JP2019149346A - Fuel cell system and operation method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and an operation method thereof.
近年、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の開発が進められている。SOFCは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。SOFCは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く(例えば600℃〜1000℃)、発電効率が最も高いという特性を持つ。 In recent years, development of a solid oxide fuel cell (SOFC) has been promoted. SOFC is a power generation mechanism in which oxide ions generated at the air electrode permeate the electrolyte and move to the fuel electrode, where the oxide ions react with hydrogen or carbon monoxide to generate electrical energy. . The SOFC has the characteristics that the power generation operating temperature is the highest (for example, 600 ° C. to 1000 ° C.) and the power generation efficiency is the highest among the currently known fuel cell configurations.
特許文献1には、固体酸化物形の燃料電池がモータ等の外部負荷に接続される燃料電池システムが開示されている。かかる燃料電池システムでは、起動時において、燃料電池の発電電力を外部負荷に通電する前に、改質器やブロワに電力を送給してエネルギーの利用を図っている。
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムは、系統電力に接続されるものでなく、よって、系統電力に給電せずに起動する技術に関する開示がない。燃料電池システムにあっては、設置後の準備段階やメンテナンス時等において、系統に電力供給せずに自立起動を可能とすることが望まれていた。
However, the fuel cell system of
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、系統に電力供給せずに自立起動することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の1つとする。 This invention is made | formed in view of this point, and it is set as one of the objectives to provide the fuel cell system which can be started independently, without supplying electric power to a system | strain, and its operating method.
本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第1切換部と、を含む燃料電池装置と、前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第2切換部と、前記第1切換部、前記第2切換部、前記発電装置内負荷の作動を制御する制御部と、を備えていることを特徴としている。 In one aspect, the fuel cell system of the present embodiment includes a solid oxide fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and an anode that supplies the fuel gas to the solid oxide fuel cell. A gas supply path, an inverter connected to a system power supply and converting a direct current generated by the solid oxide fuel cell into an alternating current; a load in a power generation device that operates by a predetermined power supply; and the power generation for the inverter A fuel cell device including a first switching unit capable of switching between a connected state and a non-connected state of the in-device load, and a connection state and a disconnection state between the fuel cell device and the system power source can be switched. A second switching unit, the first switching unit, the second switching unit, and a control unit that controls the operation of the load in the power generation device are provided.
本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記アノードガス供給路に再循環させる再循環路と、系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第1切換部と、を含む燃料電池装置と、前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第2切換部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記第1切換部で前記非接続状態としつつ前記第2切換部で前記連系状態として前記系統電源から前記発電装置内負荷に電力供給し、前記固体酸化物形燃料電池を加熱するステップと、前記固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温した後、第2切換部で前記解列状態としつつ前記第1切換部で前記接続状態とし、前記固体酸化物形燃料電池で発生した電力を前記インバータを経て前記発電装置内負荷で消費するステップと、を有することを特徴としている。 In one aspect of the method for operating the fuel cell system of the present embodiment, a solid oxide fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and the fuel gas into the solid oxide fuel cell. An anode gas supply path for supplying, a recirculation path for recirculating exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell to the anode gas supply path, and a system power supply; An inverter that converts generated DC current into AC current, a load in the power generator that operates by supplying a predetermined power, and a first switching unit that can switch between a connected state and a disconnected state of the load in the power generator relative to the inverter. And a second switching unit capable of switching between a connected state and a disconnected state of the fuel cell device and the system power supply. The solid oxide fuel cell, wherein the power supply is supplied from the system power supply to the load in the power generation device as the interconnected state in the second switching unit while the non-connected state in the first switching unit. And after the solid oxide fuel cell has been heated to a predetermined temperature, the disconnected state is established in the second switching portion and the connected state is established in the first switching portion. And a step of consuming electric power generated in the battery by the load in the power generation device via the inverter.
本発明によれば、起動時にて、固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温するまでは、第2切換部によって連系状態として系統電源から発電装置内負荷に給電し、系統電源の電力によって固体酸化物形燃料電池を加熱することができる。このとき、第1切換部によって、インバータと発電装置内負荷とを非接続状態にすることができる。一方、固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温した後は、第2切換部によって解列状態として系統電源からの給電を停止し、第1切換部によって、インバータと発電装置内負荷とを接続状態にすることができる。このとき、固体酸化物形燃料電池で発生した電力を、インバータを経て発電装置内負荷で消費でき、且つ、系統に電力供給せずに自立起動した状態にすることができる。これにより、固体酸化物形燃料電池で発電しつつ解列状態を維持することができ、かかる状態を条件とする各種作業を行うことができる。 According to the present invention, at the time of start-up, until the solid oxide fuel cell is heated to a predetermined temperature, the second switching unit feeds power from the system power source to the load in the power generation apparatus as a connected state, and the power of the system power source Thus, the solid oxide fuel cell can be heated. At this time, the inverter and the load in the power generator can be disconnected from each other by the first switching unit. On the other hand, after the temperature of the solid oxide fuel cell rises to a predetermined temperature, the second switching unit disconnects the power supply from the system power supply and stops the power supply from the system power source. Can be connected. At this time, the electric power generated in the solid oxide fuel cell can be consumed by the load in the power generation apparatus via the inverter, and can be brought into a self-starting state without supplying power to the system. Thereby, it is possible to maintain the disconnected state while generating power with the solid oxide fuel cell, and it is possible to perform various operations on the condition.
[第1の実施の形態]
図1を参照して、第1の実施の形態の燃料電池システムについて詳細に説明する。図1は、第1の実施の形態の燃料電池システムを示すブロック図である。
[First Embodiment]
The fuel cell system according to the first embodiment will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the fuel cell system of the first embodiment.
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池装置2と、系統電源3とを備えている。系統電源3は商用電力とする他、二次電池やエンジン等を有する簡易な発電装置を含んだバックアップ電源としてもよい。燃料電池装置2は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)10と、インバータ20と、補機類30と、第1切換部40と、第2切換部4を有している。
As shown in FIG. 1, the
SOFC10は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。SOFC10は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。 The SOFC 10 has a cell stack in which a plurality of cells are stacked or assembled. Each cell has a basic configuration in which an electrolyte is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode, and a separator is interposed between the cells. Each cell of the cell stack is electrically connected in series. The SOFC 10 is a power generation mechanism that generates electric energy when oxide ions generated at the air electrode permeate the electrolyte and move to the fuel electrode, and the oxide ions react with hydrogen or carbon monoxide at the fuel electrode. .
インバータ20は、SOFC10が発生(発電)した直流電流を交流電流に変換する。インバータ20は、電流制御又は電力制御と、電圧制御とを切り替える手段を有する。これらの制御については後述する。
The
補機類30は、後述する改質水を加熱する第1ヒータ(加熱手段)31と、SOFC10に供給する空気(酸化剤ガス)を加熱する第2ヒータ(加熱手段)32及び第3ヒータ(加熱手段)33とを備えている。また、補機類30は、空気をSOFC10に供給する反応空気ブロワ(送出手段)34、SOFC10の燃料極を通って排出された排出ガスを送出する再循環ブロワ(送出手段)35を備えている。補機類30を構成する各機器31〜35は、SOFC10或いは系統電源3からの電力供給によって作動するものであり、それぞれが発電装置内負荷とされる。
The
燃料電池装置2のインバータ20は、電力伝送路M1を介して系統電源3に接続されている。電力伝送路M1には、インバータ20側に第1切換部40が設けられ、第1切換部40より系統電源3側に第2切換部4が設けられている。第1切換部40及び第2切換部4は、電磁開閉器等が用いられる。電力伝送路M1において、第1切換部40及び第2切換部4の間からは補機用電力伝送路M2が分岐している。
The
SOFC10の発電電力はインバータ20を通り、第1切換部40を介して、補機類30に接続される。第1切換部40は、インバータ20に対する補機類30の接続状態と非接続状態とを切り換え可能に設けられる。インバータ20からの出力電力(SOFC10の発電電力)は、第1切換部40がオン状態のとき、補機類30と接続状態となり、第1切換部40がオフ状態のとき、補機類30と非接続状態となる。
The generated power of the SOFC 10 passes through the
系統電源3の交流電力は、第2切換部4を介して燃料電池装置2に接続される。第2切換部4は、燃料電池装置2と系統電源3との連系状態と解列状態とを切り換え可能に設けられる。系統電源3は、第2切換部4がオン状態のとき、燃料電池装置2と連系状態となり、第2切換部4がオフ状態のとき、燃料電池装置2と解列状態となって燃料電池装置2は自立運転を行う。第2切換部4がオン状態(連系状態)で第1切換部40がオフ状態のときは、系統電源3の交流電力が補機類30に供給される。
The AC power of the
第1切換部40及び第2切換部4が両方オン状態となる連系運転時には、SOFC10の発電電力が系統に給電される一方、自立運転時には、定格最大電力よりも小さい負荷で発電電力が補機類30等によって装置内で消費される。
During the interconnected operation in which both the
続いて、燃料電池装置2の構成について説明する。図2は、第1の実施の形態の燃料電池装置を示すブロック図である。図2に示すように、燃料電池装置2のSOFC10は、アノードガス流路(燃料ガス流路、還元ガス流路)11と、カソードガス流路(酸化剤ガス流路)12とを有している。
Next, the configuration of the fuel cell device 2 will be described. FIG. 2 is a block diagram showing the fuel cell device according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the
燃料電池装置2は、アノードガス流路11の入口部に接続されるアノードガス供給路51と、カソードガス流路12の入口部に接続されるカソードガス供給路52とを備えている。SOFC10の発電時には、アノードガス流路11にアノードガス供給路51を介して燃料ガスが供給され、当該燃料ガスがアノードガス流路11を流れる。また、カソードガス流路12には、カソードガス供給路52を介して酸化剤ガスが供給され、当該酸化剤ガスがカソードガス流路12を流れる。アノードガス流路11に供給された燃料ガス(還元ガス)と、カソードガス流路12に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する(SOFC10が発電する)。SOFC10が発生した直流電流は、インバータ20によって交流電流に変換される(DC/AC変換される)。
The fuel cell device 2 includes an anode
燃料電池装置2は、アノードガス供給路51に接続される改質用蒸気供給路53を備えている。改質用蒸気供給路53には、補機類を構成する第1ヒータ31が設けられている。改質用蒸気供給路53では、供給された改質水を第1ヒータ31で加熱して改質用蒸気を生成する。そして、生成した改質用蒸気をアノードガス供給路51に供給して燃料ガスを還元ガスに水蒸気改質する。なお、燃料ガスとしては、都市ガス(メタンガス)天然ガス、消化ガスなどのバイオガス等の炭化水素系の燃料からなる気体が利用される。
The fuel cell device 2 includes a reforming
燃料電池装置2は、カソードガス供給路52に設けられてそれぞれ補機類を構成する第2ヒータ32、第3ヒータ33及び反応空気ブロワ34を備えている。カソードガス供給路52には、反応空気ブロワ34によって大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれる。カソードガス供給路52では、取り込んだ酸化剤ガス(空気)を第2ヒータ32、第3ヒータ33で加熱してカソードガス流路12に供給する。
The fuel cell device 2 includes a
なお、カソードガス供給路52には、2台のヒータとして第2ヒータ32、第3ヒータ33を設けたが、いずれか一方を省略して単一のヒータを設ける構成としたり、3台以上のヒータを設けたりしてもよい。ヒータを2台以上とすることで、各ヒータのオンオフ制御の切換で作動するヒータや台数を変更して加熱量、消費電力を調整でき、ヒータを単一とした場合には構成の簡略化を図ることができる。
The cathode
燃料電池装置2は、アノードガス流路11の出口部に接続されるアノードガス排出路55と、カソードガス流路12の出口部に接続されるカソードガス排出路56とを備えている。また、燃料電池装置2は、アノードガス排出路55及びカソードガス排出路56に接続される燃焼器57を備えている。アノードガス排出路55は、アノードガス流路11の出口部からの排出ガスを燃焼器57に排出し、カソードガス排出路56は、カソードガス流路12の出口部からの排出ガスを燃焼器57に排出する。
The fuel cell device 2 includes an anode
燃焼器57は、SOFC10から排出された排出ガスを燃焼することにより当該排出ガス中の不純物を除去した上で排気する。燃焼器57が排出ガスを燃焼することで発生した熱は、温水熱交換器58で熱利用されて、外部タンク(図示略)等から循環する低温水を高温水に加熱する。
The
燃料電池装置2は、アノードガス排出路55から分岐する再循環路60を備えている。再循環路60は、アノードガス流路11の出口部からの排出ガスをアノードガス排出路55からアノードガス供給路51に再循環させる。再循環路60には、再循環路60内に排出ガスを送出する補機類を構成する再循環ブロワ35が設けられている。
The fuel cell device 2 includes a
アノードガス排出路55における再循環路60の分岐点の下流側には、調節弁61が設けられている。調節弁61は、自身の開閉状態を切り換えることにより、アノードガス排出路55の圧力を調整する。また、調節弁61は、自身の開閉度合いによって、アノードガス排出路55から燃焼器57に流れる排出ガスの流量と、再循環路60に流れる排出ガスの流量とを調整する。
A
図3は、第1の実施の形態による燃料電池システムの制御系統を示す機能ブロック図である。図3に示すように、燃料電池システム1は、当該燃料電池システム1の各構成要素を統括的に駆動制御する制御部70を有している。より具体的に、制御部70は、第1切換部40、第2切換部4、第1ヒータ31、第2ヒータ32、第3ヒータ33、反応空気ブロワ34、再循環ブロワ35、調節弁61に接続されており、SOFC10の起動時にこれらの各構成要素の駆動制御、オンオフ制御または開閉制御を実行する。
FIG. 3 is a functional block diagram showing a control system of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the
また、制御部70は、インバータ20の制御方法(電流制御、電力制御、電圧制御)を切り換える制御を実行する。インバータ20において、電圧制御(電圧一定制御:AVR運転)では、補機類30に電力供給時、補機類30での負荷が変化するときに電圧を一定にして補機類30に流れる電流を変化させる。また、電力制御では、系統電源3に電力供給時、出力する有効電力及び必要に応じて無効電力の制御を制御する。
Further, the
図4及び図5は、第1の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートであり、図6は、第1の実施の形態による燃料電池システムの起動時の動作を説明するためのタイムチャートである。以下、図4ないし図6を参照して、燃料電池システム1の起動時の動作(制御部70による制御内容)について詳細に説明する。 4 and 5 are flowcharts showing the operation at the time of starting the fuel cell system according to the first embodiment, and FIG. 6 explains the operation at the time of starting the fuel cell system according to the first embodiment. It is a time chart for. Hereinafter, with reference to FIGS. 4 to 6, the operation at the time of startup of the fuel cell system 1 (contents of control by the control unit 70) will be described in detail.
図4のフローチャートにおいて、ステップST1では、制御部70が第1切換部40をオフ状態にする。ステップST2では、制御部70が第2切換部4をオン状態にする。ステップST1、ステップST2の処理を実行することで、系統電源3と燃料電池装置2とが連系状態となり、系統電源3の交流電力が補機類30に供給可能な状態となる。
In the flowchart of FIG. 4, in step ST <b> 1, the
ステップST3では、制御部70が、反応空気ブロワ34をオン状態にする。ステップST4では、制御部70が、第2ヒータ32及び第3ヒータ33の何れか一方をオン状態にする。ステップST5では、制御部70が、再循環ブロワ35をオン状態にする。ステップST3、ステップST4、ステップST5の処理を実行することで、反応空気ブロワ34から取り込まれた酸化剤ガス(空気)が第2ヒータ32或いは第3ヒータ33により加熱されながらカソードガス供給路52に供給される。そして、加熱された酸化剤ガスがカソードガス流路12を流れることで、SOFC10が昇温していく(図6参照)。
In step ST3, the
ステップST6では、制御部70が、SOFC10が所定の第1温度閾値T1(所定温度、図6参照)に到達したか否かを判定する。SOFC10が第1温度閾値T1に到達しているときは(ステップST6:Yes)、ステップST7に進む。SOFC10が第1温度閾値T1に到達していないときは(ステップST6:No)、SOFC10が第1温度閾値T1に到達するのを待つ。第1温度閾値T1は、例えば、300℃〜600℃の範囲内で設定することができる。
In step ST6, the
ステップST7では、SOFC10が第1温度閾値T1に到達していることとなり、制御部70が、第1ヒータ31をオン状態にする。ステップST8では、改質水供給器(図示略)から改質水の供給を開始し(図6参照)、ステップST9では、燃料ガス供給器(図示略)からアノードガス供給路51へ燃料ガスの供給を開始する。ステップST6〜ステップST8の処理を実行することで、第1ヒータ31で改質水を加熱して改質用蒸気が生成される。この改質用蒸気で水蒸気改質された燃料ガスがアノードガス供給路51を通じてSOFC10に供給される。その結果、SOFC10の内部で、カソードガス流路12に供給された酸化剤ガスとアノードガス流路11に供給された燃料ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する(発電する)。
In step ST7, the
図5に示すように、ステップST10では、制御部70が、調節弁61を介してアノードガス排出路55のSOFC10側の背圧調整を行う。ステップST10の処理を実行することで、SOFC10のアノードガス流路11を経てアノードガス排出路55から排出された排出ガスが再循環路60に流れ込む。そして、再循環路60からアノードガス供給路51に排出ガスが流れ込み燃料ガスとして再循環する。再循環された排出ガスはSOFC10を通過することで加熱されているので、アノードガス供給路51に流れ込んだときに、燃料ガス供給器(図示略)から供給される燃料ガスの改質に寄与することとなる。ステップST6〜ステップST10の処理は、略同時に実行してもよい。
As shown in FIG. 5, in step ST <b> 10, the
ステップST11では、制御部70が、SOFC10が所定の第2温度閾値T2(所定温度、図6参照)に到達したか否かを判定する。SOFC10が第2温度閾値T2に到達しているときは(ステップST11:Yes)、ステップST12に進む。SOFC10が第2温度閾値T2に到達していないときは(ステップST11:No)、SOFC10が第2温度閾値T2に到達するのを待つ。第2温度閾値T2は、例えば、600℃〜900℃の範囲内で設定することができる。
In step ST11, the
ステップST12では、制御部70が、インバータ20を起動し、SOFC10で発生した直流電流を交流電流に変換する。ステップST13では、制御部70が第2切換部4をオフ状態にする。ステップST14では、制御部70が第1切換部40をオン状態にする。ステップST12〜ステップST14の処理を実行することで、系統電源3と燃料電池装置2とが解列状態となり、インバータ20の交流電力が補機類30に供給可能な状態となる。言い換えると、燃料電池装置2が外部からの電力供給を受けずにSOFC10の発電によって自立運転した状態となる。
In step ST12, the
ステップST15では、制御部70が、ステップST4でオン状態としなかった第2ヒータ32及び第3ヒータ33の何れか他方をオン状態、つまり、第2ヒータ32及び第3ヒータ33を両方オン状態とする。これにより、カソードガス流路12を介してSOFC10が第2温度閾値T2からさらに昇温していく。
In step ST15, the
上述のステップST4の処理後、ステップST15の処理を実行するにあたり、第2ヒータ32及び第3ヒータ33を所定のタイムラグを設けて順に作動することができる。これにより、制御部70が、SOFC10の出力電力を徐々に上昇し(図6参照)、補機類30として消費する電力を徐々に上昇するよう制御することができる。従って、低温状態から急激な温度上昇を抑制し、SOFC10のセルスタックひいては補機類30の劣化及び損傷を防止でき、システムの安定的な運転を実現することができる。
After executing the process of step ST4, the
ステップST16では、制御部70が、改質水供給器(図示略)から改質水の供給を停止する(図6参照)。ステップST17では、制御部70が、第1ヒータ31をオフ状態にする。ステップST16、ステップST17の処理を実行することで、改質用蒸気による改質が停止し、再循環路60から再循環された排出ガスによって燃料ガスが改質される。言い換えると、燃料電池装置2が外部からの改質水供給を受けずに、燃料ガスを還元ガスに改質して生成するのに必要な水蒸気の全量をアノードガス流路11に含まれる水蒸気だけで確保した水自立状態となり、自立運転の起動が完了する。かかる水自立状態は、SOFC10の電気化学反応にてアノードに水(水蒸気)が発生するSOFC10特有の技術と言えるものである。
In step ST16, the
なお、ステップST16、ステップST17の処理を実行するタイミングは、SOFC10の温度が所定の閾値に到達したり、インバータ20からの出力電力が定格電力に対して所定割合(例えば20〜50%)になったりしたタイミングを例示できる。
Note that the timing of executing the processes of step ST16 and step ST17 is such that the temperature of the
以上のように、上記燃料電池システム1では、SOFC10の起動時に、SOFC10が第1温度閾値T1に昇温するまでは、第2切換部4によって連系状態として系統電源3から補機類30に給電し、系統電源3からの電力によってSOFC10を加熱することができる。このとき、第1切換部40によって、インバータ20と補機類30とは非接続状態にすることができる。一方、SOFC10が第2温度閾値T2に昇温した後は、第2切換部4によって解列状態として系統電源3からの給電を停止し、第1切換部40によって、インバータ20と補機類30とを接続状態にすることができる。このとき、SOFC10で発生した電力を、インバータ20を経て補機類30で消費でき、且つ、系統電源3に電力供給せずに自立起動した状態にすることができる。これにより、SOFC10で発電しつつ解列状態を容易に維持することができ、かかる状態を条件とする各種作業(インバータの動作確認、メンテナンス作業等)を行うことができる。
As described above, in the
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、第1の実施の形態と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用い、説明を省略若しくは簡略にする場合がある。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same reference numerals are used for the same or equivalent components as those in the first embodiment, and the description may be omitted or simplified.
図7は、第2の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。第2の実施の形態における燃料電池装置2は、第1の実施の形態に対し、第4ないし第8ヒータ(加熱手段)74〜78を増設した構成とされる。第4ヒータ74は、燃料ガス供給器(図示略)からアノードガス供給路51へ供給される燃料ガスを加熱する。第5ヒータ75は、アノードガス供給路51における改質用蒸気供給路53及び再循環路60の合流点より下流側を流れる還元ガスを加熱する。第6ヒータ76は、SOFC10のセルスタックを加熱する。第7ヒータ77は、SOFC10の排熱回収用温水として温水熱交換器58を循環する温水を加熱する。第8ヒータ78は、大気を加熱する。
FIG. 7 is a block diagram showing a fuel cell system according to the second embodiment. The fuel cell device 2 according to the second embodiment has a configuration in which fourth to eighth heaters (heating means) 74 to 78 are added to the first embodiment. The
第4ないし第8ヒータ74〜78においても、それぞれ制御部70(図3参照)と接続され、制御部70によって作動制御やオンオフ制御が実行される。第4ないし第8ヒータ74〜78は、上述の各加熱対象に対して、それぞれ単一とした場合を図示したが、複数のヒータを設置して段階的に加熱する構成としてもよい。また、図7に図示していないが、例えばカソードガス排出路56や、再循環路60にヒータを設置してもよい。
Each of the fourth to
なお、燃料電池装置2において、第1ないし第8ヒータ31〜33、74〜78は、その設置を適宜省略した構成としてもよく、各ヒータ31〜33、74〜78のうちの少なくとも一つのヒータを選択して設置した構成とすることができる。例えば、第1ヒータ31及び第8ヒータ78を設置し、第2ないし第7ヒータ31、32、74〜77を省略した場合、燃料電池装置2の自立起動時に加熱する対象について改質水の他は、大気となる。つまり、燃料電池装置2自体の昇温速度を抑制しつつSOFC10で発生した電力を消費することが可能となる。このように、種々の作用、機能を実現させるため、補機類30を構成する第1ないし第8ヒータ31〜33、74〜78のうち設置或いは運転制御するものを任意の組み合わせで選択して運転を行うことが可能となる。
In the fuel cell device 2, the first to
ここで、第1ないし第8ヒータ31〜33、74〜78等を作動した場合の機能について、以下に例示する。SOFC10では、発電負荷が低く、発電による生成水が少ないと、アノードガス流路11から排出された排出ガスを再循環しても投入する炭化水素系燃料全量を水蒸気改質できずに、電極に用いた触媒の一部がコーキングしてしまう。そこで、例えば、第1ヒータ31で電力を消費し、改質水蒸気を発生させることにより、コーキングを防止することができる。また、第2ヒータ32及び第3ヒータ33で電力を消費し酸化剤ガス(空気)を加熱することにより、SOFC10を昇温または高温に維持することができる。また、第4ヒータ74で電力を消費して燃料ガスを加熱することにより、SOFC10を高温に維持するができる。また、第5ヒータ75または再循環路60や再循環ブロワ35の出口の配管に設置したヒータ(図示しない)で電力を消費して、再循環ガスを加熱することにより、再循環路60における水蒸気の凝縮を防止するとともに、SOFC10を高温に維持することができる。また、第6ヒータ76で電力を消費して、SOFC10を加熱してSOFC10を高温に維持することができる。SOFC10を高温に維持することで、高い発電効率を維持することができる。また、SOFC10が高出力であったり、外気温度が高い場合などで、制御目標温度を超える可能性がある場合には、ヒータ77、78で電力を消費して、温水や大気を加熱することにより電池の過昇温を防止する。大気を加熱する場合、暖房や乾燥の工程の熱源とすることが出来る。温水を加熱する場合、給湯や暖房、蒸気発生などの熱源とすることができる。排気を加熱するためのヒータで電力を消費することで、外気温が低い時に排気が白煙となることを防止することができる。
Here, the function when the first to
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change and implement variously. In the above-described embodiment, the size, shape, function, and the like of the components illustrated in the accompanying drawings are not limited thereto, and can be appropriately changed within a range in which the effects of the present invention are exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.
上記各実施の形態では、アノードガス供給路51に供給した燃料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成したが、これに代え、ボンベ等から水素ガスを燃料ガスとしてアノードガス供給路51に供給してもよい。この場合、改質水の供給、第1ヒータ31及びその加熱を省略することができ、起動時の消費電力の削減、構成の簡略化を図ることができる。
In each of the above embodiments, the fuel gas supplied to the anode
上記各実施の形態では、反応空気ブロワ34及び再循環ブロワ35への電力供給を上述のようにSOFC10と系統電源3とで切り換えたが、それらの少なくとも一方への電力供給は切り換えずに、系統電源3から常時電力供給を実行するようにしてもよい。また、各ヒータ31〜33、74〜78においても、それらの少なくとも一つへの電力供給を切り換えずに、系統電源3から常時電力供給を実行するようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the power supply to the
上記各実施の形態では、改質用蒸気による改質を停止した水自立した状態として起動したが、改質用蒸気の供給量を減らし、該改質用蒸気と再循環路60からの排出ガスに含まれる水蒸気との両方で燃料ガスの改質を行ってもよい。
In each of the above embodiments, the reforming by the reforming steam is started as a self-supporting state of water, but the supply amount of the reforming steam is reduced, and the reforming steam and the exhaust gas from the
上記各実施の形態では、再循環路60を設けた構成としたが、再循環路60を省略してアノードガス排出路55の排出ガスを燃焼器57に排出してもよい。
In each of the above embodiments, the
本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。 The fuel cell system and the operation method thereof according to the present invention are suitable for application to fuel cell systems for household use, business use, and other industrial fields.
1 燃料電池システム
2 燃料電池装置
3 系統電源
4 第2切換部
10 固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)
20 インバータ
30 補機類(発電装置内負荷)
31 第1ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
32 第2ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
33 第3ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
34 反応空気ブロワ(発電装置内負荷、送出手段)
35 再循環ブロワ(発電装置内負荷、送出手段)
40 第1切換部
51 アノードガス供給路
60 再循環路
70 制御部
74 第4ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
75 第5ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
76 第6ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
77 第7ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
78 第8ヒータ(発電装置内負荷、加熱手段)
DESCRIPTION OF
20
31 1st heater (electric generator internal load, heating means)
32 Second heater (load in generator, heating means)
33 3rd heater (load in generator, heating means)
34 Reaction air blower (load in power generator, delivery means)
35 Recirculation blower (load in generator, delivery means)
40
75 5th heater (load in generator, heating means)
76 6th heater (load in generator, heating means)
77 7th heater (load in generator, heating means)
78 8th heater (load in generator, heating means)
Claims (7)
前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、
系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、
所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、
前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第1切換部と、を含む燃料電池装置と、
前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第2切換部と、
前記第1切換部、前記第2切換部、前記発電装置内負荷の作動を制御する制御部と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
An anode gas supply path for supplying the fuel gas to the solid oxide fuel cell;
An inverter connected to a system power source and converting a direct current generated by the solid oxide fuel cell into an alternating current;
A load in the power generator that operates by a predetermined power supply; and
A first switching unit capable of switching between a connected state and a disconnected state of the load in the power generator with respect to the inverter;
A second switching unit capable of switching between a connected state and a disconnected state between the fuel cell device and the system power supply;
A fuel cell system comprising: the first switching unit, the second switching unit, and a control unit that controls the operation of the load in the power generator.
前記アノードガス供給路と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記アノードガス供給路に再循環させる再循環路とを更に備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The solid oxide fuel cell;
The anode gas supply path;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a recirculation path for recirculating the exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell to the anode gas supply path.
前記制御部は、前記燃料電池システムの各構成要素を制御し、
前記送出手段は、前記酸化剤ガス及び前記排出ガスのうち少なくとも一つを送出し、
前記加熱手段は、前記酸化剤ガス、前記燃料ガス、前記燃料ガスを生成するための改質水、前記固体酸化物形燃料電池の排熱回収用温水、前記固体酸化物形燃料電池及び大気のうち少なくとも一つを加熱することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 The load in the power generation device includes at least one of sending means and heating means,
The control unit controls each component of the fuel cell system,
The delivery means delivers at least one of the oxidant gas and the exhaust gas;
The heating means includes the oxidant gas, the fuel gas, reformed water for generating the fuel gas, hot water for recovering exhaust heat of the solid oxide fuel cell, the solid oxide fuel cell, and the atmosphere. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein at least one of them is heated.
前記燃料ガスを前記固体酸化物形燃料電池に供給するアノードガス供給路と、
前記固体酸化物形燃料電池から排出された排出ガスを前記アノードガス供給路に再循環させる再循環路と、
系統電源に接続され、前記固体酸化物形燃料電池が発電した直流電流を交流電流に変換するインバータと、
所定の電力供給によって作動する発電装置内負荷と、
前記インバータに対する前記発電装置内負荷の接続状態と非接続状態とを切り換え可能な第1切換部と、を含む燃料電池装置と、
前記燃料電池装置と前記系統電源との連系状態と解列状態とを切り換え可能な第2切換部と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記第1切換部で前記非接続状態としつつ前記第2切換部で前記連系状態として前記系統電源から前記発電装置内負荷に電力供給し、前記固体酸化物形燃料電池を加熱するステップと、
前記固体酸化物形燃料電池が所定温度に昇温した後、第2切換部で前記解列状態としつつ前記第1切換部で前記接続状態とし、前記固体酸化物形燃料電池で発生した電力を前記インバータを経て前記発電装置内負荷で消費するステップと、
を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。 A solid oxide fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
An anode gas supply path for supplying the fuel gas to the solid oxide fuel cell;
A recirculation path for recirculating exhaust gas discharged from the solid oxide fuel cell to the anode gas supply path;
An inverter connected to a system power source and converting a direct current generated by the solid oxide fuel cell into an alternating current;
A load in the power generator that operates by a predetermined power supply; and
A first switching unit capable of switching between a connected state and a disconnected state of the load in the power generator with respect to the inverter;
A second switching unit capable of switching between a connected state and a disconnected state between the fuel cell device and the system power supply, and a method of operating a fuel cell system,
Supplying the power from the system power supply to the load in the power generator as the interconnected state in the second switching unit while heating the solid oxide fuel cell in the disconnected state at the first switching unit;
After the temperature of the solid oxide fuel cell is raised to a predetermined temperature, the connection state is established in the first switching portion while the disconnection state is established in the second switching portion, and the electric power generated in the solid oxide fuel cell is Consuming the load in the power generator via the inverter;
A method for operating a fuel cell system, comprising:
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