longitudinal ends of the fuel cell stack. There is no heat generation. In addition, since the end of the fuel cell stack tends to dissipate heat to the outside of the cartridge, cooling is promoted. For this reason, the temperature of the fuel cell stack is relatively high due to the heat generated during the power generation reaction of the power generation unit and the fact that it is difficult to dissipate to the surroundings. As a result, the temperature rise is relatively less than that of the fuel cell stack, which is one factor that causes a temperature difference in the longitudinal direction of the fuel cell stack.
さらに、燃料電池カートリッジ内では、燃料電池セルスタックの長手方向で温度差が発生するだけではなく、複数の燃料電池セルスタック間(セルスタック長手方向に垂直なセルスタック並面方向)でも温度差が発生する。特に、燃料電池カートリッジは周囲への熱量の放散があるために、燃料電池カートリッジ内では燃料電池セルスタック並面方向にて、中央付近の燃料電池セルスタックは、燃料電池カートリッジの周囲付近の燃料電池セルスタックに対して相対的に温度が高い状況となり、各燃料電池セルスタック間の温度分布に不均一が生じることとなる。通常は、燃料電池カートリッジ内の各燃料電池セルスタックへは燃料ガス及び酸化性ガスは均等に分配されるように設定されて各燃料電池スタックが均等に発電を行なうよう配慮されているが、カートリッジの燃料電池セルスタック並面方向での中央付近の燃料電池セルスタックは、燃料電池カートリッジ内の並面方向での周囲にある燃料電池セルスタックに比べると、放熱が少ないため、燃料電池セルスタック間での温度差が生じる一要因となる。 Furthermore, in the fuel cell cartridge, not only does the temperature difference occur in the longitudinal direction of the fuel cell stack, but also there is a temperature difference between the fuel cell stacks (cell stack parallel plane perpendicular to the cell stack longitudinal direction). Occur. In particular, since the fuel cell cartridge dissipates heat to the surroundings, the fuel cell stack near the center of the fuel cell cartridge in the parallel direction of the fuel cell stack is the fuel cell near the periphery of the fuel cell cartridge. The temperature becomes relatively high with respect to the cell stack, and the temperature distribution between the fuel cell stacks becomes uneven. Normally, the fuel gas and the oxidizing gas are set to be equally distributed to each fuel cell stack in the fuel cell cartridge so that each fuel cell stack generates power evenly. The fuel cell stack near the center in the parallel surface direction of the fuel cell stack has less heat radiation than the fuel cell stacks in the parallel surface direction in the fuel cell cartridge. This is one factor that causes a temperature difference in
一方、燃料電池の電気化学的な発電反応は温度が高い領域の方が低い領域に比べて、内部抵抗が小さくなるために電気化学反応が進み易くなり、更に温度が高くなる。逆に、温度の低い領域では電気抵抗も大きくなり電気化学的反応が低下して発電量が減少し、発熱による温度上昇も少なくなる。すなわち、燃料電池カートリッジの各燃料電池スタックの温度分布が均一でない状況において、発電量出力を増加させることにより、燃料電池カートリッジの温度上昇は均一ではなく、温度の高い領域はますます温度が高くなり温度分布が増加する可能性がある。そのため、各燃料電池スタックの長手方向での温度分布が増加し、燃料電池カートリッジの水平面方向での温度分布も増加することから、発電量出力を増加させるときに配慮する必要がある。 On the other hand, in the electrochemical power generation reaction of the fuel cell, the region where the temperature is high is lower than the region where the temperature is low. On the contrary, in the low temperature region, the electrical resistance increases, the electrochemical reaction decreases, the power generation amount decreases, and the temperature rise due to heat generation decreases. In other words, in a situation where the temperature distribution of each fuel cell stack of the fuel cell cartridge is not uniform, by increasing the power generation output, the temperature rise of the fuel cell cartridge is not uniform, and the high temperature region becomes increasingly hot. The temperature distribution may increase. Therefore, the temperature distribution in the longitudinal direction of each fuel cell stack increases, and the temperature distribution in the horizontal plane direction of the fuel cell cartridge also increases, so it is necessary to consider when increasing the power generation output.
燃料電池セルスタックの温度は、長手方向ならびに並面方向に中央付近の温度が高く周囲付近の温度が相対的に低い状況となっている。燃料電池セルスタックは温度が高いほど発電効率が良いが、耐熱性等の条件から設けられた上限温度を超えないように管理しなくてはならない。上記のように、カートリッジ中央付近の燃料電池セルスタックが最高温度となり、最高温度の上限を超えないよう制御を行なうと、中央部付近以外(燃料電池カートリッジ周辺部)の燃料電池セルスタックでは温度が低くなり発電効率が低下する。この温度分布をより均一に近づける(燃料電池カートリッジ内の燃料電池セルスタックを全体的に最高温度に近づける)ことにより、燃料電池カートリッジの性能を向上させることができる。温度分布をより均一に近づけるための手段としては、ヒータ等の温度制御用の機器を備えることも考えられるが、コストアップやスペースの拡大や、運転・制御の複雑化を招く。 The temperature of the fuel cell stack is such that the temperature near the center is high and the temperature near the surroundings is relatively low in the longitudinal direction and the parallel surface direction. The higher the temperature, the better the power generation efficiency of the fuel cell stack, but the fuel cell stack must be managed so as not to exceed the upper limit temperature set for heat resistance and other conditions. As described above, if the fuel cell stack near the center of the cartridge reaches the maximum temperature and control is performed so as not to exceed the upper limit of the maximum temperature, the temperature of the fuel cell stack near the center (the periphery of the fuel cell cartridge) Lowering power generation efficiency. The performance of the fuel cell cartridge can be improved by making the temperature distribution more uniform (making the fuel cell stack in the fuel cell cartridge as a whole approach the maximum temperature). As a means for making the temperature distribution more uniform, it may be possible to provide a temperature control device such as a heater, but this leads to cost increase, space expansion, and complicated operation and control.
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、コストアップやスペースの拡大、運転・制御の複雑化を招かないようにしながら燃料電池セルスタック間の温度分布をより均一にできるようにして発電効率を上昇させることができるようにした、燃料電池カートリッジ、及び、これを備えた燃料電池モジュール、並びに、燃料電池カートリッジの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。 The present invention was devised in view of such problems, so that the temperature distribution between the fuel cell stacks can be made more uniform while not increasing costs, expanding space, and complicating operation and control. An object of the present invention is to provide a fuel cell cartridge, a fuel cell module including the same, and a control device and a control method for the fuel cell cartridge that can increase the power generation efficiency.
(1)上記目的を達成するために、本発明の燃料電池カートリッジは、複数の燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルスタックの一端側に配置され、カートリッジ外部から供給された燃料ガスを前記燃料電池セルスタックの内部に供給する燃料ガス供給ヘッダと、前記複数の燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの内部から排出された燃料ガスを前記カートリッジ外部に排出する燃料ガス排出ヘッダと、を備え、前記複数の燃料電池セルスタックのうちの相対的に高温になる特定領域内の燃料電池セルスタックに前記カートリッジ外部から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段が装備されていることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a fuel cell cartridge according to the present invention includes a plurality of fuel cell stacks and a fuel gas that is disposed on one end side of the plurality of fuel cell stacks and is supplied from the outside of the cartridge. A fuel gas supply header for supplying the inside of the fuel cell stack and the other end of the plurality of fuel cell stacks, and discharging the fuel gas discharged from the inside of the fuel cell stack to the outside of the cartridge An inert gas supply means for supplying an inert gas from the outside of the cartridge to a fuel cell stack in a specific region that is relatively high in temperature among the plurality of fuel cell stacks. It is characterized by being equipped with.
(2)前記特定領域は、前記燃料電池カートリッジの軸方向に垂直な面方向の中央領域であると共に前記燃料電池カートリッジの軸方向の中央領域を、少なくとも一部に含むことが好ましい。 (2) Preferably, the specific region is a central region in a plane direction perpendicular to the axial direction of the fuel cell cartridge and includes at least a portion of the central region in the axial direction of the fuel cell cartridge.
(3)前記不活性ガス供給手段は、前記燃料ガス供給ヘッダ内の前記特定領域内に少なくとも一部を設置した燃料電池セルスタックに前記不活性ガスを供給するように対応した箇所に開口された不活性ガス供給孔を有することが好ましい。 (3) The inert gas supply means is opened at a position corresponding to supply the inert gas to a fuel cell stack in which at least a part is installed in the specific region in the fuel gas supply header. It is preferable to have an inert gas supply hole.
(4)前記不活性ガス供給手段は、前記特定領域内に少なくとも一部を設置した前記燃料電池セルスタックに設けた燃料ガス流路内に挿入された不活性ガス供給枝管を有することが好ましい。
(5)前記不活性ガス供給枝管の先端開口は、前記特定領域内の前記燃料電池セルスタックの前記燃料ガス流路内の流路方向の中間領域に配置されていることが好ましい。
(6)前記不活性ガスは、窒素ガス又は水蒸気を含むことが好ましい。
(4) It is preferable that the inert gas supply means has an inert gas supply branch pipe inserted into a fuel gas flow path provided in the fuel cell stack at least a part of which is installed in the specific region. .
(5) It is preferable that the tip opening of the inert gas supply branch pipe is disposed in an intermediate region in the flow direction in the fuel gas flow channel of the fuel cell stack in the specific region.
(6) The inert gas preferably contains nitrogen gas or water vapor.
(7)本発明の燃料電池モジュールは、モジュール容器内に、(1)〜(6)の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジを複数備えたことを特徴としている。 (7) The fuel cell module of the present invention is characterized in that a plurality of fuel cell cartridges according to any one of (1) to (6) are provided in a module container.
(8)本発明の燃料電池セルスタックの制御装置は、(1)〜(6)の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジにおける前記複数の燃料電池セルスタックを制御する制御装置であって、前記燃料ガス供給ヘッダへの前記燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、前記不活性ガス供給手段に装備されて前記不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、前記特定領域の温度を取得する温度取得手段と、前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得手段と、前記温度取得手段により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得手段により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御手段と、を有することを特徴としている。 (8) The control device for a fuel cell stack according to the present invention is a control device for controlling the plurality of fuel cell stacks in the fuel cell cartridge according to any one of (1) to (6), Fuel gas amount adjusting means for adjusting the amount of fuel gas supplied to the fuel gas supply header; and inert gas amount adjusting means for adjusting the amount of inert gas provided in the inert gas supplying means. A temperature acquisition means for acquiring the temperature of the specific area, a generated power acquisition means for acquiring power generated by the fuel cell cartridge, a temperature of the specific area acquired by the temperature acquisition means, and the generated power acquisition means. Based on the generated power acquired by the above, the fuel is maximized while maintaining the temperature of the specific region within a preset temperature range set in advance. It is characterized by having the scan amount adjusting means and a control means for the controlling the amount of inert gas adjusting means.
(9)本発明の燃料電池セルスタックの制御方法は、(1)〜(6)の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジにおける前記複数の燃料電池セルスタックを制御する制御方法であって、前記燃料ガス供給ヘッダへの燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、前記不活性ガス供給手段による不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、前記特定領域の温度を取得する温度取得工程と、前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得工程と、前記温度取得工程により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得工程により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御工程と、を有することを特徴としている。 (9) A method for controlling a fuel cell stack according to the present invention is a method for controlling the plurality of fuel cell stacks in the fuel cell cartridge according to any one of (1) to (6), A fuel gas amount adjusting means for adjusting a fuel gas supply amount to the fuel gas supply header; an inert gas amount adjusting means for adjusting an inert gas supply amount by the inert gas supply means; and A temperature acquisition step of acquiring a temperature, a generated power acquisition step of acquiring power generated by the fuel cell cartridge, a temperature of the specific region acquired by the temperature acquisition step, and the generated power acquisition step Based on the generated power, the fuel gas amount adjusting means keeps the temperature of the specific region in a preset temperature range set in advance and maximizes the generated power. It is characterized by and a control step of controlling said inert gas amount adjusting means.
本発明によれば、複数の燃料電池セルスタックのうちの相対的に高温になる特定領域内の燃料電池セルスタックの燃料ガス供給側にカートリッジ外部から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段が装備されるので、特定領域内の燃料電池セルスタックにおいては、不活性ガスが供給される分だけ燃料ガスの供給量が低減され、発電電力が減少すると共に発電による発熱量も減少され、温度が低下する。
複数の燃料電池セルスタックによる発電時には、何れの燃料電池セルスタックの温度も上限温度内になるように燃料ガスの供給量を制限するため、複数の燃料電池セルスタックによる発電電力は、相対的に高温になる燃料電池セルスタックの温度によって制限されるが、相対的に高温になる燃料電池セルスタックには不活性ガスが供給されることにより温度が低下し、燃料電池セルスタック間の温度分布が均一化されるので、複数の燃料電池セルスタックに供給する燃料ガスの供給量を増加させて従来よりも多くの燃料電池セルスタックの温度を上限温度に近い温度で均一化できるため、全体での発電電力を増大させ、発電効率を上昇させることができる。
According to the present invention, the inert gas supply means for supplying the inert gas from the outside of the cartridge to the fuel gas supply side of the fuel cell stack in the specific region where the temperature is relatively high among the plurality of fuel cell stacks. Since the fuel cell stack in a specific region is equipped, the amount of fuel gas supplied is reduced by the amount of inert gas supplied, the generated power is reduced and the amount of heat generated by power generation is reduced. descend.
When power is generated by a plurality of fuel cell stacks, the amount of fuel gas supplied is limited so that the temperature of any fuel cell stack is within the upper limit temperature. Although it is limited by the temperature of the fuel cell stack that becomes high temperature, the temperature is lowered by supplying inert gas to the fuel cell stack that becomes relatively high temperature, and the temperature distribution between the fuel cell stacks is Since the fuel gas supplied to a plurality of fuel cell stacks is increased, the number of fuel cell stacks can be made uniform at a temperature close to the upper limit temperature. The generated power can be increased and the power generation efficiency can be increased.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
ここでは、第1実施形態及び第2実施形態の2つの実施形態を説明するが、はじめに図1〜図5を参照して、各実施形態に共通する燃料電池モジュール,燃料電池カートリッジ及び燃料電池セルスタックについて説明する。その後、図2を参照して第1実施形態に係る燃料電池カートリッジを説明し、更に、図4,図5を参照して第1実施形態に係る燃料電池セルスタックの制御を説明する。その後、図6を参照して第2実施形態に係る燃料電池カートリッジを説明する。なお、第1実施形態及び第2実施形態に共通な構成の説明では、各実施形態を区別せずに、単に、実施形態と言う。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)について、燃料電池セルをSOFCセルと、燃料電池セルスタックをセルスタックと、燃料電池カートリッジをSOFCカートリッジと、燃料電池モジュールをSOFCモジュールとも言う。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Here, two embodiments of the first embodiment and the second embodiment will be described. First, referring to FIGS. 1 to 5, a fuel cell module, a fuel cell cartridge, and a fuel cell that are common to the embodiments. The stack will be described. Thereafter, the fuel cell cartridge according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 2, and further, control of the fuel cell stack according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. Thereafter, the fuel cell cartridge according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In the description of the configuration common to the first embodiment and the second embodiment, each embodiment is simply referred to as an embodiment without distinguishing each embodiment.
Further, in the following, for a solid oxide fuel cell (SOFC), the fuel cell is also referred to as an SOFC cell, the fuel cell stack as a cell stack, the fuel cell cartridge as an SOFC cartridge, and the fuel cell module as an SOFC module. .
[1.各実施形態のSOFCモジュール,SOFCカートリッジ,セルスタック]
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、セルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
[1. SOFC module, SOFC cartridge, cell stack of each embodiment]
In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is specified using the expressions “upper” and “lower” on the basis of the paper surface, but this is not necessarily limited to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction in the vertical direction. Moreover, you may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a perpendicular direction.
In the following, a cylindrical shape is described as an example of the cell stack, but it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used.
(円筒形セルスタックの構造)
まず、図3を参照して各実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図3は、各実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成されたSOFCセル105と、隣り合うSOFCセル105の間に形成されたインターコネクタ107とを有する。SOFCセル105は、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数のSOFCセル105の内、基体管103の軸方向において最も端に形成されたSOFCセル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を有する。
(Cylindrical cell stack structure)
First, the cylindrical cell stack according to each embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 3 shows one mode of the cell stack according to each embodiment. The
(セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明)
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4とされる。この基体管103は、SOFCセル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
(Explanation of materials and functions of each component of cell stack)
The
燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成するものである。なお、SOFCセル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
The
固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するYSZが主として用いられる。この固体電解質111は、空気極で生成される酸素イオン(O2−)を燃料極109に移動させるものである。
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成するものである。
The
The
インターコネクタ107は、SrTiO3系などのM1−xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ107は、隣り合うSOFCセル105において、一方のSOFCセル105の空気極113と他方のSOFCセル105の燃料極111とを電気的に接続し、隣り合うSOFCセル105同士を直列に接続するものである。
The
リード膜115は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタにより直列に接続される複数のSOFCセル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。
Since the
(SOFCモジュールの構造と各要素の機能の説明)
次に、図1と図2とを参照して各実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。
SOFCモジュール201は、図1に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器(モジュール容器)205とを有する。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給主管207と複数の燃料ガス供給枝管207aとを有する。燃料ガス供給主管207と複数の燃料ガス供給枝管207aとを合わせたものを燃料ガス供給管とする。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス排出主管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを有する。燃料ガス排出主管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを合わせたものを燃料ガス排出管とする。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給主管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)とを有する。酸化性ガス供給主管と酸化性ガス供給枝管とを合わせたものを酸化性ガス供給管とする。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス排出主管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを有する。酸化性ガス排出主管と酸化性ガス排出枝管とを合わせたものを酸化性ガス排出管とする。
(Description of SOFC module structure and function of each element)
Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to each embodiment will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
As illustrated in FIG. 1, the
燃料ガス供給主管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを矢印Gで示すように供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給主管207は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給主管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給主管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。
The fuel gas supply
燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出主管209に接続されている。この燃料ガス供給枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出主管209に導くものである。また、燃料ガス排出主管209は、複数の燃料ガス供給枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出主管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。
The fuel gas
圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPaへの耐力のある構造と材質からなり、SOFCカートリッジ203との間に断熱材を適切に設けるなどして圧力容器205の温度が上昇することを抑制して、一般用構造部材(例えばSS400)が使用できる。また、圧力容器205の小型化などで、への耐力のある構造と材質からなり、SOFCカートリッジ203との間に断熱材を適切に設けるなどして圧力容器205の温度が上昇することを抑制して、一般用構造部材(例えばSS400)が使用できる。また、圧力容器205の小型化などで、内部の温度が約400℃〜約550℃へと上昇する場合は、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用され、例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。
The
ここで、各実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。
Here, in each of the embodiments, a mode has been described in which a plurality of
SOFCカートリッジ203は、図2に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給ヘッダ(燃料ガス供給室)217と、燃料ガス排出ヘッダ(燃料ガス排出室)219と、酸化性ガス供給ヘッダ(酸化性ガス供給室)221と、酸化性ガス排出ヘッダ(酸化性ガス排出室)223とを有する。複数のセルスタック101は並列に集合され装備される。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを有する。なお、各実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給ヘッダ217と燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221と酸化性ガス排出ヘッダ223とが図2に示すように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
As shown in FIG. 2, the
発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101のSOFCセル105が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行なう領域である。また、この発電室215のセルスタック101の長手方向の中間部分が発電を行なう発電部となり、セルスタック101の長手方向の中央部付近での温度は、発電による発熱によって、燃料電池モジュール201の定常運転時に、およそ700〜1000℃程度の高温雰囲気となる。
The
燃料ガス供給ヘッダ217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給ヘッダ217は、上部ケーシング229aに備えられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、燃料ガス供給ヘッダ217には、セルスタック101の一方の端部が、セルスタック101の基体管105の内部が燃料ガス排出ヘッダ219に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給ヘッダ217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管105の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。
The fuel
燃料ガス排出ヘッダ219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出ヘッダ219は、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、燃料ガス排出ヘッダ219には、セルスタック101の他方の端部が、セルスタック101の基体管105の内部が燃料ガス排出ヘッダ219に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管105の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。
The fuel
SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部支持体227bとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給ヘッダ221は、下部ケーシング229bに備えられた酸化性ガス供給孔233aによって、酸化性ガス供給管の酸化性ガス供給枝管(不図示)と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ221は、酸化性ガス供給管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。
Corresponding to the power generation amount of the
酸化性ガス排出ヘッダ223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部支持体227aとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出ヘッダ223は、上部ケーシング229aに備えられた酸化性ガス排出孔233bによって、酸化性ガス排出管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して燃料ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出管に導くものである。
The oxidizing
上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ217と酸化性ガス排出ヘッダ223とを隔離するものである。
The
下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。
The
上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング227aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを有する。
The
この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出ヘッダ223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ223に導くものである。
The
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管105の内部を通って発電室105に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。
According to the present embodiment, the structure of the
下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、上部ケーシング227aの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを有する。
The
この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給ヘッダ221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給ヘッダ233に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。
The
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管105の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。
According to the present embodiment, the structure of the
発電室215で発電された直流電力は、複数のSOFCセル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部(カートリッジ外部)へと取り出される。前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
The DC power generated in the
[2.第1実施形態]
次に、第1実施形態のSOFCカートリッジを説明する。
(SOFCカートリッジの構成)
図2に示すように、SOFCカートリッジ203において、燃料ガス供給ヘッダ217の上部ケーシング229aには、その水平面の中央領域に、外部から不活性ガスAGを供給する不活性ガス供給孔11が備えられていて、図2の断面図では水平長手方向(図2における左右方向)の略中央に不活性ガス供給孔11が備えられている。また、燃料ガス供給孔231aは、中央領域にある不活性ガス供給孔11に対して、周囲領域から燃料ガス供給ヘッダ217内に燃料ガスFGを供給できるように設けられている。図2の断面図に示す例では燃料ガス供給ヘッダ217の水平長手方向の左右にそれぞれ設けられている。燃料ガスの供給方向は紙面上方向から供給されているが、これに限定されなく例えば水平横方向から供給されても良い。
[2. First Embodiment]
Next, the SOFC cartridge of the first embodiment will be described.
(Configuration of SOFC cartridge)
As shown in FIG. 2, in the
不活性ガス供給孔11には、図示しない不活性ガス供給管が接続されており、不活性ガス供給管は圧力容器205の外部の不活性ガスタンク等の不活性ガス供給源(図示略)から配管されており、不活性ガス供給管の圧力容器205の外部にある部分には、不活性ガスの流量を調整する弁である不活性ガス量調整弁(不活性ガス量調整手段)12(図4参照)が備えられている。不活性ガス供給源,不活性ガス供給管,流量調整弁12,不活性ガス供給孔11等から不活性ガス供給装置(不活性ガス供給手段)10が構成されている。
An inert gas supply pipe (not shown) is connected to the inert
セルスタック101のSOFCセル105の発電部における発電反応は、燃料極109で供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質し、また、燃料極109は、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)に対して、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)と電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成し、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。また、電気化学的な反応に併せて一部は熱エネルギとなり発熱してSOFCセル105の温度の上昇効果があり、一方ではメタン(CH4)と水蒸気(H2O)との混合ガスによる改質反応では吸熱してSOFCセル105の温度の低減効果があり、さらには酸化性ガスとの熱交換や周囲構造物への伝熱によるSOFCセル105の温度の低減効果があり、これら発熱と吸熱と伝熱などの結果として、SOFCセル105の温度が上昇したり低下したりする。
The power generation reaction in the power generation unit of the
ここで、SOFCカートリッジ203の燃料ガス供給ヘッダ217の上部ケーシング229aの水平面の中央領域に供給する不活性ガスは、セルスタック101の発電部における電気化学的な発電反応の原料として直接的には寄与しないガスであり、セルスタック101にこの不活性ガスが供給されると、その分だけセルスタック101に供給される燃料ガスの量(電気化学発電反応に直接寄与する水素(H2)及び一酸化炭素(CO)の分圧)が減少するので、燃料ガスの電気エネルギへの変換量が減少し、発電電力が低下する。この発電時の電気化学的に反応に併せて発生する熱エネルギの発熱量が減少するが、また一方ではメタン(CH4)と水蒸気(H2O)との混合ガスによる改質反応も少なくなり吸熱量は低下する。これらの発熱と吸熱のバランスとして、セルスタック101における発熱に伴う温度上昇が抑制されて、不活性ガスを供給しないセルスタック101に比べてSOFCセル105の温度は低下する。
この不活性ガスには、例えば、水(H2O)或いは窒素(N2)等を用いることができる。ただし、水(H2O)の方が、発電電圧(SOFCセル起電力)の平衡定数Kpへの影響や、供給の容易性から、不活性ガスには水(H2O)の方が好ましい。
Here, the inert gas supplied to the central region of the horizontal plane of the
For example, water (H 2 O) or nitrogen (N 2 ) can be used as the inert gas. However, towards the water (H 2 O), the influence of the equilibrium constant Kp of the generator voltage (SOFC cell electromotive force), the ease of supply, it is preferable for water (H 2 O) in an inert gas .
SOFCカートリッジ203の中で、燃料ガスに不活性ガスを供給しないときに、最も温度の高くなる部分を特定領域とする。この特定領域 は、燃料ガス供給ヘッダ217の水平面方向の中央領域に設置するセルスタック101であり、このセルスタック101の温度が最高温度となる軸方向中央部の領域となる。不活性ガス供給孔11は、SOFCカートリッジ203の特定領域に設置されるセルスタック(本実施形態では上部ケーシング229aの水平方向の中央領域)に対応するように配置されているので、上部ケーシング229aの水平方向の中央領域の不活性ガス供給孔11に近い場所に位置するセルスタック101に対して、より多くの不活性ガスが供給される。図2の断面においては、SOFCカートリッジ203の水平長手方向の中央領域の位置するセルスタック101は、水平長手方向の端部側の部分のものに比べて高温になるが、この中央部分のセルスタック101では、不活性ガスが供給される分だけ燃料ガスの供給量が減少し、発電電力が若干低下するものの、発電時の電気化学的に反応に発生する発熱に伴う温度上昇が抑制されて、セルスタック101の長手方向中央部分の温度が相対的に低下される効果を得る。
In the
ここで、燃料ガスに水素(H2)ガスを用いた場合のセルスタック101における不活性ガスの供給による発電への影響を、ネルンストの式を用いて説明する。
この場合、発電時の電気化学的は以下のようになる。
空気極 :1/2・O2+2e(電子)→(O2−)
燃料極 :H2+(O2−)→H2O+2e(電子)
全体反応:H2+1/2・O2→H2O
SOFCセル105による起電力(SOFCセル起電力)は、下式(1)に示すように、反応が熱的平衡の時の標準電位から算出される。
Here, the influence on the power generation by the supply of the inert gas in the
In this case, the electrochemical during power generation is as follows.
Air electrode: 1/2 · O 2 + 2e (electrons) → (O 2− )
Fuel electrode: H 2 + (O 2− ) → H 2 O + 2e (electrons)
Overall reaction: H 2 + 1/2 · O 2 → H 2 O
The electromotive force (SOFC cell electromotive force) generated by the
したがって、供給する燃料ガスに不活性ガスを混入させることによって、燃料極側の水素分圧(H2分圧)を調整することができ、これにより、SOFCセル起電力が変わる。さらに供給する不活性ガスに水蒸気(H2O)を使用すれば、平衡定数(Kp)にも影響して、SOFCセル起電力が変わる。SOFCセル起電力が変われば、発電電力が変わり、発電時の電気化学的反応で生じる発熱も変わる。発電電力の低下を招くが、発電で生じる発熱も低下するので、セルスタック101の温度の上昇を抑制できる。
Therefore, the hydrogen partial pressure (H 2 partial pressure) on the fuel electrode side can be adjusted by mixing an inert gas into the supplied fuel gas, and the SOFC cell electromotive force is thereby changed. Further, if water vapor (H 2 O) is used as the inert gas to be supplied, the SOFC cell electromotive force is changed by affecting the equilibrium constant (Kp). If the SOFC cell electromotive force changes, the generated power changes, and the heat generated by the electrochemical reaction during power generation also changes. Although the generated power is reduced, the heat generated by the power generation is also reduced, so that an increase in the temperature of the
次に、第1実施形態のSOFCカートリッジの制御装置を説明する。
(SOFCカートリッジの制御装置)
図4に示すように、本制御装置は、燃料ガス供給ヘッダ217へ供給する燃料ガスの供給量(流量)を調整する燃料ガス量調整弁(燃料ガス量調整手段)13と、不活性ガス供給装置10の不活性ガス量調整弁12と、特定領域(燃料ガス供給ヘッダ217の水平面方向の中央領域に設置したセルスタック101で、このセルスタック101の軸方向中央部の領域)の温度を代表温度として温度Tを取得する温度センサ(温度取得手段)21と、SOFCカートリッジ203による発電電力Pを取得する電力情報センサ(発電電力取得手段)22と、燃料ガス量調整弁13と不活性ガス量調整弁12とを制御するコントローラ(制御手段)20とを備えている。
Next, the SOFC cartridge control device of the first embodiment will be described.
(Control device for SOFC cartridge)
As shown in FIG. 4, the present control device includes a fuel gas amount adjusting valve (fuel gas amount adjusting means) 13 for adjusting the supply amount (flow rate) of fuel gas supplied to the fuel
なお、特定領域とは、不活性ガスを供給しないで発電を実施した場合に、SOFCカートリッジ203内で最も温度が高くなる領域であり、SOFCカートリッジ203内の複数のセルスタック101のうちSOFCカートリッジ203(燃料ガス供給ヘッダ217)の水平面方向の中央領域にあるセルスタック101であり、このセルスタック101の軸方向中間部の領域がSOFCカートリッジ203内で最も温度が高くなる。したがって、特定領域の温度Tを目標範囲の温度とすることで、SOFCカートリッジ203の中の全体の温度分布がより均一になるように、コントローラ(制御手段)20が各流量調整弁を制御する。
The specific region is a region where the temperature becomes highest in the
また、本実施形態では、温度取得手段として温度センサ21を用いているが、温度取得手段はこれに限らず、特定領域の温度Tを推定するものでもよい。例えば、特定領域の温度は、発電電力P、圧力、燃料利用率、空気利用率、といったSOFCカートリッジ203の状態に相関するので、予め、この相関関係を取得し記憶しておき、相関関係を利用して、発電電力P、圧力、燃料利用率、空気利用率の状態から、特定領域の温度Tを推定して取得してもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、特定領域の温度Tを制御目標にするに当たり、温度取得手段(温度センサ21)を特定領域に設置していているが、温度取得手段の計測位置はこれに限らず、特定領域に存在するセルスタック101の軸方向中間部以外の部分、例えば燃料ガス供給ヘッダ217付近での比較的低い温度雰囲気の計測温度から、燃料ガス圧力、燃料利用率、空気利用率などとの影響を加味して、特定領域の温度Tを推定するものでもよい。
また、SOFCカートリッジ203の各セルスタック101の温度分布がより均一な温度になっていることを確認するために、セルスタック101の軸方向中間部を含めた中間部の両端部分(紙面左右方向部分)、およびこれらに同一のセルスタック101の上下両端分付近に計測用温度計が設置されており、セルスタック101の温度分布を監視できると更に良い。
In the present embodiment, the temperature acquisition means (temperature sensor 21) is installed in the specific area when the temperature T of the specific area is set as the control target. However, the measurement position of the temperature acquisition means is not limited to this. From the measured temperature of a relatively low temperature atmosphere near the fuel
Further, in order to confirm that the temperature distribution of each
コントローラ20は、取得された特定領域の温度Tと、取得された発電電力Pとに基づいて、特定領域の温度Tを予め設定された設定温度領域内に保持することでSOFCカートリッジ203の各セルスタック101の温度分布をより均一にする。後述するように、各セルスタック101の温度分布がより均一になったことは、発電電力Pが最大になることで判断する。このように、特定領域の温度Tを制御目標とするために、燃料ガス量調整弁13を調整して燃料ガスの供給量を制御し、不活性ガス量調整弁12を調整して不活性ガスの供給量を制御する。
Based on the acquired temperature T of the specific area and the acquired generated power P, the
また、SOFCカートリッジ203内の複数のセルスタック101に対して上下両端分付近に計測用温度計が各々設置されている場合は、各のセルスタック101の温度分布を各々の計測用温度計により温度分布を計測して均一性を確認してもよい。さらには、各セルスタック101の温度分布の均一性は、発電電力Pが最大になることと、複数のセルスタック101の各計測用温度計による温度分布計測結果との両方を用いて判断してもよい。
In addition, when measurement thermometers are installed in the vicinity of both upper and lower ends of the plurality of
なお、設定温度領域とは、SOFCモジュール201の定常運転時の管理温度範囲であるおよそ700〜1000℃のうちの、比較的高温な領域であり、例えば、850〜950℃とすることができる。このように、設定温度領域の上限を950℃と、管理温度範囲の上限1000℃よりも低下させているのは、管理温度上限よりも特定領域の温度Tを所定温度差(ここでは、50℃)だけ低下させることで、セルスタック101の長期耐久性を確保することに好ましいためである。
The set temperature range is a relatively high temperature range of about 700 to 1000 ° C. that is a management temperature range during steady operation of the
また、特定領域の温度Tを低下させた場合に、特定領域に隣接していて不活性ガスが供給されない領域の温度が、特定領域の温度Tよりも高くなる場合があることに備えて、余裕度として所定温度差(ここでは、50℃)だけ低下させているが、これはSOFCカートリッジ203の各機器の損傷を抑制するために好ましいからである。
In addition, when the temperature T of the specific region is lowered, the temperature of the region adjacent to the specific region where the inert gas is not supplied may be higher than the temperature T of the specific region. The temperature is decreased by a predetermined temperature difference (here, 50 ° C.) because this is preferable in order to suppress damage to each device of the
不活性ガスの供給量を増加させると燃料ガスの分圧(水素(H2)及び一酸化炭素(CO)の分圧)が低下して、特定領域の温度Tが低下する。一方で、セルスタック101の温度が高いほどSOFCの発電量は向上するので、燃料ガスの供給量を増加させると、SOFCの電気化学反応量が増加してSOFCカートリッジ203の発電電力Pが増大するとともに発熱も増加して特定領域の温度Tが上昇し、また各セルスタック101の温度も上昇し、さらに発電電力Pが増大する。このまま燃料ガスの供給量を増加させ続けると、特定領域をはじめSOFCカートリッジ203の各機器の温度も上昇し、SOFCカートリッジ203のいずれかの箇所で、使用限界温度を越えるので、燃料ガスの供給量の増加を中止し、不活性ガスの供給量を増加させることで、特定領域をはじめSOFCカートリッジ203の各機器の温度も上昇を抑制する。
When the supply amount of the inert gas is increased, the partial pressure of the fuel gas (partial pressure of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO)) is lowered, and the temperature T in the specific region is lowered. On the other hand, the higher the temperature of the
したがって、このためのコントローラ(制御手段)20による制御を次のように行なう。
(ステップ1)不活性ガスの供給が無い状態で、燃料ガス量調整弁13を制御して燃料ガスの供給量を増加させるとともに、パワーコンディショナを制御してSOFCカートリッジ203の発電電流を増加させ、電流と電圧が所定値になるようにする。
(ステップ2)温度センサ(温度取得手段)21により、特定領域の温度Tが設定温度領域の上限に接近したら、燃料ガス量調整弁13を制御して燃料ガスの供給量を維持するとともに、パワーコンディショナを制御して発電電流と電圧を維持する。
また、不活性ガス量調整弁12を制御して不活性ガスの供給を開始する。
(ステップ3)不活性ガス量調整弁12を制御して不活性ガスを供給し、不活性ガスの供給量を増加させる。
そして、温度センサ(温度取得手段)21により、特定領域の温度Tの低下を確認する。不活性ガスの供給量を増加させSOFCカートリッジ203内の水平面方向の温度分布を均一化する。
(ステップ4)特定領域の温度Tを予め設定された設定温度領域内で安定したら、不活性ガスの供給量の増加を終了し、不活性ガスの供給量を維持して、特定領域の温度Tを予め設定された設定温度領域内に保持する。最高温度を示していた特定領域の温度が低下して、セルスタック101の相対的に温度の低かった領域との温度差が少なくなる。したがって、SOFCカートリッジ203内の各セルスタック101間の温度分布が小さくなる。
(ステップ5)不活性ガスの供給量を維持して、燃料ガスの供給量及び電流を再び微量ずつ増加させることで、SOFCカートリッジ203内の各セルスタック101の温度を全体的に上昇させて、発電電力Pを従来よりも向上させる。
(ステップ6)不活性ガスの供給量を維持して、燃料ガスの供給量及び発電電流と電圧を増加させることで、特定領域の温度Tを予め設定された設定温度領域の上限に到達したら、燃料ガスの供給量及び電流と電圧の増加を終了し、燃料ガスの供給量及び電流と電圧を維持する。
(ステップ7)このステップ2からステップ6の動作を繰り返す。コントローラ(制御手段)20が制御して、特定領域の温度Tを予め設定された設定温度領域内としながら、発電電力Pを従来よりも向上させることができる。SOFCカートリッジ203内の各セルスタック101の温度分布がより均一になったことは、不活性ガスの供給量を徐々に増加して,発電電力Pが最大になることで判断する。また、SOFCカートリッジ203内の複数のセルスタック101の温度を計測している場合は、計測した温度分布がより均一になったことで判断しても良い。
ここで、発電電力Pが最大になるとは、発電電力Pがピンポイントで厳密に最大点になることを意味するのではなく、不活性ガスの供給量を微量範囲で増減させても発電電力Pに変化がない場合に判断できる最大付近の領域(最大領域)に発電電力Pがあることを意味している。
Therefore, the control by the controller (control means) 20 for this is performed as follows.
(Step 1) While the inert gas is not supplied, the fuel gas
(Step 2) When the temperature T of the specific region approaches the upper limit of the set temperature region by the temperature sensor (temperature acquisition means) 21, the fuel gas
Further, the supply of the inert gas is started by controlling the inert gas
(Step 3) The inert gas
Then, the temperature sensor (temperature acquisition means) 21 confirms a decrease in the temperature T in the specific region. The supply amount of the inert gas is increased, and the temperature distribution in the horizontal plane direction in the
(Step 4) When the temperature T of the specific region is stabilized within the preset temperature range, the increase in the supply amount of the inert gas is terminated, the supply amount of the inert gas is maintained, and the temperature T of the specific region is maintained. Is held within a preset temperature range. The temperature of the specific area that has shown the maximum temperature is lowered, and the temperature difference from the relatively cool area of the
(Step 5) Maintaining the supply amount of the inert gas and increasing the supply amount and current of the fuel gas by a small amount again to increase the temperature of each
(Step 6) By maintaining the supply amount of the inert gas and increasing the fuel gas supply amount and the generated current and voltage, the temperature T of the specific region reaches the upper limit of the preset temperature range, The fuel gas supply amount, current and voltage increase are terminated, and the fuel gas supply amount, current and voltage are maintained.
(Step 7) The operations from Step 2 to Step 6 are repeated. The controller (control means) 20 controls the generated electric power P more than before while keeping the temperature T of the specific region within a preset temperature range. The fact that the temperature distribution of each
Here, maximizing the generated power P does not mean that the generated power P is strictly the maximum point, but the generated power P can be increased or decreased even if the supply amount of the inert gas is increased or decreased within a minute range. This means that the generated power P is in an area near the maximum (maximum area) that can be determined when there is no change.
つまり、不活性ガスの供給量を増大させていくと、不活性ガスを供給されるセルスタック101では、セルスタック101の温度が低下する効果と引き換えに発電電力の若干の低下を招くが、最高温度を示していた特定領域の温度が低下して各セルスタック101間の温度が均一化するため、燃料ガス供給ヘッド217への燃料ガスの供給量を増加させることが可能になるので、不活性ガスを供給されないセルスタック101や不活性ガスの供給量が少ないセルスタック101では、燃料ガスの供給量の増加量に加えて、さらにセルスタック101の相対的に低温部分の温度上昇に応じて発電電力Pが増加する。
That is, when the supply amount of the inert gas is increased, the
また、このように不活性ガスの供給量を増大させていくと、不活性ガスを供給されるセルスタック101では、発電電力の低下が大きくなり、また特定領域の温度が更に低下して各セルスタック101間の温度がかえって不均一になり、好ましくない。したがって、不活性ガスを供給されるセルスタック101における発電電力Pの減少分の影響が大きくならないように、特定領域の温度Tは予め設定された設定温度領域内の下限より下回らないように制御を行なう。
なお、このときSOFCカートリッジ203内の各セルスタック101の温度分布がより均一になったことは、不活性ガスの供給量を徐々に増加して,発電電力Pが最大領域(最大付近)になることで判断する。また、SOFCカートリッジ203内の複数のセルスタック101の温度を計測している場合は、計測した温度分布がより均一になったことで判断しても良い。したがって、発電電力Pが最大になるように制御することができる。
In addition, when the supply amount of the inert gas is increased in this way, in the
At this time, the fact that the temperature distribution of each
(作用及び効果)
第1実施形態に係るSOFCカートリッジ203及びSOFCカートリッジ203の制御装置20によれば、複数のセルスタック101のうちの相対的に高温になる特定領域(ここでは、SOFCカートリッジ203の水平面の中央領域に設置されるセルカートリッジの軸方向中間部)内に設置されるセルスタック101に外部から不活性ガスを供給するので、特定領域内のセルスタック101において、不活性ガスが供給される分に応じて燃料ガスの供給量(燃料ガスの分圧が低減)が低減され、発電電力Pが減少すると共に、発電反応による発熱量も減少されるため、特定領域の温度Tが低下し、SOFCカートリッジ203の水平面方向とセルカートリッジの長手方向の温度分布を均一化することができる。
(Function and effect)
According to the
図5(a),(b)はこの不活性ガスを供給する効果を説明する図であり、図5(a)は不活性ガスを供給せずに各セルスタック101に均一に燃料ガスを供給する場合(比較例)の温度分布特性(曲線A)を、図5(b)は特定領域内に少なくセルスタックの一部が設置されるセルスタック101に不活性ガスを供給する本実施形態に係る温度分布特性(曲線B,C)をそれぞれSOFCカートリッジ203の各セルスタック101に対応させて示している。つまり、SOFCカートリッジ203の水平面中央を含む水平面に垂直な断面での水平長手方向における温度分布特性を示している。
FIGS. 5A and 5B are diagrams for explaining the effect of supplying this inert gas. FIG. 5A shows that the fuel gas is uniformly supplied to each
図5(a)に曲線Aで示すように、各セルスタック101に均一に燃料ガスを供給すると、SOFCカートリッジ203の水平長手方向中央領域に位置するセルスタック101の温度が高温になり、上限温度に近くなる。各セルスタック101は、発電反応により発熱が加わり発電部の温度は上昇するが、セルスタック101の長手方向両端部分においては発電部が無いため発熱が生じない。また、燃料電池セルスタック端部ほどカートリッジの外部へと放熱されやすいため冷却が促進される。
As shown by the curve A in FIG. 5A, when the fuel gas is uniformly supplied to each
このため、セルスタック101中央部は発電部の発電反応時の発熱と周囲へ放熱されにくいことのために相対的に温度が上昇して高温となりやすく、燃料電池セルスタックの両端側は中央部に比べて相対的に温度の上昇が少なくなり、燃料電池セルスタック長手方向で温度差が発生し、SOFCカートリッジ203の水平長手方向中央領域から離隔し紙面の左右端部に近づくに従ってセルスタック101の温度が低温になる。
For this reason, the central portion of the
発電効率(発電出力)はセルスタック温度に影響されるので、低温部分はSOFCセル105の内部抵抗が高くなり発電反応が低いために、発電効率(発電出力)は低い状態にある。したがって、図5の燃料電池セルスタック断面において、SOFCカートリッジ203の水平長手方向中央領域のセルスタック101の温度を上限温度以下に抑えようとすると、SOFCカートリッジ203の水平長手方向の両端部側のセルスタック101では水平長手方向中央領域のセルスタック101と比較して相対的に温度が低い分により発電電力を低下させることになる。
Since the power generation efficiency (power generation output) is affected by the cell stack temperature, the power generation efficiency (power generation output) is low because the internal resistance of the
図5の燃料電池セルスタック断面において、SOFCカートリッジ203の水平長手方向で、中央領域と両端部側の温度差が生じるほど、SOFCカートリッジ203の全体での各セルスタック101の発電出力を集めたSOFCカートリッジ203の発電電力Pを高めることができない。
In the cross section of the fuel cell stack in FIG. 5, the SOFC that collects the power generation output of each
これに対して、図5(b)に曲線Bで示すように、特定領域内のセルスタック101に不活性ガスを供給すると、SOFCカートリッジ203の水平長手方向中央領域のセルスタック101の温度が抑えられるようになり、特定領域にセルスタックの一部を設置されたセルスタック101は、予め設定された設定温度領域の上限温度に対して温度上昇を許容する余裕の温度分が発生する。つまり、SOFCカートリッジ203の水平長手方向の中央領域に発生していた高温部分が低温化して、両端部分の相対的に温度の低い領域の温度は変化しないので、図5の燃料電池セルスタック断面において、SOFCカートリッジ203の水平長手方向温度差が均一化される。したがって、図5(b)に曲線Cで示すように、SOFCカートリッジ203への燃料ガスの供給量を増加させて発電出力を増加させつつ、各セルスタック101の温度を上限温度以下に抑えることができる。
In contrast, as shown by a curve B in FIG. 5B, when an inert gas is supplied to the
図示しないが、特定領域に少なくともセルスタックの一部を設置されたセルスタック101の軸方向についても、SOFCカートリッジ203の水平長手方向に類似して、軸方向中央部付近に発生していた相対的に温度の高い領域の温度は低下し、セルスタック101の上下両端部分はもとからSOFCセル105が設けていないので、上下両端部分の相対的に温度の低い領域の温度は変化しない。このため、図5の燃料電池セルスタック断面において、SOFCカートリッジ203の軸方向温度差が均一化される。各セルスタック101の軸方向温度分布においても燃料ガスの供給量を増加させて発電出力を増加させつつ、各セルスタック101の温度を上限温度以下に抑えることができる。
Although not shown, the axial direction of the
このように、本SOFCカートリッジ203及びSOFCカートリッジ203の制御装置20によれば、複数のセルスタック101のうちの相対的に高温になる特定領域内に少なくとも一部を設置されたセルスタック101に外部から不活性ガスを供給して特定領域の温度を低下させ(セルスタック間の温度分布が均一化させ)、そのうえでSOFCカートリッジ203全体での燃料ガス供給量を増加させることが可能になるので、各セルスタック101の温度を設定温度領域内に管理しながら、SOFCカートリッジ203の全体での発電電力Pを増大させ、発電効率を上昇させることができる。
As described above, according to the
[4.第2実施形態]
(SOFCカートリッジの構成)
第2実施形態にかかるSOFCカートリッジ203は、図6に示すように、燃料ガス供給ヘッダ217の上部ケーシング229aには、その水平面方向(図6の断面図においては水平長手方向(紙面の左右方向))の中央領域に、外部から不活性ガスAGを供給する不活性ガス供給管11Aが備えられて導入されている。また、第1実施形態同様に、燃料ガス供給孔231aは、周囲領域から燃料ガス供給ヘッダ217内に燃料ガスFGを供給できるように設けられている。図6では、不活性ガス供給孔11を挟むように燃料ガス供給ヘッダ217の水平長手方向の左右にそれぞれ設けられているものを例示している。
[4. Second Embodiment]
(Configuration of SOFC cartridge)
As shown in FIG. 6, the
不活性ガス供給管11Aは、燃料ガス供給ヘッダ217の内部で複数の不活性ガス供給枝管11aに枝分かれしており、各不活性ガス供給枝管11aは特定領域(上部ケーシング229aの水平方向の中央領域で、相対的に高温になる)に少なくとも一部を設置されセルスタック101の内部に設けた燃料極109に通じる燃料ガス流路内に挿入されている。不活性ガス供給枝管11aの先端は、セルスタック101の燃料ガス流路内の流路方向中間領域で開口しており、中央領域またはこの手前が好ましく、セルスタック101の長手方向で燃料ガス供給ヘッダ217側から、セルスタック101の全長の約1/3程度から約1/2程度(中間位置)の位置がさらに好ましい。
なお、不活性ガス供給装置(不活性ガス供給手段)10Aについては第1実施形態と同様に構成されているので説明を省略する。
The inert
Note that the inert gas supply device (inert gas supply means) 10A is configured in the same manner as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
(作用及び効果)
第2実施形態に係るSOFCカートリッジ203及びSOFCカートリッジ203の制御装置によれば、第1実施形態と同様に、複数のセルスタック101のうちの相対的に高温になる特定領域内のセルスタック101に外部から不活性ガスを供給して特定領域の温度を低下させSOFCカートリッジ203全体での燃料ガス供給量を増加させることが可能になるので、各セルスタック101の温度を設定温度領域内に管理しながら、SOFCカートリッジ203の全体での発電電力Pを増大させ、発電効率を上昇させることができる。
(Function and effect)
According to the
さらに、第2実施形態に係るSOFCカートリッジ203では、不活性ガス供給枝管11aが特定領域内のセルスタック101の燃料ガス流路内に挿入され、セルスタック101の燃料ガス流路内の流路方向中央領域又はこの手前で開口しているので、1本のセルスタック101内でも最も温度が高くなる軸方向中間部の領域での発電反応が抑制され、かかる部分の温度上昇を抑制することができ、セルスタック101の長手方向における温度差を更に低減することができる。従って、より効率的に、SOFCカートリッジ203のトータルでの発電電力Pを増大させ、発電効率を上昇させることができる。
Furthermore, in the
[5.その他]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態を適宜変更して実施することができる。
例えば、第1実施形態と第2実施形態とを組み合わせて実施することも有効である。
[5. Others]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can be implemented by changing suitably each embodiment in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, it is also effective to implement the first embodiment and the second embodiment in combination.
また、上記実施形態では、SOFCカートリッジ203単体で説明したが、燃料電池モジュール201内の各SOFCカートリッジ203に対して個別に制御するようにSOFCカートリッジの制御装置及び制御方法を構成してもよく、燃料電池モジュール201内の一部のSOFCカートリッジ203から温度Tや発電電力Pを得て各SOFCカートリッジ203に対して連携して制御するようにSOFCカートリッジの制御装置及び制御方法を構成してもよい。
In the above embodiment, the
また、本実施形態では、SOFCカートリッジの水平方向中央領域のセルスタックに不活性ガスを供給しているが、不活性ガスを供給するセルスタックは、相対的に高温になる領域のセルスタックであることが優先され、その場合は必ずしもSOFCカートリッジの水平方向中央領域で限定しなくてもよい。
さらに、第2実施形態では、不活性ガス供給枝管11aによりセルスタック101の燃料ガス流路内の流路方向中央領域又はこの手前に供給しているが、これについても、セルスタック101の燃料ガス流路内で相対的に高温になる領域に供給することが優先されればよく、燃料ガス流路の中央領域に限らず適宜の中間領域であればよい。
In this embodiment, the inert gas is supplied to the cell stack in the central region in the horizontal direction of the SOFC cartridge. However, the cell stack that supplies the inert gas is a cell stack in a region where the temperature is relatively high. In that case, it is not necessarily limited to the central region in the horizontal direction of the SOFC cartridge.
Furthermore, in the second embodiment, the inert gas supply branch pipe 11a supplies the fuel gas flow path in the fuel gas flow path of the
10,10A 不活性ガス供給装置(不活性ガス供給手段)
11 不活性ガス供給孔
11A 不活性ガス供給管
11a 不活性ガス供給枝管
12 不活性ガス量調整弁(不活性ガス量調整手段)
13 燃料ガス量調整弁(燃料ガス量調整手段)
20 コントローラ(制御手段)
21 温度センサ(温度取得手段)
22 電力情報センサ(発電電力取得手段)
101 燃料電池セルスタック(セルスタック)
201 燃料電池モジュール(SOFCモジュール)
203 燃料電池カートリッジ(SOFCカートリッジ)
205 圧力容器(モジュール容器)
215 発電室
217 燃料ガス供給ヘッダ(燃料ガス供給室)
219 燃料ガス排出ヘッダ(燃料ガス排出室)
AG 不活性ガス
FG 燃料ガス
10, 10A inert gas supply device (inert gas supply means)
11 Inert
13 Fuel gas amount adjusting valve (Fuel gas amount adjusting means)
20 controller (control means)
21 Temperature sensor (temperature acquisition means)
22 Power information sensor (generated power acquisition means)
101 Fuel cell stack (cell stack)
201 Fuel cell module (SOFC module)
203 Fuel cell cartridge (SOFC cartridge)
205 Pressure vessel (module vessel)
215
219 Fuel gas discharge header (fuel gas discharge chamber)
AG Inert gas FG Fuel gas
Claims (9)
前記複数の燃料電池セルスタックの一端側に配置され、カートリッジ外部から供給された燃料ガスを前記燃料電池セルスタックの内部に供給する燃料ガス供給ヘッダと、
前記複数の燃料電池セルスタックの他端側に配置され、前記燃料電池セルスタックの内部から排出された燃料ガスを前記カートリッジ外部に排出する燃料ガス排出ヘッダと、
を備え、
前記複数の燃料電池セルスタックのうちの相対的に高温になる特定領域内の燃料電池セルスタックに前記カートリッジ外部から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段が装備されている
ことを特徴とする燃料電池カートリッジ。 A plurality of fuel cell stacks;
A fuel gas supply header disposed on one end side of the plurality of fuel cell stacks and supplying fuel gas supplied from the outside of the cartridge to the inside of the fuel cell stack;
A fuel gas discharge header that is disposed on the other end side of the plurality of fuel cell stacks and discharges the fuel gas discharged from the inside of the fuel cell stack to the outside of the cartridge;
With
An inert gas supply means for supplying an inert gas from the outside of the cartridge is provided in a fuel cell stack in a specific region where the temperature is relatively high among the plurality of fuel cell stacks. Fuel cell cartridge.
前記燃料ガス供給ヘッダへの前記燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、
前記不活性ガス供給手段に装備されて前記不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、
前記特定領域の温度を取得する温度取得手段と、
前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得手段と、
前記温度取得手段により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得手段により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御手段と、を有する
ことを特徴とする燃料電池カートリッジの制御装置。 A control device for controlling the plurality of fuel cell stacks in the fuel cell cartridge according to any one of claims 1 to 6,
A fuel gas amount adjusting means for adjusting a supply amount of the fuel gas to the fuel gas supply header;
An inert gas amount adjusting means which is provided in the inert gas supply means and adjusts the supply amount of the inert gas;
Temperature acquisition means for acquiring the temperature of the specific region;
Generated power acquisition means for acquiring power generated by the fuel cell cartridge;
Based on the temperature of the specific area acquired by the temperature acquisition means and the generated power acquired by the generated power acquisition means, while maintaining the temperature of the specific area within a preset set temperature area And a control means for controlling the fuel gas amount adjusting means and the inert gas amount adjusting means so that the generated power is maximized.
前記燃料ガス供給ヘッダへの燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、
前記不活性ガス供給手段による不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、
前記特定領域の温度を取得する温度取得工程と、
前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得工程と、
前記温度取得工程により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得工程により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御工程と、を有する
ことを特徴とする燃料電池カートリッジの制御方法。 A control method for controlling the plurality of fuel cell stacks in the fuel cell cartridge according to any one of claims 1 to 6,
Fuel gas amount adjusting means for adjusting the amount of fuel gas supplied to the fuel gas supply header;
An inert gas amount adjusting means for adjusting the amount of inert gas supplied by the inert gas supplying means;
A temperature acquisition step of acquiring the temperature of the specific region;
A generated power acquisition step of acquiring generated power by the fuel cell cartridge;
Based on the temperature of the specific region acquired by the temperature acquisition step and the generated power acquired by the generated power acquisition step, the temperature of the specific region is maintained within a preset temperature range set in advance. And a control step of controlling the fuel gas amount adjusting means and the inert gas amount adjusting means so that the generated power is maximized.
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