JP2023116093A - Temperature adjustment device of solid oxide electrolysis cell and temperature adjustment method of solid oxide electrolysis cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形電解セルの温度調節の技術に関する。 The present invention relates to techniques for temperature control of solid oxide electrolysis cells.
摂氏600度(℃)~700℃の高温下で動作するSOFC(Solid Oxide Fuel Cell:固体酸化物形燃料電池)およびSOEC(Solid Oxide Electrolyser Cell:固体酸化物水電解)が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載されたSOFCシステムでは、水素と酸素とから発電する燃料電池を動作温度まで昇温させるために、燃焼器内の水素と空気との混合ガスの燃焼が利用される。
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) and SOEC (Solid Oxide Electrolyser Cell) operating at high temperatures of 600 degrees Celsius (° C.) to 700° C. are known (for example, , see Patent Document 1). The SOFC system described in
特許文献1に記載された技術では、燃焼用ガス温度は、燃焼器の過昇温を抑制して、燃焼器の局所的な高温下による強度および耐久性の低下を防止する範囲の温度に制御される。当該温度に制御するためには、大量の空気が燃焼器に供給される必要がある。特許文献1のSOFCシステムは、燃焼器に供給される空気に含まれるN2ガスが燃焼後にサーマルNOxとして大気中に放出されることを防止するため、NOx除去のための処理装置を備える必要がある。
In the technology described in
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、NOxを発生させずに固体酸化物形電解セルを昇温し、固体酸化物形電解セルの起動エネルギーの増加を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described problems, and increases the starting energy of the solid oxide electrolytic cell by raising the temperature of the solid oxide electrolytic cell without generating NOx. The purpose is to suppress
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。 The present invention has been made to solve at least part of the above problems, and can be implemented as the following modes.
(1)本発明の一形態によれば、固体酸化物形電解セルの温度調節装置が提供される。この温度調節装置は、水素を貯蔵する水素タンクと、酸素を貯蔵する酸素タンクと、前記水素タンクから供給された水素と前記酸素タンクから供給された酸素とが混合された混合ガスを燃焼させ、燃焼オフガスを排出して前記固体酸化物形電解セルへと供給する燃焼器と、を備え、前記燃焼器は、理論空燃比よりも水素の割合が大きい水素リッチの前記混合ガスを燃焼させる燃料側燃焼器と、理論空燃比よりも酸素の割合が大きい酸素リッチの前記混合ガスを燃焼させる酸素側燃焼器と、の少なくとも一方を有する。 (1) According to one aspect of the present invention, a temperature control device for a solid oxide electrolytic cell is provided. This temperature control device burns a mixed gas in which a hydrogen tank that stores hydrogen, an oxygen tank that stores oxygen, and hydrogen supplied from the hydrogen tank and oxygen supplied from the oxygen tank are mixed, a combustor that discharges combustion off-gas and supplies it to the solid oxide electrolysis cell, wherein the combustor is a fuel side that burns the hydrogen-rich mixed gas in which the proportion of hydrogen is larger than the stoichiometric air-fuel ratio It has at least one of a combustor and an oxygen-side combustor that burns the oxygen-rich mixed gas in which the proportion of oxygen is higher than the stoichiometric air-fuel ratio.
この構成によれば、燃焼器内で燃焼した燃焼オフガスが固体酸化物形電解セルに供給されることにより、固体酸化物形電解セルが昇温する。燃焼器内で燃焼する混合ガスには空気が含まれていないため、燃焼後の燃焼オフガスには、空気に含まれる窒素と酸素とが高温状態において反応して生成されるサーマルNOxが含まれない。そのため、固体酸化物形電解セルを備えるシステムは、サーマルNOxを除去するための装置を備えずに済む。また、燃料側燃焼器では、水素リッチの混合ガスが燃焼するため、燃料側燃焼器に供給される酸素の流量が調整されることで、混合ガスの燃焼時の断熱火炎温度を制御できる。同じように、酸素側燃焼器では、酸素リッチの混合ガスが燃焼するため、酸素側燃焼器に供給される水素の流量が調整されることで、混合ガスの燃焼時の断熱火炎温度を制御できる。 According to this configuration, the solid oxide electrolysis cell is heated by supplying the combustion off-gas burned in the combustor to the solid oxide electrolysis cell. Since the mixed gas that burns in the combustor does not contain air, the combustion off-gas after combustion does not contain thermal NOx generated by the reaction of nitrogen and oxygen contained in the air at high temperatures. . Therefore, a system with solid oxide electrolysis cells does not need to have a device for removing thermal NOx. In addition, since a hydrogen-rich mixed gas is burned in the fuel side combustor, the adiabatic flame temperature during combustion of the mixed gas can be controlled by adjusting the flow rate of oxygen supplied to the fuel side combustor. Similarly, the oxygen-side combustor burns an oxygen-rich mixed gas, so by adjusting the flow rate of hydrogen supplied to the oxygen-side combustor, the adiabatic flame temperature during combustion of the mixed gas can be controlled. .
(2)上記態様の固体酸化物形電解セルにおいて、さらに、前記固体酸化物形電解セルから排出される前記燃焼オフガスと、前記水素タンクから供給される水素または前記酸素タンクから供給される酸素と熱交換する熱交換器を備えていてもよい。
この構成によれば、熱交換器の熱交換により、固体酸化物形電解セルから排出される高温の燃焼オフガスから、水素タンクから供給される水素または酸素タンクから供給される酸素へと熱が移動する。これにより、燃焼オフガスの顕熱を回収して、固体酸化物形電解セルへと供給される水素または酸素の温度を昇温できる。この結果、本構成では、固体酸化物形電解セルの起動エネルギーの増加を抑制できる。
(2) In the solid oxide electrolysis cell of the above aspect, further, the combustion off-gas discharged from the solid oxide electrolysis cell and hydrogen supplied from the hydrogen tank or oxygen supplied from the oxygen tank A heat exchanger for heat exchange may be provided.
According to this configuration, due to heat exchange in the heat exchanger, heat is transferred from the high-temperature combustion off-gas discharged from the solid oxide electrolytic cell to hydrogen supplied from the hydrogen tank or oxygen supplied from the oxygen tank. do. As a result, the sensible heat of the combustion off-gas can be recovered to raise the temperature of the hydrogen or oxygen supplied to the solid oxide electrolysis cell. As a result, in this configuration, an increase in starting energy of the solid oxide electrolysis cell can be suppressed.
(3)上記態様の固体酸化物形電解セルにおいて、さらに、前記燃焼オフガスが供給されて酸化反応により放熱する蓄熱材であって、前記固体酸化物形電解セルとの間で熱交換可能な蓄熱材を有する蓄熱器と、前記燃焼器による前記混合ガスの燃焼を制御する燃焼制御部と、を備え、前記燃焼制御部は、前記固体酸化物形電解セルの温度を上昇させる場合に、前記蓄熱材の温度が予め設定された所定温度未満の場合に前記燃焼器による理論空燃比の前記混合ガスを燃焼し、前記燃焼オフガスを前記蓄熱器に供給し、前記蓄熱材の温度が前記所定温度以上の場合に、前記燃焼器への前記混合ガスの供給を中止して、前記混合ガスの燃焼を中止してもよい。
この構成によれば、高温で作動していた固体酸化物形電解セルの作動を停止する場合に、蓄熱器が固体酸化物形電解セルの余剰熱を蓄熱できる。蓄熱器に蓄熱された熱は、再度、固体酸化物形電解セルを作動させるときに、固体酸化物形電解セルの加熱に利用できる。そのため、本構成では、蓄熱器の蓄熱と放熱とが利用されることにより、固体酸化物形電解セルの起動エネルギーの増加を抑制できる。また、酸化反応により放熱する蓄熱材は、温度上昇に伴って放熱の反応速度が増大する。そのため、起動初期の固体酸化物形電解セルの温度が所定温度以下のときに、燃焼器により燃焼された混合ガスが蓄熱材に供給されると、蓄熱材の反応速度が増大し、固体酸化物形電解セルの昇温速度が促進される。すなわち、蓄熱材の反応速度を増大させるための外部熱源を備えなくても、燃焼オフガスが蓄熱器に供給されることにより、固体酸化物形電解セルの昇温速度を促進させることができる。
(3) In the solid oxide electrolysis cell of the aspect described above, a heat storage material that is supplied with the combustion off-gas and releases heat through an oxidation reaction, the heat storage material being capable of exchanging heat with the solid oxide electrolysis cell. and a combustion control section for controlling combustion of the mixed gas by the combustor, wherein the combustion control section controls the heat storage when increasing the temperature of the solid oxide electrolysis cell. When the temperature of the material is lower than a preset predetermined temperature, the mixed gas having a stoichiometric air-fuel ratio is combusted by the combustor, the combustion off-gas is supplied to the heat accumulator, and the temperature of the heat storage material is equal to or higher than the predetermined temperature. , the supply of the mixed gas to the combustor may be stopped to stop the combustion of the mixed gas.
According to this configuration, when the operation of the solid oxide electrolysis cell that has been operating at a high temperature is stopped, the heat accumulator can store the surplus heat of the solid oxide electrolysis cell. The heat stored in the heat accumulator can be used to heat the solid oxide electrolysis cell when operating the solid oxide electrolysis cell again. Therefore, in this configuration, heat storage and heat dissipation of the heat accumulator are utilized, thereby suppressing an increase in starting energy of the solid oxide electrolytic cell. In addition, in the heat storage material that releases heat by an oxidation reaction, the heat release reaction speed increases as the temperature rises. Therefore, when the temperature of the solid oxide electrolytic cell at the initial stage of startup is below a predetermined temperature, when the mixed gas burned by the combustor is supplied to the heat storage material, the reaction rate of the heat storage material increases, and the solid oxide The temperature rise rate of the type electrolytic cell is accelerated. That is, even without an external heat source for increasing the reaction speed of the heat storage material, the combustion off-gas is supplied to the heat storage device, thereby accelerating the temperature rise rate of the solid oxide electrolysis cell.
(4)上記態様の固体酸化物形電解セルにおいて、さらに、前記固体酸化物形電解セルを通過した前記燃焼オフガスから水分を分離する気液分離器と、前記気液分離器により水分が分離された前記燃焼オフガスを昇圧する昇圧機と、を備え、前記燃焼器は、前記固体酸化物形電解セルにおいて水素が供給される燃料側に前記燃焼オフガスを供給する燃料側燃焼器を有し、前記昇圧機は、昇圧後の燃料側の前記燃焼オフガスを前記水素タンクに貯蔵してもよい。
この構成によれば、固体酸化物形電解セルの燃料側に供給される燃焼オフガスの燃焼前の混合ガスは、水素リッチのガスである。水素リッチの混合ガスが燃焼した燃焼オフガスには、水蒸気と、未燃の水素とが含まれており、酸素が含まれていない。そのため、気液分離器により水分が除去された燃焼オフガスには、水素しか含まれていない。よって、昇圧機により昇圧された水素しか含まない燃焼オフガスが水素タンクに貯蔵されることにより、未燃の水素を再利用できる。この結果、固体酸化物形電解セルの起動エネルギーの増加を抑制できる。
(4) In the solid oxide electrolysis cell of the above aspect, a gas-liquid separator for separating moisture from the combustion off-gas that has passed through the solid oxide electrolysis cell; a booster for boosting the combustion off-gas, wherein the combustor has a fuel-side combustor for supplying the combustion off-gas to the fuel side to which hydrogen is supplied in the solid oxide electrolysis cell; The booster may store the combustion off-gas on the fuel side after boosting in the hydrogen tank.
According to this configuration, the pre-combustion mixed gas of the combustion off-gas supplied to the fuel side of the solid oxide electrolysis cell is a hydrogen-rich gas. The combustion off-gas resulting from combustion of the hydrogen-rich mixed gas contains water vapor and unburned hydrogen, and does not contain oxygen. Therefore, the combustion off-gas from which moisture has been removed by the gas-liquid separator contains only hydrogen. Therefore, by storing the combustion off-gas containing only hydrogen pressurized by the booster in the hydrogen tank, unburned hydrogen can be reused. As a result, an increase in starting energy of the solid oxide electrolytic cell can be suppressed.
(5)上記態様の固体酸化物形電解セルにおいて、さらに、前記固体酸化物形電解セルの燃料側に供給される前記燃焼オフガスの温度を取得する温度センサと、前記温度センサにより取得された温度を用いて、前記燃料側燃焼器に供給される水素の流量と、酸素の流量とを制御することにより前記固体酸化物形電解セルの温度を調節するセル温度調節部と、を備えていてもよい。
この構成によれば、セル温度調節部は、固体酸化物形電解セルに供給される燃焼オフガスの温度に応じて、固体酸化物形電解セルに供給される水素および酸素の流量を調節して固体酸化物形電解セルの温度を調節する。固体酸化物形電解セルが水蒸気から水素を生成する場合に、固体酸化物形電解セルでは、水素生成による吸熱と、外部への放熱と、電気抵抗によるオーミック加熱(ジュール発熱)とが発生している。固体酸化物形電解セルの温度が低下すると、水素の生成量が低下する。本構成では、セル温度調節部が、固体酸化物形電解セルでの熱バランスを保つように、酸素および水素の供給量を制御することで燃料側燃焼器内での混合ガスの燃焼を制御して、固体酸化物形電解セルの温度を燃焼熱により調節する。水素生成のための原料用の水蒸気と比較して、燃料側燃焼器内の混合ガスの燃焼後に生成される水蒸気の量は極めて微量である。そのため、本構成では、原料諸元(例えば、濃度や流量)を大きく変化させることなく、固体酸化物形電解セルに供給される原料水蒸気のガス温度を一定に維持できる。これにより、固体酸化物形電解セルに原料用の水蒸気を供給する蒸発器等での生成蒸気温度の変動が発生しても、燃料側燃焼器での熱量補正により固体酸化物形電解セルの温度を一定に維持できる。
(5) In the solid oxide electrolysis cell of the above aspect, a temperature sensor for acquiring the temperature of the combustion off-gas supplied to the fuel side of the solid oxide electrolysis cell, and the temperature acquired by the temperature sensor and a cell temperature adjustment unit that adjusts the temperature of the solid oxide electrolysis cell by controlling the flow rate of hydrogen and the flow rate of oxygen supplied to the fuel side combustor using good.
According to this configuration, the cell temperature adjustment unit adjusts the flow rates of hydrogen and oxygen supplied to the solid oxide electrolysis cell according to the temperature of the combustion off-gas supplied to the solid oxide electrolysis cell to Adjust the temperature of the oxide form electrolytic cell. When a solid oxide electrolysis cell generates hydrogen from water vapor, heat absorption due to hydrogen generation, heat radiation to the outside, and ohmic heating (Joule heating) due to electrical resistance occur in the solid oxide electrolysis cell. there is As the temperature of the solid oxide electrolytic cell decreases, the amount of hydrogen produced decreases. In this configuration, the cell temperature control section controls the combustion of the mixed gas in the fuel-side combustor by controlling the supply amounts of oxygen and hydrogen so as to maintain the heat balance in the solid oxide electrolysis cell. to adjust the temperature of the solid oxide electrolysis cell by the heat of combustion. The amount of water vapor produced after combustion of the gas mixture in the fuel side combustor is very small compared to the water vapor for feedstock for hydrogen production. Therefore, in this configuration, the gas temperature of the raw material steam supplied to the solid oxide electrolysis cell can be kept constant without greatly changing the raw material specifications (for example, concentration and flow rate). As a result, even if the temperature of the generated steam fluctuates in the evaporator or the like that supplies raw material steam to the solid oxide electrolysis cell, the temperature of the solid oxide electrolysis cell can be maintained by correcting the heat quantity in the fuel-side combustor. can be kept constant.
(6)上記態様の固体酸化物形電解セルにおいて、さらに、前記固体酸化物形電解セルを通過した前記燃焼オフガスから水分を分離する気液分離器と、前記気液分離器により水分が分離された前記燃焼オフガスを昇圧する昇圧機と、を備え、前記燃焼器は、前記固体酸化物形電解セルにおいて酸素が供給される酸素側に前記燃焼オフガスを供給する酸素側燃焼器を有し、前記昇圧機は、昇圧後の酸素側の前記燃焼オフガスを前記酸素タンクに貯蔵してもよい。
この構成によれば、固体酸化物形電解セルの酸素側に供給される燃焼オフガスの燃焼前の混合ガスは、酸素リッチのガスである。酸素リッチの混合ガスが燃焼した燃焼オフガスには、水蒸気と、未燃の酸素とが含まれており、水素が含まれていない。そのため、気液分離器により水分が除去された燃焼オフガスには、酸素しか含まれていない。よって、昇圧機により昇圧された酸素しか含まない燃焼オフガスが酸素タンクに貯蔵されることにより、未燃の酸素を再利用できる。この結果、固体酸化物形電解セルの起動エネルギーの増加を抑制できる。
(6) The solid oxide electrolysis cell of the above aspect further includes a gas-liquid separator for separating moisture from the combustion off-gas that has passed through the solid oxide electrolysis cell, and moisture is separated by the gas-liquid separator. a booster for boosting the combustion off-gas, wherein the combustor has an oxygen-side combustor for supplying the combustion off-gas to the oxygen side to which oxygen is supplied in the solid oxide electrolysis cell; The booster may store the combustion off-gas on the oxygen side after boosting in the oxygen tank.
According to this configuration, the pre-combustion mixed gas of the combustion off-gas supplied to the oxygen side of the solid oxide electrolysis cell is an oxygen-rich gas. The combustion off-gas resulting from combustion of the oxygen-rich mixed gas contains water vapor and unburned oxygen, and does not contain hydrogen. Therefore, the combustion off-gas from which moisture has been removed by the gas-liquid separator contains only oxygen. Therefore, by storing the combustion off-gas containing only oxygen pressurized by the booster in the oxygen tank, the unburned oxygen can be reused. As a result, an increase in starting energy of the solid oxide electrolytic cell can be suppressed.
(7)上記態様の固体酸化物形電解セルにおいて、前記燃料側燃焼器から前記固体酸化物形電解セルの燃料側に流入する燃料側の前記燃焼オフガスの流れ方向と、前記酸素側燃焼器から前記固体酸化物形電解セルの酸素側に流入する酸素側の前記燃焼オフガスの流れ方向とは対向していてもよい。
この構成によれば、固体酸化物形電解セルの燃料側と酸素側との両方に燃料オフガスが供給される。これにより、燃焼オフガスから固体酸化物形電解セルへと熱交換するための伝熱面積が増大する。この結果、固体酸化物形電解セルの温度が作動温度までの昇温に要する時間を短縮でき、固体酸化物形電解セルの起動エネルギーの増加を抑制できる。また、固体酸化物形電解セルの燃料側と、酸素側とのそれぞれに供給される燃焼オフガスの流れ方向が対向しているため、流れ方向の熱移動量に依存した昇温中の固体酸化物形電解セル内の温度分布の差を軽減できる。また、2つのガス流れ方向が対向することにより、固体酸化物形電解セルの昇温時間をさらに短縮でき、ガスの流れ方向の温度分布に依存した熱膨張差の発生を抑制できる。この結果、短時間で固体酸化物形電解セルを起動する際の構成部品の破壊および性能劣化を抑制できる。
(7) In the solid oxide electrolysis cell of the aspect described above, the flow direction of the combustion off-gas on the fuel side flowing from the fuel side combustor into the fuel side of the solid oxide electrolysis cell, and the direction of flow from the oxygen side combustor. The flow direction of the combustion off-gas on the oxygen side flowing into the oxygen side of the solid oxide electrolysis cell may be opposite.
According to this configuration, the fuel off-gas is supplied to both the fuel side and the oxygen side of the solid oxide electrolysis cell. This increases the heat transfer area for heat exchange from the combustion off-gas to the solid oxide electrolysis cell. As a result, the time required for the temperature of the solid oxide electrolysis cell to rise to the operating temperature can be shortened, and an increase in the start-up energy of the solid oxide electrolysis cell can be suppressed. In addition, since the flow directions of the combustion off-gas supplied to the fuel side and the oxygen side of the solid oxide electrolysis cell are opposite to each other, the solid oxide during temperature rise depends on the amount of heat transfer in the flow direction. It can reduce the difference in temperature distribution in the type electrolytic cell. In addition, since the two gas flow directions face each other, the heating time of the solid oxide electrolysis cell can be further shortened, and the generation of the thermal expansion difference depending on the temperature distribution in the gas flow direction can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the breakage of the component parts and the deterioration of the performance when starting the solid oxide electrolysis cell in a short period of time.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、固体酸化物形電解セル、SOEC、SOFC、固体酸化物形電解セルの温度調節装置、固体酸化物形電解セルの温度調節方法、固体酸化物形電解セルの温度制御方法およびこれらの装置を備えるシステム、これら装置を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 The present invention can be implemented in various aspects, for example, solid oxide electrolysis cell, SOEC, SOFC, temperature control device for solid oxide electrolysis cell, temperature controller for solid oxide electrolysis cell An adjustment method, a temperature control method for a solid oxide electrolytic cell, a system comprising these devices, a computer program for executing these devices, a server device for distributing this computer program, and a non-temporary storage of the computer program It can be implemented in the form of a storage medium or the like.
<第1実施形態>
図1は、本発明の一実施形態としてのSOFC(Solid Oxide Fuel Cell:固体酸化物形燃料電池)システム100の概略ブロック図である。本実施形態のSOFCシステム100(温度調節装置)では、複数の固体酸化物形の電解セルが積層されたセルスタック10が、およそ摂氏700度(℃)の作動温度下で、供給された水素と酸素とを化学反応させることにより発電する。本実施形態では、作動温度に達していないセルスタック10に対して、燃料側燃焼器41と、酸素側燃焼器42とが、水素と酸素とを含む混合ガスを燃焼し、燃焼熱によりセルスタック10を昇温させる。燃料側燃焼器41および酸素側燃焼器42の燃焼では、空気を使用しないため、セルスタック10の昇温過程で窒素化合物(NOx)が生成されない。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic block diagram of a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
図1に示されるように、SOFCシステム100は、セルスタック10と、水素を貯蔵する水素タンク31と、酸素を貯蔵する酸素タンク32と、混合ガスを燃焼する燃料側燃焼器41および酸素側燃焼器42と、ガス中の水分を分離する気液分離器51,52と、水を貯蔵する水タンク71,72と、ガスを昇圧する昇圧機61,62と、ガスの温度を検出する温度センサS1~S4と、SOFCシステム100の各部を制御する制御部20と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
図1では、各部を接続し、ガスが流れる配管が実線で表されている。図1に示される状態は、セルスタック10が発電を開始する前の状態である。具体的には、図1には、セルスタック10が発電時の作動温度(約700℃)まで昇温しておらず、燃料側燃焼器41内および酸素側燃焼器42内の混合ガスの燃焼によりセルスタック10を加熱している状態が示されている。なお、以降では、燃料側燃焼器41と酸素側燃焼器42とを合わせて、単に「燃焼器41,42」とも呼ぶ。
In FIG. 1 , piping that connects each part and through which gas flows is represented by a solid line. The state shown in FIG. 1 is the state before the
セルスタック10を構成する電解セルとして、例えば、イットリアをドープしたジルコニア(YSZ)、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる燃料電池単セルを用いることができる。図1に示されるように、セルスタック10は、発電時に、水素を含むガスが供給される燃料側(アノード)11と、酸素を含むガスが供給される酸素側(カソード)12とを有している。
As the electrolytic cell constituting the
燃焼器41,42は、水素タンク31から供給された水素と、酸素タンク32から供給された酸素との混合ガスを燃焼する点火装置を備えている。燃料側燃焼器41に供給される混合ガスは、図示されていないマスフローコントローラが制御部20により制御されることで、理論空燃比よりも水素の割合が多い水素リッチになるように制御されている。燃料側燃焼器41は、水素に対して酸素が吹き込まれた混合ガスを燃焼する拡散燃焼方式を用いる。燃焼後の燃焼オフガスは、セルスタック10の燃料側11に供給される。燃焼する混合ガスが水素リッチであるため、燃料側11に供給される燃焼オフガスである燃料側オフガスは、水素と、水蒸気とを含み、酸素を含んでいない。
The
酸素側燃焼器42に供給される混合ガスは、理論空燃比よりも酸素の割合が多い酸素リッチになるように制御されている。酸素側燃焼器42は、酸素に対して水素が吹き込まれた混合ガスを燃焼する拡散燃焼方式を用いる。燃焼後の燃焼オフガスは、セルスタック10の酸素側12に供給される。燃焼する混合ガスが酸素リッチであるため、酸素側12に供給される燃焼オフガスである酸素側オフガスは、酸素と、水蒸気とを含み、水素を含んでいない。
The mixed gas supplied to the oxygen-
制御部20は、温度センサS1により検出される水素の温度TH2と、温度センサS2により検出される酸素の温度TO2とを用いて、燃料側燃焼器41内の混合ガスのガス比を調整する。同じように、制御部20は、温度センサS3により検出される水素の温度TH2と、温度センサS4により検出される酸素の温度TO2とを用いて、酸素側燃焼器42内の混合ガスのガス比を調整する。なお、調整される燃焼器41,42内の混合ガスのガス比の詳細については後述する。
The
気液分離器51は、セルスタック10の燃料側11から排出される燃料側オフガスから水を分離し、分離した水を水タンク71に貯蔵する。また、気液分離器51は、大気に放熱することにより燃料側オフガスを冷却する。気液分離器51により水が分離された燃料側オフガスは、水素で構成されている。燃料側オフガスは、昇圧機61により昇圧されて、水素タンク31に貯蔵される。
The gas-
気液分離器52は、セルスタック10の酸素側12から排出される酸素側オフガスから水を分離し、分離した水を水タンク72に貯蔵する。また、気液分離器52は、大気に放熱することにより酸素側オフガスを冷却する。気液分離器52により水が分離された酸素側オフガスは、酸素で構成されている。燃焼オフガスは、昇圧機62により昇圧されて、酸素タンク32に貯蔵される。
The gas-
制御部20は、温度センサS1~S4が検出するガスの温度TH2,TO2を用いて、燃焼器41,42内で燃焼する混合ガスの燃焼ガス温度(断熱火炎温度)を制御する。断熱火炎温度Tは、下記式(1)に示される、燃焼する混合ガスの酸素過剰率Kにより決定される。
制御部20は、上記式(1)の代わりに、断熱火炎温度Tと、燃焼される混合ガス中の水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを用いて、下記式(2)に示される関係から、酸素過剰率Kを求める。制御部20は、断熱火炎温度Tにより生じる熱量Qと、酸素過剰率Kとにより決定する投入水素量(水素吹き込み量)Fa_H2と、投入酸素量(酸素吹き込み量)Fa_O2とを決定する。制御部20は、マスフローコントローラを制御することにより、決定された投入水素量Fa_H2および投入酸素量Fa_O2を各燃焼器41,42に供給する。なお、熱量Qと、酸素過剰率Kとにより決定する投入水素量Fa_H2および投入酸素量Fa_O2は、予め測定されたマップにより決定する。
図2は、酸素過剰率Kと断熱火炎温度Tとの関係図である。図2には、左の縦軸の数値に対応するように、断熱火炎温度Tに応じて変化する酸素リッチの場合の酸素過剰率Kの変化曲線C1(実線)が示されている。また、図2には、右の縦軸の数値に対応するように、断熱火炎温度Tに応じて変化する水素リッチの場合の酸素過剰率Kの変化曲線C2(破線)が示されている。例えば、図2に実線の直線で示される400℃から830℃までセルスタック10を昇温させる場合には、酸素側燃焼器42で燃焼する酸素リッチの混合ガスの酸素過剰率Kが、40から17まで変化すればよい。同じように、セルスタック10を830℃まで昇温させる場合に、燃料側燃焼器41で燃焼する水素リッチの混合ガスの酸素過剰率Kが、0.05から0.11まで変化すればよい。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the excess oxygen ratio K and the adiabatic flame temperature T. As shown in FIG. FIG. 2 shows a change curve C1 (solid line) of the excess oxygen ratio K in the oxygen-rich case that changes according to the adiabatic flame temperature T so as to correspond to the numerical values on the left vertical axis. FIG. 2 also shows a change curve C2 (broken line) of the excess oxygen ratio K in the hydrogen-rich case that changes according to the adiabatic flame temperature T so as to correspond to the numerical values on the right vertical axis. For example, when the temperature of the
図3は、セルスタック10に流入する燃焼オフガスの流れ方向の説明図である。図3には、セルスタック10の一部として、積層された2つの電解セル(固体酸化物形電解セル)13の概略斜視図が示されている。なお、図3では、積層方向に平行な軸をZ軸として、Z軸に対してそれぞれ直交するX軸と、Y軸とを備える直交座標系CSを定義している。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the flow direction of the combustion off-gas flowing into the
図3に示されるように、電解セル13は、燃料側(アノード)11と酸素側(カソード)12との間に配置された電解質膜14を有している。本実施形態では、燃料側燃焼器41から電解セル13の燃料側11へと流入する燃料側オフガスの流れ方向と、酸素側燃焼器42から電解セル13の酸素側12へと流入する酸素側オフガスの流れ方向とは、対向している。なお、以降では、燃料側11へと流入する燃料側オフガスの流れ方向を「燃料側流れ方向」とも呼び、酸素側12へと流入する酸素側オフガスの流れ方向を「酸素側流れ方向」とも呼ぶ。
As shown in FIG. 3, the
図4および図5は、燃料オフガスの流れ方向に応じて変化するセルスタック10の温度の説明図である。図4には、図3に示されるように、燃料側流れ方向と酸素側流れ方向とが対向している対向流におけるセルスタック10の温度変化C3が実線で示されている。また、図4には、燃料側流れ方向と酸素側流れ方向とが同じ方向である並行流におけるセルスタック10の温度変化C4が破線で示されている。また、図4には、比較例として、酸素側12のみに水素と空気との混合ガスが燃焼した酸素側オフガスがセルスタック10に供給された場合の温度変化C5が一点鎖線で示されている。なお、いずれの温度変化C3~C5も、断熱火炎温度Tが650℃の同流量の燃焼オフガスがセルスタック10に供給されている。
4 and 5 are explanatory diagrams of the temperature of the
図4に示されるように、対向流の温度変化C3は、並行流の温度変化C4よりもセルスタック10の温度を高く昇温できる。また、対向流および並行流の温度変化C3,C4と、比較例の温度変化C5とで示されるように、対向流および並行流では、比較例よりもセルスタック10の温度を大きく昇温できる。
As shown in FIG. 4, the counterflow temperature change C3 can raise the temperature of the
図5には、燃焼オフガスを供給してセルスタック10を温め始めてから2時間経過後において、燃焼オフガスの流れ方向(図3のY軸方向)におけるセルスタック10の温度分布が示されている。図5では、燃料側11の入口から出口までの距離を1として、流れ方向に沿う距離を正規化した位置に応じた温度が示されている。図5には、対向流の温度変化C6(実線)と、並行流の温度変化C7(破線)と、比較例の温度変化C8(一点鎖線)とが示されている。
FIG. 5 shows the temperature distribution of the
図5の温度変化C6に示されるように、対向流の燃料側11における入口側の温度と、出口側の温度との温度差が、並行流および比較例よりも小さい。並行流の出口側の温度は、温度変化C7で示されるように、入口側の温度より若干低くなっている。一方で、比較例の出口側の温度は、温度変化C8で示されるように、入口側の温度よりも100℃以上低くなっている。
As shown by the temperature change C6 in FIG. 5, the temperature difference between the temperature on the inlet side and the temperature on the outlet side in the
以上説明したように、本実施形態のSOFCシステム100は、水素を貯蔵する水素タンク31と、酸素を貯蔵する酸素タンク32と、混合ガスを燃焼する燃焼器41,42と、を備えている。燃焼器41,42は、水素タンク31から供給された水素と、酸素タンク32から供給された酸素との混合ガスを燃焼する。そのため、燃焼器41,42内で燃焼した燃焼オフガスがセルスタック10に供給されることにより、セルスタック10が昇温する。燃焼器41,42内で燃焼する混合ガスには空気が含まれていないため、燃焼後の燃焼オフガスには、空気に含まれる窒素と酸素とが高温状態において反応して生成されるサーマルNOxが含まれない。そのため、SOFCシステム100は、サーマルNOxを除去するための装置を備えずに済む。また、燃料側燃焼器41では、水素リッチの混合ガスが燃焼するため、燃料側燃焼器41に供給される酸素の流量が調整されることで、混合ガスの燃焼時の断熱火炎温度を制御できる。同じように、酸素側燃焼器42では、酸素リッチの混合ガスが燃焼するため、酸素側燃焼器42に供給される水素の流量が調整されることで、混合ガスの燃焼時の断熱火炎温度を制御できる。
As described above, the
また、本実施形態の気液分離器51は、セルスタック10の燃料側11から排出される燃料側オフガスから水を分離する。昇圧機61は、気液分離器51により水が分離された燃料側オフガスを昇圧して、水素タンク31に貯蔵する。セルスタック10の燃料側11に供給される燃料側オフガスの燃焼前の混合ガスは、水素リッチのガスである。水素リッチの混合ガスが燃焼した燃料側オフガスには、水蒸気と、未燃の水素とが含まれており、酸素が含まれていない。そのため、気液分離器51により水が除去された燃料側オフガスには、水素しか含まれていない。よって、昇圧機61により昇圧された水素しか含まない燃料側オフガスが水素タンク31に貯蔵されることにより、未燃の水素を再利用できる。この結果、セルスタック10の起動エネルギーの増加を抑制できる。
Further, the gas-
また、本実施形態の気液分離器52は、セルスタック10の酸素側12から排出される酸素側オフガスから水を分離する。昇圧機62は、気液分離器52により水が分離された酸素側オフガスを昇圧して、酸素タンク32に貯蔵する。セルスタック10の酸素側12に供給される酸素側オフガスの燃焼前の混合ガスは、酸素リッチのガスである。酸素リッチの混合ガスが燃焼した酸素側オフガスには、水蒸気と、未燃の酸素とが含まれており、水素が含まれていない。そのため、気液分離器52により水が除去された酸素側オフガスには、酸素しか含まれていない。よって、昇圧機62により昇圧された酸素しか含まない酸素側オフガスが酸素タンク32に貯蔵されることにより、未燃の酸素を再利用できる。この結果、セルスタック10の起動エネルギーの増加を抑制できる。
Further, the gas-
また、本実施形態では、図3に示されるように、燃料側燃焼器41から電解セル13の燃料側11へと流入する燃料側オフガスの流れ方向と、酸素側燃焼器42から電解セル13の酸素側12へと流入する酸素側オフガスの流れ方向とは、対向している。すなわち、本実施形態では、セルスタック10の燃料側11と酸素側12との両方に燃料オフガスが供給される。これにより、燃焼オフガスからセルスタック10へと熱交換するための伝熱面積が増大する。この結果、セルスタック10の温度が作動温度までの昇温に要する時間を短縮でき、セルスタック10の起動エネルギーの増加を抑制できる。また、燃料側オフガスの流れ方向と、酸素側オフガスの流れ方向が対向しているため、図5に示されるように、流れ方向の熱移動量に依存した昇温中のセルスタック10内の温度分布の差を軽減できる。また、2つの燃焼オフガスの流れ方向が対向することにより、セルスタック10の昇温時間をさらに短縮でき、燃焼オフガスの流れ方向の温度分布に依存した熱膨張差の発生を抑制できる。この結果、短時間でセルスタック10を起動する際の構成部品の破壊および性能劣化を抑制できる。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. The flow direction of the oxygen side off-gas flowing into the
また、本実施形態の燃料側燃焼器41では水素に対して酸素が吹き込まれ、酸素側燃焼器42では酸素に対して水素が吹き込まれる拡散燃焼方式が用いられる。そのため、燃焼前の混合ガスの温度が自着火温度以上であっても、予混合燃焼で問題となる逆火現象の発生を抑制できる。そのため、SOFCシステム100は、特別な逆火抑制機能を有する装置が不要な簡単な構成で混合ガスを燃焼できる。また、本実施形態では、燃焼オフガスの酸素分圧が燃料側に調整(水蒸気と多量の水素による低酸素分圧)されているため、電解セル13の電極酸化による劣化への影響が極めて小さい。そのため、燃料側11の流路を介したセルスタック10への熱供給が可能となる。
Further, a diffusion combustion method is used in which oxygen is blown into hydrogen in the fuel-
<第2実施形態>
図6は、第2実施形態のSOFCシステム100aの概略ブロック図である。第2実施形態のSOFCシステム100aは、第1実施形態のSOFCシステム100に対して、さらに、燃料側熱交換器(熱交換器)81および酸素側熱交換器(熱交換器)82と、温度センサS5,S6と、調節バルブCV1~CV4とを備えている。第2実施形態の制御部20aは、温度センサS1~S6により検出されるガスの温度TH2,TO2,Ta,Tcを用いて調節バルブCV1~CV4を制御することにより、燃焼器41,42に供給する水素の流量および酸素の流量を調整する。
<Second embodiment>
FIG. 6 is a schematic block diagram of the
図6に示されるように、燃料側熱交換器81は、セルスタック10の燃料側11から排出される燃料側オフガスと、水素タンク31から供給される水素との間で熱交換を行う。燃料側11から排出される高温の燃料側オフガスから、燃料側燃焼器41へと供給される低温の水素へと熱が移動することにより、水素が加熱される。同じように、酸素側熱交換器82は、セルスタック10の酸素側12から排出される酸素側オフガスと、酸素タンク32から供給される酸素との間で熱交換を行う。酸素側12から排出される高温の酸素側オフガスから、酸素側燃焼器42へと供給される低温の酸素へと熱が移動することにより、酸素が加熱される。
As shown in FIG. 6 , the fuel-
制御部20aは、燃焼器41,42の断熱火炎温度Tを設定する。例えば、ユーザによる操作等を受け付けることにより、制御部20aは、断熱火炎温度Tを設定する。制御部20aは、設定された断熱火炎温度Tと、温度センサS5により検出されたセルスタック10の燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taとを比較して、調節バルブCV1,CV2を制御する。調節バルブCV1が制御されることにより、燃料側熱交換器81により加熱されて燃料側燃焼器41に供給される水素の流量F_cv1が設定される。調節バルブCV2が制御されることにより、燃料側燃焼器41に吹き込まれる酸素の流量F_cv2が設定される。なお、第2実施形態では、燃料側燃焼器41に設定される断熱火炎温度Tと、酸素側燃焼器42に設定される断熱火炎温度Tとは同じであるが、他の実施形態では異なっていてもよい。
The
制御部20aは、燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taから断熱火炎温度Tを差し引いた温度が予め設定された閾値ε1よりも小さい場合に、燃料側燃焼器41内の混合ガスを燃焼する。制御部20aは、第1実施形態と同じように、断熱火炎温度Tと、燃料側燃焼器41内の混合ガス中の水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを上記式(2)を用いることにより、酸素過剰率Kを求める。制御部20aは、求められた酸素過剰率Kと、断熱火炎温度Tにより生じる熱量Qとから、燃料側燃焼器41に供給される水素の流量F_cv1および酸素の流量F_cv2を設定する。
When the temperature obtained by subtracting the adiabatic flame temperature T from the temperature Ta of the fuel-side off-gas supplied to the fuel-
制御部20aは、設定された断熱火炎温度Tと、温度センサS6により検出されたセルスタック10の酸素側12に供給される酸素側燃焼オフガスの温度Tcとを比較して、調節バルブCV3,CV4を制御する。調節バルブCV3が制御されることにより、酸素側熱交換器82により加熱されて酸素側燃焼器42に供給される水素の流量F_cv3が設定される。調節バルブCV4が制御されることにより、酸素側燃焼器42に吹き込まれる酸素の流量F_cv4が設定される。制御部20aは、酸素側12に供給される酸素側オフガスの温度Tcから断熱火炎温度Tを差し引いた温度が予め設定された閾値ε2よりも小さい場合に、酸素側燃焼器42内の混合ガスを燃焼する。制御部20aは、断熱火炎温度Tと、酸素側燃焼器42内の混合ガス中の水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを用いて、酸素過剰率Kを求める。制御部20aは、求められた酸素過剰率Kと、断熱火炎温度Tにより生じる熱量Qとから、酸素側燃焼器42に供給される水素の流量F_cv3および酸素の流量F_cv4を設定する。
The
図7は、第2実施形態の温度調節の制御方法のフローチャートである。図7に示される温度調節フローでは、初めに、制御部20aが、燃焼器41,42の断熱火炎温度Tを設定する(ステップS1)。制御部20aは、温度センサS1,S2により検出される燃料側燃焼器41に供給される水素の温度TH2および酸素の温度TO2と、セルスタック10の燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taとを取得する(ステップS12)。
FIG. 7 is a flow chart of a temperature adjustment control method according to the second embodiment. In the temperature adjustment flow shown in FIG. 7, first, the
制御部20aは、燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taから断熱火炎温度Tを差し引いた差が閾値ε1よりも小さいか否かを判定する(ステップS13)。当該差が閾値ε1よりも小さい場合には(ステップS13:YES)、制御部20aは、ステップS12以降の処理を繰り返す。当該差が閾値ε1以上の場合には(ステップS13:NO)、制御部20aは、断熱火炎温度Tと、水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを用いて酸素過剰率Kを求める(ステップS14)。制御部20aは、求められた酸素過剰率Kと、断熱火炎温度Tから算出される熱量Qとを用いて、燃料側燃焼器41に供給する水素の流量F_cv1および酸素の流量F_cv2を算出する(ステップS15)。制御部20aは、算出された水素の流量F_cv1および酸素の流量F_cv2となるように、調節バルブCV1,CV2を制御する(ステップS16)。その後、制御部20aは、セルスタック10の起動動作を終了するか否かを判定する(ステップS17)。セルスタック10の起動動作を終了しない場合には(ステップS17:NO)、制御部20aは、ステップS12以降の処理を繰り返す。
The
ステップS1において断熱火炎温度Tが設定されると、制御部20aは、温度センサS3,S4により検出される酸素側燃焼器42に供給される水素の温度TH2および酸素の温度TO2と、セルスタック10の酸素側12に供給される酸素側オフガスの温度Tcとを取得する(ステップS22)。制御部20aは、酸素側12の温度Tcから断熱火炎温度Tを差し引いた差が閾値ε2よりも小さいか否かを判定する(ステップS23)。当該差が閾値ε2よりも小さい場合には(ステップS23:YES)、制御部20aは、ステップS22以降の処理を繰り返す。当該差が閾値ε1以上の場合には(ステップS23:NO)、制御部20aは、断熱火炎温度Tと、水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを用いて酸素過剰率Kを求める(ステップS24)。制御部20aは、求められた酸素過剰率Kと、断熱火炎温度Tから算出される熱量Qとを用いて、酸素側燃焼器42に供給する水素の流量F_cv3および酸素の流量F_cv4を算出する(ステップS25)。制御部20aは、算出された水素の流量F_cv3および酸素の流量F_cv4となるように、調節バルブCV3,CV4を制御する(ステップS26)。その後、制御部20aは、セルスタック10の動作を終了するか否かを判定する(ステップS27)。セルスタック10の起動動作を終了しない場合には(ステップS27:NO)、制御部20aは、ステップS22以降の処理を繰り返す。ステップS17およびステップS27の処理において、セルスタック10の温度が定常作動する温度まで昇温して、起動動作を停止する場合には(ステップS17,27:YES)、制御部20aは、温度調節フローを終了する。その後、セルスタック10は、水素と酸素とを用いて発電する定常動作へと移行する。
When the adiabatic flame temperature T is set in step S1, the
以上説明したように、第2実施形態の燃料側熱交換器81は、セルスタック10の燃料側11から排出される燃料側オフガスと、水素タンク31から供給される水素との間で熱交換を行う。同じように、酸素側熱交換器82は、セルスタック10の酸素側12から排出される酸素側オフガスと、酸素タンク32から供給される酸素との間で熱交換を行う。そのため、燃料側熱交換器81の熱交換により、セルスタック10から排出される高温の燃料側オフガスから、水素タンク31から供給される水素へと熱が移動する。同じように、酸素側熱交換器82の熱交換により、セルスタック10から排出される高温の酸素側オフガスから、酸素タンク32から供給される酸素へと熱が移動する。これにより、燃焼オフガスの顕熱を回収して、セルスタック10へと供給される水素または酸素の温度を昇温できる。この結果、第2実施形態では、セルスタック10の起動エネルギーの増加を抑制できる。
As described above, the fuel
<第3実施形態>
図8は、第3実施形態のSOECシステム(温度調節装置)101の概略ブロック図である。第3実施形態のSOECシステム101は、蒸発器19で生成された高温水蒸気をセルスタック10で電気分解することにより、セルスタック10で水素を生成する。SOECシステム101では、セルスタック10が昇温して水素を生成している状態で、水素タンク31から供給された水素を含む高温水蒸気を燃料側燃焼器41に供給し、燃料側燃焼器41に酸素を吹き込んで燃焼させる。制御部20bは、セルスタック10に供給される高温水蒸気の温度に応じて、燃料側燃焼器41に供給する酸素の流量と、吹き込む水素の流量を調節することにより、水素生成中のセルスタック10の温度を一定に維持する。なお、第3実施形態では、第1実施形態のSOFCシステム100および第2実施形態のSOFCシステム100aと異なる構成等について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 8 is a schematic block diagram of the SOEC system (temperature control device) 101 of the third embodiment. The
図8に示されるように、SOECシステム101は、セルスタック10と、水素タンク31と、酸素タンク32と、燃料側燃焼器41と、燃料側熱交換器81と、酸素側熱交換器82と、気液分離器51,52と、昇圧機61,62と、水タンク71,72と、蒸発器19と、温度センサS1,S2,S5と、調節バルブCV1b、CV2b,CV5と、制御部20b(温度調節部)と、を備えている。蒸発器19は、調節バルブCV5を介して供給される液体の水を加熱することにより、高温の水蒸気を生成する。調節バルブCV5は、蒸発器19に供給される水の流量を調節する。セルスタック10に要求される水素の生成量に応じて、調節バルブCV5が調節される。
As shown in FIG. 8, the
制御部20bは、温度センサS1,S2,S5により検出されるガスの温度TH2,TO2,Taを用いて調節バルブCV1b,CV2bを制御することにより、燃料側燃焼器41に供給される水素および酸素の流量を調節する。具体的には、初めに、制御部20bは、第2実施形態と同じように、燃料側燃焼器41の断熱火炎温度Tを設定する。制御部20bは、断熱火炎温度Tと、温度センサS5により検出されたセルスタック10の燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taとを比較して、調節バルブCV1,CV2を制御する。調節バルブCV1bが制御されることにより、燃料側熱交換器81により加熱されて燃料側燃焼器41に供給される水素の流量F_cv1が設定される。調節バルブCV2bが制御されることにより、燃料側燃焼器41に吹き込まれる酸素の流量F_cv2が設定される。
The
制御部20bは、燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taから断熱火炎温度Tを差し引いた温度が予め設定された閾値ε3よりも小さい場合に、燃料側燃焼器41に吹き込む酸素の流量を制御することにより、燃料側燃焼器41内の混合ガスを燃焼する。セルスタック10の温度Taが十分に高い場合には、燃料側燃焼器41内の混合ガスは、点火しなくても燃焼する。制御部20bは、第1実施形態と同じように、断熱火炎温度Tと、燃料側燃焼器41内の混合ガス中の水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを上記式(2)に代入することにより、酸素過剰率Kを求める。制御部20bは、求められた酸素過剰率Kと、断熱火炎温度Tにより生じる熱量Qとから、燃料側燃焼器41に供給される水素の流量F_cv1および酸素の流量F_cv2を設定する。
When the temperature obtained by subtracting the adiabatic flame temperature T from the temperature Ta of the fuel-side off-gas supplied to the fuel-
図9は、第3実施形態の温度調節の制御方法のフローチャートである。図9に示される温度調節フローでは、初めに、制御部20bが、燃料側燃焼器41の断熱火炎温度Tを設定する(ステップS31)。制御部20bは、温度センサS1,S2により検出される燃料側燃焼器41に供給される水素の温度TH2および酸素の温度TO2と、セルスタック10の燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taとを取得する(ステップS32)。
FIG. 9 is a flow chart of a temperature adjustment control method according to the third embodiment. In the temperature adjustment flow shown in FIG. 9, first, the
制御部20bは、燃料側11に供給される燃料側オフガスの温度Taから断熱火炎温度Tを差し引いた差が閾値ε3よりも小さいか否かを判定する(ステップS33)。当該差が閾値ε3よりも小さい場合には(ステップS33:YES)、制御部20bは、ステップS32以降の処理を繰り返す。当該差が閾値ε3以上の場合には(ステップS33:NO)、制御部20bは、断熱火炎温度Tと、水素の温度TH2および酸素の温度TO2とを用いて酸素過剰率Kを求める(ステップS34)。制御部20bは、求められた酸素過剰率Kと、断熱火炎温度Tから算出される熱量Qとを用いて、燃料側燃焼器41に供給する水素の流量F_cv1および酸素の流量F_cv2を算出する(ステップS35)。制御部20bは、算出された水素の流量F_cv1および酸素の流量F_cv2となるように、調節バルブCV1b,CV2bを制御する(ステップS36)。ガス比が制御された燃料側燃焼器41内の混合ガスは燃焼する。その後、制御部20bは、セルスタック10の運転を終了するか否かを判定する(ステップS37)。セルスタック10の起動動作を終了しない場合には(ステップS37:NO)、制御部20bは、ステップS32以降の処理を繰り返す。セルスタック10の運転を終了する場合には(ステップS37:YES)、制御部20bは、水素および酸素の供給を停止し、セルスタック10の運転を終了し、温度調節フローを終了する。
The
第3実施形態のSOECシステム101では、制御部20bは、温度センサS1,S2,S5により検出されるガスの温度TH2,TO2,Taを用いて調節バルブCV1b,CV2bを制御することにより、燃料側燃焼器41に供給される水素および酸素の流量を調節する。セルスタック10が高温水蒸気から水素を生成する場合に、セルスタック10では、水素生成による吸熱と、外部への放熱と、電気抵抗によるオーミック加熱(ジュール発熱)とが発生している。セルスタック10の温度が低下すると、水素の生成量が低下する。本実施形態では、制御部20bが、セルスタック10での熱バランスを保つように、酸素および水素の供給量を制御することで燃料側燃焼器41内での混合ガスの燃焼を制御して、セルスタック10の温度を燃焼熱により調節する。水素生成のための原料用の高温水蒸気と比較して、燃料側燃焼器41内の混合ガスの燃焼後に生成される水蒸気の量は極めて微量である。そのため、本実施形態では、蒸発器19における原料諸元(例えば、濃度や流量)を大きく変化させることなく、セルスタック10に供給される高温水蒸気のガス温度を一定に維持できる。これにより、セルスタック10に高温水蒸気を供給する蒸発器19での蒸気温度の変動が発生しても、燃料側燃焼器41での熱量補正によりセルスタック10の温度を一定に維持できる。
In the
<第4実施形態>
図10は、第4実施形態のSOECシステム101cの概略ブロック図である。第4実施形態のSOECシステム101cは、第3実施形態のSOECシステム101と比較して、蓄熱器90を備える点が大きく異なる。第4実施形態では、蓄熱器90が、動作を停止したセルスタック10の余剰熱を蓄熱し、蓄熱した熱を再始動時のセルスタック10に供給する。第4実施形態では、第3実施形態のSOECシステム101と異なる構成等について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。
<Fourth Embodiment>
FIG. 10 is a schematic block diagram of the
図10に示されるように、SOECシステム101cは、第3実施形態のSOECシステム101に対して、さらに、蓄熱器90と、第1実施形態の燃料側熱交換器81と、を備えている。蓄熱器90は、セルスタック10との間で熱交換可能な蓄熱材を有している。蓄熱材は、燃焼オフガスが供給されて酸化反応により蓄熱し、蓄熱時に還元される金属酸化物である。本実施形態では、約150℃から酸化反応による放熱を開始するFe(鉄)ベースの金属酸化物を使用している。
As shown in FIG. 10, the
また、SOECシステム101cは、調節バルブCV1b,CV2bの代わりに、調節バルブCV1c,CV2c,CV3c,CV4c,CV6と、三方弁V6,V7と、を備えている。SOECシステム101cは、温度センサS1,S2,S5の代わりに、セルスタック10の温度Tscを検出する温度センサS6と、蓄熱器90が有する蓄熱材の温度Tsを検出する温度センサS7と、を備えている。
Also, the
制御部(燃焼制御部)20cは、調節バルブCV1c,CV2c,CV3c,CV4c,CV6と、三方弁V6,V7とを制御することにより、水素タンク31から燃焼器41,42に供給される水素量と、酸素タンク32から燃焼器41,42に供給される酸素量と、蒸発器19からセルスタック10に供給される水蒸気量とが制御される。図10には、セルスタック10を再始動する際に、調節バルブCV1c,CV2c,CV3c,CV4c,CV6と、三方弁V6,V7との制御により、接続された配管が実線で示され、接続されていない配管が破線で示されている。
The control unit (combustion control unit) 20c controls the amount of hydrogen supplied from the
制御部20cは、セルスタック10の温度を上昇させる場合に、蓄熱材の温度Tsが予め設定された所定温度未満の場合に、酸素側燃焼器42に理論空燃比の混合ガスを供給して燃焼させ、燃焼オフガスを蓄熱器90に供給する。制御部20cは、蓄熱材の温度Tsが所定温度以上の場合に、酸素側燃焼器42への混合ガスの供給を中止し、混合ガスの燃焼を中止する。具体的には、制御部20cは、温度センサS7により検出された蓄熱材の温度Tsが、予め設定された目標温度Ts,t未満の場合に、蒸発器19から流量F_cv5の水蒸気に加えて、理論空燃比の流量F_cv3の水素と流量F_cv4の酸素とを酸素側燃焼器42に供給する。酸素側燃焼器42内の理論空燃比の混合ガスが燃焼すると、酸素側燃焼オフガスが蓄熱器90に供給される。蓄熱器90では、燃焼により昇温した水蒸気が蓄熱材と反応することにより、蓄熱材の放熱が始まって、蓄熱材と熱交換可能なセルスタック10が昇温する。なお、理論空燃比の混合ガスが燃焼しているため、酸素側燃焼オフガスには、水素および酸素が含まれていない。本実施形態では、目標温度Ts,tとして、蓄熱材の酸化反応の速度が一定以上になる200℃が設定されている。
When the temperature of the
制御部20cは、蓄熱材の温度Tsが目標温度Ts,t以上の場合に、酸素側燃焼器42への水素および酸素の供給を中止し、引き続き、蒸発器19から流量F_cv5の水蒸気を供給する。制御部20cは、調節バルブCV3c,CV4cを閉じて水素および酸素の供給を中止する。制御部20cは、酸素側燃焼器42内での燃焼を中止し、流量F_cv5の水蒸気を供給し続ける。この場合に、蓄熱器90が一定速度の酸化反応を行うため、セルスタック10の温度Tscは昇温する。
When the temperature Ts of the heat storage material is equal to or higher than the target temperature Ts,t, the
制御部20cは、蓄熱材の温度Tsの判定に加えて、温度センサS6により検出されたセルスタック10の温度Tscを判定する。制御部20cは、セルスタック10の温度Tscがセルスタック10の作動温度Tsc,t未満の場合には、酸素側燃焼器42を介して、蒸発器19により生成された高温水蒸気を蓄熱器90に供給する。一方で、セルスタック10の温度Tscが作動温度Tsc,t以上の場合には、制御部20cは、調節バルブCV1c,CV2c,CV3c,CV4c,CV6の接続と、三方弁V6,V7の接続と切り替えることにより、蒸発器19からセルスタック10へと供給される高温水蒸気の供給先を変化させる。
In addition to determining the temperature Ts of the heat storage material, the
図11は、セルスタック10の温度Tscが作動温度Tsc,t以上の場合のSOECシステム101cの概略ブロック図である。図11に示されるように、セルスタック10の温度Tscが作動温度Tsc,t以上に変化した定常作動状態では、制御部20cは、閉じていた調節バルブCV3c,CV6を開く。また、制御部20cは、蒸発器19と燃料側熱交換器81の低温側とを接続するように三方弁V6を切り替える。制御部20cは、昇圧機61と気液分離器51とを接続するように三方弁V7を切り替える。この結果、蒸発器19により生成された水蒸気は、燃料側熱交換器81により加熱されて、水素タンク31から供給された水素と混合されてセルスタック10の燃料側11に供給され、セルスタック10により水素が生成される。
FIG. 11 is a schematic block diagram of the
図12は、第4実施形態の温度調節の制御方法のフローチャートである。図12には、常温のセルスタック10の温度Tscを作動温度Tsc,tまで昇温させて、セルスタック10を定常作動状態に変化させるまでの制御フローが示されている。図12に示されるように、初めに、制御部20cは、蓄熱器90の目標温度Ts,tと、セルスタック10の作動温度Tsc,tとを設定する(ステップS41)。制御部20cは、ユーザによる操作等を受け付けることにより、目標温度Ts,tおよび作動温度Tsc,tを設定する。
FIG. 12 is a flow chart of a temperature adjustment control method according to the fourth embodiment. FIG. 12 shows a control flow for raising the temperature Tsc of the normal
制御部20cは、蒸発器19が生成する水蒸気の流量F_cv5と、理論空燃比となる水素の流量F_cv3および酸素の流量F_cv4とを設定する(ステップS42)。水蒸気の流量F_cv5と、水素の流量F_cv3および酸素の流量F_cv4とは、予め行われた水素製造により設定されてもよいし、ユーザによりその都度設定されてもよい。制御部20cは、設定された水蒸気の流量F_cv5と、水素の流量F_cv3と、酸素の流量F_cv4とを供給するように、調節バルブCV1c,CV2c,CV3c,CV4c,CV6の接続と、三方弁V6,V7の接続とを制御する(ステップS43)。
The
制御部20cは、酸素側燃焼器42での混合ガスの燃焼を開始する(ステップS44)。酸素側燃焼器42の混合ガスは、点火装置による点火により燃焼する。制御部20cは、温度センサS7により検出される蓄熱材の温度Tsと、温度センサS6により検出されるセルスタック10の温度Tscとを取得する(ステップS45)。なお、制御部20cは、以降、蓄熱材の温度Tsと、セルスタック10の温度Tscとを、継続的に取得する。
The
制御部20cは、蓄熱器90の温度Tsが目標温度Ts,t以上であるか否かを判定する(ステップS46)。蓄熱器90の温度Tsが目標温度Ts,t未満の場合には(ステップS46:NO)、引き続き、温度Tsが目標温度Ts,t以上に変化するまで待機する。蓄熱器90の温度Tsが目標温度Ts,t以上の場合には(ステップS46:YES)、制御部20cは、調節バルブCV3c,CV4cを閉じることにより、燃料側熱交換器81への水素および酸素の供給を中止し、燃料側熱交換器81内での燃焼を中止する(ステップS47)。
The
制御部20cは、セルスタック10の温度Tscが作動温度Tsc,t以上であるか否かを判定する(ステップS48)。セルスタック10の温度Tscが作動温度Tsc,t未満の場合には(ステップS48:NO)、引き続き、温度Tscが作動温度Tsc,t以上への変化を待機する。セルスタック10の温度Tscが作動温度Tsc,t以上の場合には(ステップS48:YES)、制御部20cは、調節バルブCV3c,CV6を開き、三方弁V6,V7を切り替え(ステップS49)、温度調節フローを終了する。その後、セルスタック10が供給された水蒸気から水素を生成する定常作動へと移行する。
以上説明したように、第4実施形態のSOECシステム101cでは、蓄熱器90が、セルスタック10との間で熱交換可能な蓄熱材を有している。蓄熱材は、燃焼オフガスが供給されて酸化反応により蓄熱し、蓄熱時に還元される金属酸化物である。制御部20cは、セルスタック10の温度Tscを上昇させる場合に、蓄熱材の温度Tsが目標温度Ts,t未満の場合に、酸素側燃焼器42に理論空燃比の混合ガスを供給して燃焼させ、燃焼オフガスを蓄熱器90に供給する。制御部20cは、蓄熱材の温度Tsが目標温度Ts,t以上の場合に、酸素側燃焼器42への水素および酸素の供給を中止し、混合ガスの燃焼を中止する。そのため、第4実施形態では、高温で作動していたセルスタック10の作動を停止する場合に、蓄熱器90がセルスタック10の余剰熱を蓄熱できる。蓄熱器90に蓄熱された熱は、再度、セルスタック10を作動させるときに、セルスタック10の加熱に利用できる。この結果、第4実施形態のSOECシステム101cでは、蓄熱器90の蓄熱と放熱とが利用されることにより、セルスタック10の起動エネルギーの増加を抑制できる。また、酸化反応により放熱する蓄熱材は、温度上昇に伴って放熱の反応速度が増大する。そのため、SOECシステム101cの起動初期のセルスタック10の温度が作動温度Tsc,t未満のときに、酸素側燃焼器42により燃焼された混合ガスが蓄熱材に供給されると、蓄熱材の反応速度が増大し、セルスタック10の昇温速度が促進される。すなわち、SOECシステム101cが蓄熱材の反応速度を増大させるための外部熱源を備えなくても、燃焼オフガスが蓄熱器90に供給されることにより、セルスタック10の昇温速度を促進させることができる。
As described above, in the
<上記実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。また、上記実施形態において、ハードウェアによって実現されるとした構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されるとした構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。
<Modification of above embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various aspects without departing from the scope of the invention. For example, the following modifications are possible. Further, in the above embodiments, part of the configuration realized by hardware may be replaced with software, and conversely, part of the configuration realized by software may be replaced with hardware. may
<変形例1>
上記第1実施形態および第2実施形態のSOFCシステム100,100aと、第3実施形態および第4実施形態のSOECシステム101,101cとは、一例であり、固体酸化物形電解セルの温度調節装置の構成等については変形可能である。固体酸化物形電解セルの温度調節装置は、水素タンク31と、酸素タンク32と、燃料側燃焼器41と酸素側燃焼器42との少なくとも一方の燃焼器と、を備える範囲で変形可能である。例えば、第1実施形態のSOFCシステム100は、SOECシステムであってもよいし、SOFCとSOECとの両方で機能するリバーシブルSOC(reversible SOFC/SOEC)であってもよいし、セルスタック10を備えていない温度調節システムであってもよい。燃焼器41,42の燃焼により昇温されるセルスタック10は、固体酸化物形電解セルとしての電解セル14が積層されていない1つの電解セル14であってもよい。SOFCシステム100は、例えば、酸素側燃焼器42を備えていなくてもよい。また、SOFCシステム100は、昇圧機61,62および気液分離器51,52を備えていなくてもよい。SOFCシステム100が燃料側燃焼器41と酸素側燃焼器42との両方を備える場合に、図3に示される燃料側流れ方向と、酸素側流れ方向とは、対向流ではなく、並行流であってもよい。
<
The
第2実施形態のSOFCシステム100aは、2つの燃焼器41,42および2つの熱交換器81,82を備えていたが、例えば、燃料側燃焼器41および燃料側熱交換器81を備え、酸素側燃焼器42および酸素側熱交換器82を備えていなくてもよい。また、第3実施形態のSOECシステム101は、セルスタック10が作動温度に達してから、セルスタック10の熱バランスを維持するように、燃料側燃焼器41内で混合ガスを燃焼したが、セルスタック10の作動温度に達した後に温度調節を行わなくてもよい。
Although the
第4実施形態のSOECシステム101cは、酸素側燃焼器42の酸素側オフガスが蓄熱器90に供給されたが、さらに、燃料側燃焼器41と、燃焼側オフガスが供給される蓄熱器を備えていてもよい。または、燃料側燃焼器41の燃料側オフガスが、酸素側オフガスが供給される同一の蓄熱器90に供給されてもよい。燃料側燃焼器41には、蒸発器19により生成された高温水蒸気が供給されたが、高温水蒸気が供給されずに、理論空燃比の水素および酸素のみが供給されてもよい。蓄熱器90が有する蓄熱材については変形可能である。蓄熱材は、Feベースの金属酸化物ではなく、異なる金属元素を含む金属酸化物であってもよいし、酸化反応により放熱を開始する他の化合物であってもよい。
The
上記第2実施形態で用いられた閾値ε1,ε2と、第3実施形態で用いられた閾値ε3とは、同じ値であってもよいし、制御したいセルスタック10の設定温度等に応じて変形可能である。第2実施形態および第3実施形態において設定される断熱火炎温度Tと、第4実施形態において設定される蓄熱器90の目標温度Ts,tおよびセルスタック10の作動温度Tsc,tとについても、適宜設定されてもよい。
The threshold values ε1 and ε2 used in the second embodiment and the threshold value ε3 used in the third embodiment may be the same value, or may be changed according to the set temperature of the
<変形例2>
図13は、変形例のセルスタック10の温度調節の制御方法のフローチャートである。図13に示される温度調節フローでは、初めに、制御部20は、水素タンク31から燃焼器41,42へと水素を供給する(ステップS51)。同様に、制御部20は、酸素タンク32から燃焼器41,42へと酸素を供給する(ステップS52)。制御部20は、燃焼器41,42内の酸素と水素との混合ガスを燃焼させる(ステップS53)。なお、燃料側燃焼器41では、燃焼される混合ガスが水素リッチになるように、水素および酸素の流量が制御されている。また、酸素側燃焼器42では、燃焼される混合ガスが酸素リッチになるように、水素および酸素の流量が制御されている。制御部20は、燃焼器41,42内の混合ガスの燃焼後の燃焼オフガスをセルスタック10へと供給する(ステップS54)。制御部20は、セルスタック10の起動動作を終了するか否かを判定する(ステップS55)。制御部20は、セルスタック10の起動動作を終了しない場合には(ステップS55:NO)、ステップS51以降の処理を繰り返す。制御部20は、セルスタック10の起動動作を終了する場合には(ステップS55:YES)、燃焼器41への水素および酸素の供給を中止して、燃焼器41での燃焼を中止し、温度調節フローを終了する。その後、セルスタック10は、SOFCまたはSOECとして機能する。
<
FIG. 13 is a flow chart of a control method for temperature adjustment of the
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 The present aspect has been described above based on the embodiments and modifications, but the above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present aspect, and do not limit the present aspect. This aspect may be modified and modified without departing from the spirit and scope of the claims, and this aspect includes equivalents thereof. Also, if the technical features are not described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.
ε1~ε3…閾値
10…セルスタック
11…セルスタックの燃料側(アノード)
12…セルスタックの酸素側(カソード)
13…電解セル(固体酸化物形電解セル)
14…電解質膜
19…蒸発器
20,20a,20b,20c,…制御部
31…水素タンク
32…酸素タンク
41…燃料側燃焼器
42…酸素側燃焼器
51,52…気液分離器
61,62…昇圧機
71,72…水タンク
81…燃料側熱交換器(熱交換器)
82…酸素側熱交換器(熱交換器)
90…蓄熱器
100,100a…SOFCシステム(温度調節装置)
101,101c…SOECシステム(温度調節装置)
C1,C2…変化曲線
C3~C8…温度変化
CS…直交座標系
CV1,CV1b,CV1c,CV2,CV2b,CV3,CV3c,CV4,CV5…調節バルブ
F_cv1,F_cv3…水素の流量
F_cv2,F_cv4…酸素の流量
F_cv5…水蒸気の流量
Fa_H2…投入水素量
Fa_O2…投入酸素量
K…酸素過剰率
S1~S7…温度センサ
T…断熱火炎温度
TH2…水素の温度
TO2…酸素の温度
Ta…燃料側オフガスの温度
Tc…酸素側オフガスの温度
Ts…蓄熱器の温度
Ts,t…蓄熱器の目標温度
Tsc…セルスタックの温度
Tsc,t…セルスタックの作動温度
V6,V7…三方弁
ε1 to ε3
12... Oxygen side of the cell stack (cathode)
13 ... electrolytic cell (solid oxide type electrolytic cell)
DESCRIPTION OF
82 ... Oxygen side heat exchanger (heat exchanger)
90...
101, 101c ... SOEC system (temperature control device)
C1, C2... Change curve C3 to C8... Temperature change CS... Cartesian coordinate system CV1, CV1b, CV1c, CV2, CV2b, CV3, CV3c, CV4, CV5... Control valves F_cv1, F_cv3... Flow rate of hydrogen F_cv2, F_cv4... Flow rate of oxygen Flow rate F_cv5... Flow rate of water vapor Fa_H2... Amount of hydrogen injected Fa_O2... Amount of oxygen injected K... Excess oxygen rate S1 to S7... Temperature sensor T... Adiabatic flame temperature T H2 ... Hydrogen temperature T O2 ... Oxygen temperature Ta... Fuel side off-gas Temperature Tc... Oxygen-side off-gas temperature Ts... Thermal storage device temperature Ts, t... Thermal storage target temperature Tsc... Cell stack temperature Tsc, t... Cell stack operating temperature V6, V7... Three-way valve
Claims (8)
水素を貯蔵する水素タンクと、
酸素を貯蔵する酸素タンクと、
前記水素タンクから供給された水素と前記酸素タンクから供給された酸素とが混合された混合ガスを燃焼させ、燃焼オフガスを排出して前記固体酸化物形電解セルへと供給する燃焼器と、
を備え、
前記燃焼器は、
理論空燃比よりも水素の割合が大きい水素リッチの前記混合ガスを燃焼させる燃料側燃焼器と、
理論空燃比よりも酸素の割合が大きい酸素リッチの前記混合ガスを燃焼させる酸素側燃焼器と、の少なくとも一方を有する、温度調節装置。 A temperature control device for a solid oxide electrolytic cell,
a hydrogen tank for storing hydrogen;
an oxygen tank for storing oxygen;
a combustor that burns a mixed gas in which hydrogen supplied from the hydrogen tank and oxygen supplied from the oxygen tank is mixed, discharges combustion off-gas, and supplies it to the solid oxide electrolysis cell;
with
The combustor is
a fuel-side combustor that burns the hydrogen-rich mixed gas in which the ratio of hydrogen is higher than the stoichiometric air-fuel ratio;
and an oxygen-side combustor that burns the oxygen-rich mixed gas in which the ratio of oxygen is higher than the stoichiometric air-fuel ratio.
前記固体酸化物形電解セルから排出される前記燃焼オフガスと、前記水素タンクから供給される水素または前記酸素タンクから供給される酸素と熱交換する熱交換器を備える、温度調節装置。 The temperature control device of claim 1, further comprising:
A temperature control device comprising a heat exchanger that exchanges heat between the combustion off-gas discharged from the solid oxide electrolysis cell and hydrogen supplied from the hydrogen tank or oxygen supplied from the oxygen tank.
前記燃焼オフガスが供給されて酸化反応により放熱する蓄熱材であって、前記固体酸化物形電解セルとの間で熱交換可能な蓄熱材を有する蓄熱器と、
前記燃焼器による前記混合ガスの燃焼を制御する燃焼制御部と、
を備え、
前記燃焼制御部は、前記固体酸化物形電解セルの温度を上昇させる場合に、
前記蓄熱材の温度が予め設定された所定温度未満の場合に前記燃焼器による理論空燃比の前記混合ガスを燃焼し、前記燃焼オフガスを前記蓄熱器に供給し、
前記蓄熱材の温度が前記所定温度以上の場合に、前記燃焼器への前記混合ガスの供給を中止して、前記混合ガスの燃焼を中止する、温度調節装置。 The temperature control device according to claim 1 or claim 2, further comprising:
a heat accumulator having a heat storage material that is supplied with the combustion off-gas and releases heat through an oxidation reaction, the heat storage material being capable of exchanging heat with the solid oxide electrolysis cell;
a combustion control unit that controls combustion of the mixed gas by the combustor;
with
When the combustion control unit increases the temperature of the solid oxide electrolytic cell,
when the temperature of the heat storage material is less than a predetermined temperature, burning the mixed gas with a stoichiometric air-fuel ratio in the combustor and supplying the combustion off-gas to the heat storage device;
A temperature control device that stops supplying the mixed gas to the combustor and stops burning the mixed gas when the temperature of the heat storage material is equal to or higher than the predetermined temperature.
前記固体酸化物形電解セルを通過した前記燃焼オフガスから水分を分離する気液分離器と、
前記気液分離器により水分が分離された前記燃焼オフガスを昇圧する昇圧機と、
を備え、
前記燃焼器は、前記固体酸化物形電解セルにおいて水素が供給される燃料側に前記燃焼オフガスを供給する燃料側燃焼器を有し、
前記昇圧機は、昇圧後の燃料側の前記燃焼オフガスを前記水素タンクに貯蔵する、温度調節装置。 The temperature control device according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
a gas-liquid separator for separating moisture from the combustion off-gas that has passed through the solid oxide electrolytic cell;
a booster for boosting the combustion off-gas from which moisture has been separated by the gas-liquid separator;
with
The combustor has a fuel-side combustor that supplies the combustion off-gas to the fuel side to which hydrogen is supplied in the solid oxide electrolysis cell,
The booster stores the combustion off-gas on the fuel side after boosting in the hydrogen tank.
前記固体酸化物形電解セルの燃料側に供給される前記燃焼オフガスの温度を取得する温度センサと、
前記温度センサにより取得された温度を用いて、前記燃料側燃焼器に供給される水素の流量と、酸素の流量とを制御することにより前記固体酸化物形電解セルの温度を調節するセル温度調節部と、
を備える、温度調節装置。 The temperature control device of claim 4, further comprising:
a temperature sensor for acquiring the temperature of the combustion off-gas supplied to the fuel side of the solid oxide electrolysis cell;
Cell temperature adjustment for adjusting the temperature of the solid oxide electrolysis cell by controlling the flow rate of hydrogen and the flow rate of oxygen supplied to the fuel-side combustor using the temperature acquired by the temperature sensor Department and
A temperature control device, comprising:
前記固体酸化物形電解セルを通過した前記燃焼オフガスから水分を分離する気液分離器と、
前記気液分離器により水分が分離された前記燃焼オフガスを昇圧する昇圧機と、
を備え、
前記燃焼器は、前記固体酸化物形電解セルにおいて酸素が供給される酸素側に前記燃焼オフガスを供給する酸素側燃焼器を有し、
前記昇圧機は、昇圧後の酸素側の前記燃焼オフガスを前記酸素タンクに貯蔵する、温度調節装置。 A temperature control device according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
a gas-liquid separator for separating moisture from the combustion off-gas that has passed through the solid oxide electrolytic cell;
a booster for boosting the combustion off-gas from which moisture has been separated by the gas-liquid separator;
with
The combustor has an oxygen side combustor that supplies the combustion off-gas to the oxygen side to which oxygen is supplied in the solid oxide electrolysis cell,
The booster stores the combustion off-gas on the oxygen side after pressurization in the oxygen tank.
前記燃料側燃焼器から前記固体酸化物形電解セルの燃料側に流入する燃料側の前記燃焼オフガスの流れ方向と、前記酸素側燃焼器から前記固体酸化物形電解セルの酸素側に流入する酸素側の前記燃焼オフガスの流れ方向とは対向している、温度調節装置。 The temperature control device according to claim 6,
The flow direction of the combustion off-gas on the fuel side flowing from the fuel-side combustor into the fuel side of the solid oxide electrolysis cell, and the oxygen flowing from the oxygen-side combustor into the oxygen side of the solid oxide electrolysis cell. temperature control device opposite to the flow direction of said combustion off-gas on the side.
水素を貯蔵する水素タンクから燃焼器へと水素を供給する工程と、
酸素を貯蔵する酸素タンクから前記燃焼器へと酸素を供給する工程と、
前記燃焼器へと供給された水素と酸素とが混合された混合ガスを燃焼させる工程と、
前記燃焼器で燃焼した燃焼オフガスを前記固体酸化物形電解セルへと供給する工程と、
を備え、
前記燃焼器は、
理論空燃比よりも水素の割合が大きい水素リッチの前記混合ガスを燃焼させる燃料側燃焼器と、
理論空燃比よりも酸素の割合が大きい酸素リッチの前記混合ガスを燃焼させる酸素側燃焼器と、の少なくとも一方を有する、温度調節方法。 A temperature control method for a solid oxide electrolytic cell, comprising:
supplying hydrogen from a hydrogen tank storing hydrogen to a combustor;
supplying oxygen from an oxygen tank storing oxygen to the combustor;
burning the mixed gas of hydrogen and oxygen supplied to the combustor;
a step of supplying combustion off-gas burned in the combustor to the solid oxide electrolysis cell;
with
The combustor is
a fuel-side combustor that burns the hydrogen-rich mixed gas in which the ratio of hydrogen is higher than the stoichiometric air-fuel ratio;
and an oxygen-side combustor for burning the oxygen-rich mixed gas in which the proportion of oxygen is higher than the stoichiometric air-fuel ratio.
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