JP2024106827A - Electrochemical cell system and method for operating the electrochemical cell system - Google Patents
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Abstract
【課題】排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることを目的とする。【解決手段】SOFC発電システムは、トッピングSOFC11aとトッピングSOFC11aから排出された排燃料ガスが供給されるボトミングSOFC11bと、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部32と、検出部32が検出した結果に基づいて、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する制御装置と、を備えている。制御装置は、SOFC発電システムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、SOFC発電システムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。【選択図】図7[Problem] To facilitate recovery of carbon dioxide from exhaust fuel gas. [Solution] The SOFC power generation system includes a topping SOFC 11a, a bottoming SOFC 11b to which exhaust fuel gas discharged from the topping SOFC 11a is supplied, a detection unit 32 that detects the state quantity of the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b, and a control device that controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b based on the result detected by the detection unit 32. The control device controls the current command value so that the fuel utilization rate of the SOFC power generation system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b is equal to or greater than a first threshold, and the amount of power generation required for the SOFC power generation system is satisfied. [Selected Figure] Figure 7
Description
本開示は、電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法に関するものである。 The present disclosure relates to an electrochemical cell system and a method for operating an electrochemical cell system.
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は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス、バイオマスを原料としたバイオガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気で反応させて発電を行う。
また、水を電気化学的に分解して水素および酸素を製造する電解セルは二酸化炭素の排出を伴わない水素製造法であり優れた環境特性を有している。このうち、固体酸化物形電解セル(Solid Oxide Electrolysis Cell:SOEC)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどのセラミックスが用いられ、高温の水蒸気を原料とするため他の電解セルに比べ高い効率で水素の製造が可能である。また、脱炭素化を目的として二酸化炭素(CO2)を原料とし電解水素を還元剤として利用し、直接一酸化炭素(CO)を製造する共電解も可能である。
さらに固体酸化物形電気化学セルには燃料電池としての発電機能と、外部から電力と高温水蒸気を供給して逆反応により水素および酸素を製造する機能を備えたリバーシブル固体酸化物形電気化学セル(Reversible Solid Oxide Electrochemical Cell:RSOC)として使用可能なものもある。
Fuel cells, which generate electricity by chemically reacting a fuel gas with an oxidizing gas, have characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness. Among them, solid oxide fuel cells (SOFCs) use ceramics such as yttria-stabilized zirconia as an electrolyte, and generate electricity by reacting the fuel gas in a high-temperature atmosphere of approximately 700°C to 1000°C, such as hydrogen, city gas, natural gas, petroleum, methanol, gasification gas produced by a gasification facility from a carbon-containing raw material, and biogas made from biomass.
In addition, electrolysis cells, which produce hydrogen and oxygen by electrochemically decomposing water, are a hydrogen production method that does not emit carbon dioxide and has excellent environmental characteristics. Among them, solid oxide electrolysis cells (SOECs) use ceramics such as yttria-stabilized zirconia as an electrolyte and can produce hydrogen more efficiently than other electrolysis cells because they use high-temperature steam as a raw material. In addition, for the purpose of decarbonization, co-electrolysis is also possible, using carbon dioxide (CO2) as a raw material and electrolytic hydrogen as a reducing agent to directly produce carbon monoxide (CO).
Furthermore, some solid oxide electrochemical cells can be used as reversible solid oxide electrochemical cells (RSOCs), which have a power generation function as a fuel cell and a function of producing hydrogen and oxygen through a reverse reaction by supplying electric power and high-temperature steam from the outside.
SOFCを用いる発電システムとして、複数のSOFCを直列に接続するカスケード式の発電システムが知られている(例えば、特許文献1)。カスケード方式の発電システムでは、前段のSOFCに燃料ガスと空気とを供給して発電を行うとともに、前段のSOFCから排出された燃料ガス(排燃料ガス)を後段のSOFCに供給して発電を行う。 A cascade-type power generation system in which multiple SOFCs are connected in series is known as a power generation system that uses SOFCs (for example, see Patent Document 1). In a cascade-type power generation system, fuel gas and air are supplied to an SOFC in a first stage to generate power, and fuel gas (exhaust fuel gas) discharged from the SOFC in the first stage is supplied to an SOFC in a second stage to generate power.
SOFCを用いた発電システムとして、SOFCから排出された排燃料ガスと空気とを混合して、外部改質器やマイクロガスタービン等の燃焼器等で再利用することで、熱効率を向上させる発電システムが知られている。このような発電システムでは、外部改質器や燃焼器に導入される排燃料ガスに空気を混合させることから、発電システムから排出されるガスに含まれる二酸化炭素濃度が低くなる。
一方で、SOFCを用いた発電システムでは、排出されるガス中から二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を設ける場合がある。二酸化炭素回収装置では、ガス中の二酸化炭素の濃度が低いと二酸化炭素の回収効率が低下する。
また、発電システムの燃料利用率を増加させることで,排ガスに含まれる二酸化炭素濃度を増加させることができるが,SOFCへ供給する燃料ガスの組成が変動する場合や,電力需要に追従するために発電量を変化させる際には、燃料利用率の制御が困難な場合があった。
A power generation system using an SOFC is known in which exhaust fuel gas discharged from the SOFC is mixed with air and reused in an external reformer, a combustor such as a micro gas turbine, etc., thereby improving thermal efficiency. In such a power generation system, the exhaust fuel gas introduced into the external reformer or the combustor is mixed with air, so that the carbon dioxide concentration contained in the gas discharged from the power generation system is reduced.
On the other hand, a power generation system using an SOFC may be provided with a carbon dioxide capture device that captures carbon dioxide from the exhaust gas. In the carbon dioxide capture device, the carbon dioxide capture efficiency decreases when the concentration of carbon dioxide in the gas is low.
In addition, by increasing the fuel utilization rate of the power generation system, the carbon dioxide concentration in the exhaust gas can be increased; however, when the composition of the fuel gas supplied to the SOFC fluctuates or when the amount of power generation is changed to follow the power demand, it can be difficult to control the fuel utilization rate.
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in consideration of these circumstances, and aims to provide an electrochemical cell system and an operating method for an electrochemical cell system that can facilitate the recovery of carbon dioxide from exhaust gas.
上記課題を解決するために、本開示の電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法は以下の手段を採用する。
本開示の一態様に係る電気化学セルシステムは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムであって、第1燃料電池と前記第1燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第2燃料電池と、前記第2燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
In order to solve the above problems, the electrochemical cell system and the operating method of the electrochemical cell system of the present disclosure employ the following measures.
An electrochemical cell system according to one embodiment of the present disclosure is an electrochemical cell system having a plurality of fuel cells that generate electricity by reacting a fuel gas supplied to an anode and an oxidizing gas supplied to an cathode, and includes a first fuel cell and a second fuel cell to which exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell is supplied, a detection unit that detects the state quantity of the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell, and a control unit that controls current command values of the first fuel cell and the second fuel cell based on the results detected by the detection unit, wherein the control unit controls the current command value so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell is equal to or greater than a first threshold value, and the amount of electricity generated required for the electrochemical cell system is satisfied.
本開示の一態様に係る電気化学セルシステムの運転方法は、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムの運転方法であって、前記電気化学セルシステムは、第1燃料電池と前記第1燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第2燃料電池と、前記第2燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、前記制御部が電流指令値を制御する。 An operating method of an electrochemical cell system according to one aspect of the present disclosure is a method for operating an electrochemical cell system having a plurality of fuel cells that generate electricity by reacting a fuel gas supplied to an anode with an oxidizing gas supplied to an cathode, the electrochemical cell system comprising a first fuel cell and a second fuel cell to which exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell is supplied, a detection unit that detects the state quantity of the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell, and a control unit that controls the current command value of the first fuel cell and the second fuel cell based on the result detected by the detection unit, and the control unit controls the current command value so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell is equal to or greater than a first threshold, and the amount of electricity generated required for the electrochemical cell system is satisfied.
本開示によれば、排ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。 This disclosure makes it easier to recover carbon dioxide from exhaust gas.
以下に、本開示に係る電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Below, an embodiment of an electrochemical cell system and an operating method of an electrochemical cell system according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
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」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形電気化学セルのセルスタックとして筒状の円筒形固体酸化物形燃料電池(SOFC)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。基体上に電気化学セルを形成するが、基体ではなく電極(燃料極もしくは空気極)が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
In the following, for the sake of convenience, the positional relationship of each component described using the expressions "upper" and "lower" with respect to the paper surface indicates the vertically upper side and vertically lower side, respectively. Also, in this embodiment, for components that can obtain similar effects in the vertical and horizontal directions, the vertical direction on the paper surface is not necessarily limited to the vertical direction, but may correspond to, for example, a horizontal direction perpendicular to the vertical direction.
In the following, a cylindrical solid oxide fuel cell (SOFC) is used as an example of a cell stack of solid oxide electrochemical cells, but this is not necessarily the case and a flat cell stack may be used. The electrochemical cell is formed on a substrate, but an electrode (fuel electrode or air electrode) may be formed thick and serve as the substrate.
まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒(Flat tubular)等のセルスタックでもよい。ここで、図1は、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、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された電気化学単セル105と、隣り合う電気化学単セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。電気化学単セル105は、燃料極109と固体電解質膜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電気化学単セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された電気化学単セル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を備え、最も端の他端に形成された電気化学単セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。 First, referring to FIG. 1, a cylindrical cell stack using a substrate tube will be described as an example according to this embodiment. When a substrate tube is not used, for example, the fuel electrode may be formed thick to serve as the substrate tube, and the use of the substrate tube is not limited. In addition, the substrate tube in this embodiment is described as having a cylindrical shape, but the substrate tube may be cylindrical and is not necessarily limited to a circular cross section, and may be, for example, elliptical. A cell stack such as a flat tubular cylinder in which the peripheral side of the cylinder is crushed vertically may also be used. Here, FIG. 1 shows one aspect of a cell stack according to the embodiment. The cell stack 101 includes, as an example, a cylindrical substrate tube 103, a plurality of electrochemical unit cells 105 formed on the outer peripheral surface of the substrate tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent electrochemical unit cells 105. The electrochemical unit cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an air electrode 113. In addition, the cell stack 101 includes a lead film 115 electrically connected via an interconnector 107 to the air electrode 113 of the electrochemical single cell 105 formed at the end of the electrochemical single cell 105 at the axially outermost end of the base tube 103 among the multiple electrochemical single cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and a lead film 115 electrically connected to the fuel electrode 109 of the electrochemical single cell 105 formed at the other end of the electrochemical single cell 105 at the outermost end.
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4などを主成分とされる。この基体管103は、電気化学単セル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。 The base tube 103 is made of a porous material and is mainly composed of, for example, CaO-stabilized ZrO2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), Y2O3 - stabilized ZrO2 ( YSZ ), or MgAl2O4 . The base tube 103 supports the electrochemical unit cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and diffuses the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103 to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103.
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。燃料極109の厚さは50μm~250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。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備える。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、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン(O2-)とを固体電解質膜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、電気化学単セル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。
固体酸化物形電気化学セルの燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、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、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス、バイオマスを原料としたバイオガスなどが挙げられる。
The fuel electrode 109 is made of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and Ni/YSZ is used, for example. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the fuel electrode 109 may be formed by screen printing a slurry. In this case, the Ni component of the fuel electrode 109 has a catalytic effect on the fuel gas. This catalytic effect is to react with the fuel gas supplied through the substrate tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reform it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). The fuel electrode 109 also electrochemically reacts the hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming with oxygen ions (O 2- ) supplied through the solid electrolyte membrane 111 near the interface with the solid electrolyte membrane 111 to generate water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the electrochemical unit cell 105 generates electricity by the electrons released from the oxygen ions.
Fuel gases that can be supplied to the fuel electrode 109 of a solid oxide electrochemical cell and used include hydrocarbon gases such as hydrogen ( H2 ), carbon monoxide (CO), and methane ( CH4 ), city gas, and natural gas, as well as gasified gases produced by gasification equipment from carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal, and biogas made from biomass.
固体電解質膜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備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極で生成される酸素イオン(O2-)を燃料極に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質膜111の膜厚は10μm~100μmであり固体電解質膜111はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。 For the solid electrolyte membrane 111, YSZ is mainly used, which has airtightness that makes it difficult for gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. This solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2- ) generated at the air electrode to the fuel electrode. The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen printing a slurry.
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、空気極113はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極113は、固体電解質膜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外部より供給された電子と結合し酸素イオン(O2-)を生成するものである。
空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、SmをドープしたセリアやSr及びCaドープLaMnO3で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは、酸素を略15%~30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
The air electrode 113 is made of, for example, LaSrMnO3 -based oxide or LaCoO3 -based oxide, and a slurry is applied to the air electrode 113 by screen printing or using a dispenser. This air electrode 113 dissociates oxygen in an oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte membrane 111, and combines with electrons supplied from the outside to generate oxygen ions ( O2- ).
The air electrode 113 may have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (air electrode intermediate layer) on the solid electrolyte membrane 111 side is made of a material that exhibits high ionic conductivity and has excellent catalytic activity. The air electrode layer (air electrode conductive layer) on the air electrode intermediate layer may be made of a perovskite oxide represented by Sm-doped ceria or Sr and Ca-doped LaMnO3 . This can further improve the power generation performance.
An oxidizing gas is a gas that contains approximately 15% to 30% oxygen. Air is a typical example, but other gases such as a mixture of combustion exhaust gas and air, or a mixture of oxygen and air can also be used.
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、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、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耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う電気化学単セル105において、一方の電気化学単セル105の空気極113と他方の電気化学単セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う電気化学単セル105同士を直列に接続するものである。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M1 - xLxTiO3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO3 , and is screen-printed with a slurry. The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas and the oxidizing gas do not mix. The interconnector 107 also has stable durability and electrical conductivity under both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one electrochemical unit cell 105 to the fuel electrode 109 of the other electrochemical unit cell 105 in adjacent electrochemical unit cells 105, thereby connecting the adjacent electrochemical unit cells 105 in series.
リード膜115は、電子伝導性を備えること、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や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)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の電気化学単セル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るものである。 The lead film 115 is made of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, such as Ni/YSZ, or an M1 - xLxTiO3 (M is an alkaline earth metal element, and L is a lanthanoid element) such as SrTiO3 , since it is required to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the other materials constituting the cell stack 101. This lead film 115 leads out the DC power generated by the multiple electrochemical single cells 105 connected in series by the interconnector 107 to the vicinity of the end of the cell stack 101.
燃料極109、固体電解質膜111及びインターコネクタ107のスラリーの膜が形成された基体管103を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、例えば1350℃~1450℃とされる。
つぎに、共焼結された基体管103上に、空気極113のスラリーの膜が形成された基体管103が、大気中にて焼結される。焼結温度は、例えば1100℃~1250℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管103~インターコネクタ107を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
The substrate tube 103 on which the fuel electrode 109, the solid electrolyte membrane 111 and the interconnector 107 slurry films are formed is co-sintered in air at a sintering temperature of, for example, 1350° C. to 1450° C.
Next, the base tube 103 on which the slurry film of the air electrode 113 is formed is sintered in the atmosphere. The sintering temperature is, for example, 1100° C. to 1250° C. The sintering temperature here is set to a lower temperature than the co-sintering temperature after the base tube 103 to the interconnector 107 are formed.
次に、図2と図3とを参照して本実施形態に係る電気化学セルカートリッジ及び電気化学セルモジュールについて説明する。ここで、図2は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)モジュールの一態様を示すものである。また、図3は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)カートリッジの一態様の断面図を示すものである。 Next, the electrochemical cell cartridge and electrochemical cell module according to this embodiment will be described with reference to Figures 2 and 3. Here, Figure 2 shows one embodiment of a solid oxide fuel cell (SOFC) module according to this embodiment. Also, Figure 3 shows a cross-sectional view of one embodiment of a solid oxide fuel cell (SOFC) cartridge according to this embodiment.
SOFCモジュール(電気化学セルモジュール)201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ(電気化学セルカートリッジ)203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納するモジュール容器205とを備える。なお、図2には円筒形のSOFCのセルスタック101を例示しているが、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。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)及び酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。 As shown in FIG. 2, the SOFC module (electrochemical cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (electrochemical cell cartridges) 203 and a module container 205 that houses the plurality of SOFC cartridges 203. Although FIG. 2 illustrates a cylindrical SOFC cell stack 101, this is not necessarily the case, and a flat cell stack may be used, for example. The SOFC module 201 also includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas exhaust pipe 209, and a plurality of fuel gas exhaust branch pipes 209a. The SOFC module 201 also includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), an oxidizing gas supply branch pipe (not shown), an oxidizing gas exhaust pipe (not shown), and a plurality of oxidizing gas exhaust branch pipes (not shown).
燃料ガス供給管207は、モジュール容器205の内部に設けられ、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 pipe 207 is provided inside the module container 205 and is connected to a fuel gas supply unit that supplies fuel gas with a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201, and is also connected to multiple fuel gas supply branch pipes 207a. This fuel gas supply pipe 207 branches and guides the fuel gas at a predetermined flow rate supplied from the above-mentioned fuel gas supply unit to multiple fuel gas supply branch pipes 207a. In addition, the fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and is connected to multiple SOFC cartridges 203. This fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the multiple SOFC cartridges 203 at an approximately equal flow rate, and approximately uniforms the power generation performance of the multiple SOFC cartridges 203.
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、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管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管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部がモジュール容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管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モジュール容器205の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209a is connected to the multiple SOFC cartridges 203 and is also connected to the fuel gas discharge pipe 209. This fuel gas discharge branch pipe 209a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridges 203 to the fuel gas discharge pipe 209. In addition, the fuel gas discharge pipe 209 is connected to the multiple fuel gas discharge branch pipes 209a, and a portion of the fuel gas discharge pipe 209 is disposed outside the module container 205. This fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas discharged from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially uniform flow rate to the outside of the module container 205.
モジュール容器205は、内部の圧力が大気圧~約3MPa、内部の温度が大気温度~約550℃で運用されるので、耐圧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る。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 The module container 205 is operated with an internal pressure of atmospheric pressure to approximately 3 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to approximately 550°C, so a material that is pressure resistant and resistant to corrosion by oxidizing agents such as oxygen contained in oxidizing gases is used. For example, stainless steel materials such as SUS304 are suitable.
ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されてモジュール容器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が集合化されずにモジュール容器205内に収納される態様とすることもできる。 In this embodiment, a configuration in which multiple SOFC cartridges 203 are grouped together and stored in the module container 205 is described, but this is not limited thereto, and for example, the SOFC cartridges 203 can also be stored in the module container 205 without being grouped together.
SOFCカートリッジ203は、図3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217と、燃料ガス排出ヘッダ219と、酸化性ガス(空気)供給ヘッダ221と、酸化性ガス排出ヘッダ223とを備える。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とを備える。なお、本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3の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101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101の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply header 217, a fuel gas exhaust header 219, an oxidizing gas (air) supply header 221, and an oxidizing gas exhaust header 223. The SOFC cartridge 203 also includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper insulator 227a, and a lower insulator 227b. In this embodiment, the SOFC cartridge 203 has a structure in which the fuel gas supply header 217, the fuel gas discharge header 219, the oxidizing gas supply header 221, and the oxidizing gas discharge header 223 are arranged as shown in FIG. 3, so that the fuel gas and the oxidizing gas flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. However, this is not necessarily required. For example, the fuel gas and the oxidizing gas may flow in parallel inside and outside the cell stack 101, or the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101.
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の電気化学単セル105が配置された領域であり、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う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度を、温度計測部(温度センサや熱電対など)で監視してもよく、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is an area formed between the upper insulator 227a and the lower insulator 227b. This power generation chamber 215 is an area in which the electrochemical single cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and generates electricity by electrochemically reacting fuel gas with oxidizing gas. The temperature near the center of the cell stack 101 in the longitudinal direction of the power generation chamber 215 may be monitored by a temperature measurement unit (such as a temperature sensor or thermocouple), and during steady-state operation of the SOFC module 201, a high-temperature atmosphere of approximately 700°C to 1000°C is created.
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り、上部ケーシング229aの上部に設け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、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、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103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 gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a by the fuel gas supply hole 231a provided at the top of the upper casing 229a. The multiple cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a by a seal member 237a, and the fuel gas supply header 217 guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a into the inside of the base tube 103 of the multiple cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, thereby substantially equalizing the power generation performance of the multiple cell stacks 101.
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り、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、図示しない燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、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103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合して、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 gas discharge header 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. In addition, the multiple cell stacks 101 are joined to the lower tube plate 225b by a seal member 237b, and the fuel gas discharge header 219 collects the exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 103 of the multiple cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge header 219, and directs it to the fuel gas discharge branch pipe 209a via the fuel gas discharge hole 231b.
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と下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ221は、図示しない酸化性ガス供給枝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。 The oxidizing gas of a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201 is branched to the oxidizing gas supply branch pipe and supplied to the multiple SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply header 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203, and is connected to an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) by an oxidizing gas supply hole 233a provided on the side of the lower casing 229b. This oxidizing gas supply header 221 guides a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply hole 233a to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a described later.
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と上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝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を介して酸化性ガス排出ヘッダ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枝管に導くものである。 The oxidizing gas discharge header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, upper tube plate 225a, and upper insulation 227a of the SOFC cartridge 203, and is connected to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) via an oxidizing gas discharge hole 233b provided on the side of the upper casing 229a. This oxidizing gas discharge header 223 guides the exhaust oxidizing gas supplied to the oxidizing gas discharge header 223 from the power generation chamber 215 through an oxidizing gas discharge gap 235b (described later) to the oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) via the oxidizing gas discharge hole 233b.
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237a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 upper tube plate 225a is fixed to the side plate of the upper casing 229a between the top plate of the upper casing 229a and the upper insulator 227a so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper insulator 227a are approximately parallel. The upper tube plate 225a also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, into which the cell stacks 101 are inserted. The upper tube plate 225a airtightly supports one end of the multiple cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237a and the adhesive member, and isolates the fuel gas supply header 217 from the oxidizing gas exhaust header 223.
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229a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を備える。 The upper insulation 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper insulation 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are approximately parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. The upper insulation 227a also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the holes is set to be larger than the outer diameter of the cell stacks 101. The upper insulation 227a has an oxidizing gas exhaust gap 235b formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted into the upper insulation 227a.
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。また、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて温度差による上部管板225a等の熱変形を抑制するために、Ni基合金などの高温耐久性のある金属材料を用いてもよい。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 upper insulation 227a separates the power generation chamber 215 from the oxidizing gas discharge header 223, and prevents the atmosphere around the upper tube sheet 225a from becoming hot, which can lead to a decrease in strength and an increase in corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. In addition, a metal material with high temperature resistance, such as a Ni-based alloy, may be used to prevent the upper tube sheet 225a and the like from being exposed to high temperatures in the power generation chamber 215 and thermally deforming the upper tube sheet 225a and the like due to the temperature difference. The upper insulation 227a also guides the exhaust oxidizing gas that has passed through the power generation chamber 215 and been exposed to high temperatures through the oxidizing gas discharge gap 235b to the oxidizing gas discharge header 223.
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、燃料ガスと排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103の内部を通って発電室215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、ヒーター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 this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the exhaust oxidizing gas to flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. As a result, the exhaust oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and is cooled to a temperature at which the upper tube plate 225a, etc., made of a metal material, does not deform, such as buckling, and is supplied to the oxidizing gas discharge header 223. In addition, the fuel gas is heated by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.
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237b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 lower tube plate 225b is fixed to the side plate of the lower casing 229b between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower insulator 227b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower insulator 227b are approximately parallel to each other. The lower tube plate 225b also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, into which the cell stacks 101 are inserted. The lower tube plate 225b airtightly supports the other ends of the multiple cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237b and the adhesive member, and isolates the fuel gas discharge header 219 from the oxidizing gas supply header 221.
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、下部ケーシング229b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を備える。 The lower insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are approximately parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. The lower insulator 227b also has a number of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the holes is set to be larger than the outer diameter of the cell stacks 101. The lower insulator 227b has an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted into the lower insulator 227b.
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221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 lower insulator 227b separates the power generation chamber 215 from the oxidizing gas supply header 221, and prevents the atmosphere around the lower tube sheet 225b from becoming hot, which would result in a decrease in strength and an increase in corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. The lower tube sheet 225b is made of a metal material that is resistant to high temperatures, such as Inconel, and prevents the lower tube sheet 225b from being exposed to high temperatures and being thermally deformed by the large temperature difference within the lower tube sheet 225b. The lower insulator 227b also guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 through the oxidizing gas supply gap 235a to the power generation chamber 215.
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、排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103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、ヒーター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 this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the exhaust fuel gas and the oxidizing gas to flow in opposite directions inside and outside the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 103 and the power generation chamber 215 exchanges heat with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and is cooled to a temperature at which the lower tube plate 225b made of a metal material and the like do not deform, such as buckling, and is supplied to the fuel gas discharge header 219. In addition, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, it is possible to supply the oxidizing gas heated to a temperature required for power generation to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.
発電室215で発電された直流電力は、複数の電気化学単セル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の集電部材(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の外部へと取り出される。前記集電部材によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、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、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is conducted to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni/YSZ or the like provided on the multiple electrochemical single cells 105, and then collected by the current collector (not shown) of the SOFC cartridge 203 via a current collector plate (not shown) and taken out to the outside of each SOFC cartridge 203. The DC power conducted out to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined number of series and parallel connections, conducted out to the outside of the SOFC module 201, and converted to a predetermined AC power by a power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown) and supplied to the power supply destination (for example, a load facility or a power system).
次に、本実施形態に係るSOFC発電システムについて説明する。
SOFC発電システム(電気化学セルシステム)10は、図4に示すように、複数のSOFC11を備えている。具体的には、SOFC発電システム10は、複数のSOFC11を、前段側と後段側とにカスケード(直列に)配置されている。以下の説明では、前段側(上流側)に配置されるSOFC11をトッピングSOFC(第1燃料電池)11aと称し、後段側(下流側)に配置されるSOFCをボトミングSOFC(第2燃料電池)11bと称する。また、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとを区別して説明する必要のない場合には、単にSOFC11と称する。
また、以下の説明及び図面では、トッピングSOFC11aをトッピングモジュール(TM)と称し、ボトミングSOFC11bをボトミングモジュール(BM)と称する場合がある。
Next, the SOFC power generation system according to this embodiment will be described.
As shown in Fig. 4, the SOFC power generation system (electrochemical cell system) 10 includes a plurality of SOFCs 11. Specifically, the SOFC power generation system 10 has a plurality of SOFCs 11 arranged in cascade (series) on the upstream side and downstream side. In the following description, the SOFC 11 arranged on the upstream side (upstream side) is referred to as a topping SOFC (first fuel cell) 11a, and the SOFC arranged on the downstream side (downstream side) is referred to as a bottoming SOFC (second fuel cell) 11b. In addition, when it is not necessary to distinguish between the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b, they will simply be referred to as SOFC 11.
In addition, in the following description and drawings, the topping SOFC 11a may be referred to as a topping module (TM), and the bottoming SOFC 11b may be referred to as a bottoming module (BM).
SOFC11は、還元剤として燃料ガスと、酸化剤(酸化性ガス)として空気とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。このSOFC11は、上述のように、SOFCモジュールから構成され、SOFCモジュールのモジュール容器205内に設けた複数のセルスタック101の集合体が収容されており、セルスタック101には、燃料極109と空気極113と固体電解質膜111を備えている(図1から図3参照)。
SOFC11は、空気極113に空気が供給され、燃料極109に燃料ガスが供給されることで発電して、図示しない電力変換装置により所定の交流電力へと変換される。
The SOFC 11 generates electricity by reacting fuel gas as a reducing agent and air as an oxidizing agent (oxidizing gas) at a predetermined operating temperature. As described above, the SOFC 11 is composed of an SOFC module, and contains an assembly of multiple cell stacks 101 provided in a module container 205 of the SOFC module. The cell stack 101 includes an anode 109, an cathode 113, and a solid electrolyte membrane 111 (see FIGS. 1 to 3 ).
The SOFC 11 generates electricity by supplying air to the air electrode 113 and fuel gas to the fuel electrode 109, and converts the electricity into a predetermined AC power by a power conversion device (not shown).
SOFC11に供給される燃料ガスは、可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス(LNG)を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)等の炭化水素ガス、及び炭素質原料(石油や石炭等)のガス化設備により製造されたガス、及びバイオマスを原料としたバイオガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。 The fuel gas supplied to the SOFC11 is a combustible gas, and examples of such gas include gas produced by vaporizing liquefied natural gas (LNG), natural gas, city gas, hydrogen (H2), carbon monoxide (CO), hydrocarbon gas such as methane (CH4), gas produced by gasification equipment for carbonaceous raw materials (oil, coal, etc.), and biogas made from biomass. Fuel gas refers to fuel gas whose heating value has been adjusted to a substantially constant value in advance.
SOFC11の空気極113の上流端(空気入口)には、酸化性ガス(空気)を供給する酸化性ガス供給ライン12が接続されている。酸化性ガス供給ライン12には、空気を流通させるための空気ブロワ12aが設けられている。また、酸化性ガス供給ライン12には、空気ブロワ12aよりも下流側に、第1熱交換器30が設けられている。第1熱交換器30は、酸化性ガス供給ライン12を流通する空気と、後述する第3燃料ガスライン23から排出される燃料ガスとの間で熱交換を行い、空気を加熱するとともに、燃料ガスを冷却する。酸化性ガス供給ライン12は、第1熱交換器30よりも下流側で、トッピングSOFC11aに空気を供給するトッピング側供給ライン12bと、ボトミングSOFC11bに空気を供給するボトミング側供給ライン12cとに分岐している。 An oxidizing gas supply line 12 that supplies oxidizing gas (air) is connected to the upstream end (air inlet) of the air electrode 113 of the SOFC 11. The oxidizing gas supply line 12 is provided with an air blower 12a for circulating air. In addition, a first heat exchanger 30 is provided downstream of the air blower 12a in the oxidizing gas supply line 12. The first heat exchanger 30 exchanges heat between the air flowing through the oxidizing gas supply line 12 and the fuel gas discharged from a third fuel gas line 23 described later, heating the air and cooling the fuel gas. The oxidizing gas supply line 12 branches downstream of the first heat exchanger 30 into a topping side supply line 12b that supplies air to the topping SOFC 11a and a bottoming side supply line 12c that supplies air to the bottoming SOFC 11b.
SOFC11の空気極113の下流端(空気出口)には、反応に用いられた排空気を排出する排酸化性ガス排出ライン13が接続されている。排酸化性ガス排出ライン13は、トッピングSOFC11aから排空気を排出するトッピング側排出ライン13aと、ボトミングSOFC11bから排空気を排出するボトミング側排出ライン13bと、を有している。トッピング側排出ライン13aの下流端とボトミング側排出ライン13bの下流端とは合流している。トッピング側排出ライン13aとボトミング側排出ライン13bとが合流した後のラインは、排酸化性ガス排出ライン13とされている。 The downstream end (air outlet) of the air electrode 113 of the SOFC 11 is connected to an exhaust oxidizing gas exhaust line 13 that exhausts the exhaust air used in the reaction. The exhaust oxidizing gas exhaust line 13 has a topping side exhaust line 13a that exhausts the exhaust air from the topping SOFC 11a, and a bottoming side exhaust line 13b that exhausts the exhaust air from the bottoming SOFC 11b. The downstream end of the topping side exhaust line 13a and the downstream end of the bottoming side exhaust line 13b merge. The line after the topping side exhaust line 13a and the bottoming side exhaust line 13b merge is the exhaust oxidizing gas exhaust line 13.
トッピングSOFC11aの燃料極109aの上流端(燃料ガス入口)には、燃料ガスを供給する第1燃料ガスライン20の下流端が接続されている。第1燃料ガスラインの上流端には、燃料ガス供給部が接続されている。また、第1燃料ガスラインには、燃料極109に供給する燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス制御弁20aが設けられている。 The downstream end of a first fuel gas line 20 that supplies fuel gas is connected to the upstream end (fuel gas inlet) of the fuel electrode 109a of the topping SOFC 11a. A fuel gas supply unit is connected to the upstream end of the first fuel gas line. In addition, a fuel gas control valve 20a is provided in the first fuel gas line to adjust the flow rate of fuel gas supplied to the fuel electrode 109.
また、トッピングSOFC11aの燃料極109aの下流端(燃料ガス出口)には、反応に用いられた後の燃料ガスを排出する第2燃料ガスライン21の上流端が接続されている。第2燃料ガスライン21の下流端は、ボトミングSOFC11bの燃料極109bの上流端(燃料ガス入口)に接続されている。第2燃料ガスライン21は、トッピングSOFC11aから排出された燃料ガスを、ボトミングSOFC11bの燃料極109に供給する。また、第2燃料ガスライン21からは、トッピングSOFC11aの燃料極109aの下流端(燃料ガス出口)から排出された燃料ガスを、トッピングSOFC11aの燃料極109aの上流端(燃料ガス入口)に再循環させるための再循環ライン22が分岐している。再循環ライン22の下流端は、第1燃料ガスライン20の燃料ガス制御弁20aの下流側に接続されている。また、第2燃料ガスライン21には、第2燃料ガスライン21及び再循環ライン22に燃料ガスを流通させるための燃料ガスブロワ21aが設けられている。燃料ガスブロワ21aは、第2燃料ガスライン21の、再循環ライン22の分岐点よりも上流側に設けられている。 The downstream end (fuel gas outlet) of the fuel electrode 109a of the topping SOFC 11a is connected to the upstream end of the second fuel gas line 21 that discharges the fuel gas after being used in the reaction. The downstream end of the second fuel gas line 21 is connected to the upstream end (fuel gas inlet) of the fuel electrode 109b of the bottoming SOFC 11b. The second fuel gas line 21 supplies the fuel gas discharged from the topping SOFC 11a to the fuel electrode 109 of the bottoming SOFC 11b. A recirculation line 22 branches off from the second fuel gas line 21 to recirculate the fuel gas discharged from the downstream end (fuel gas outlet) of the fuel electrode 109a of the topping SOFC 11a to the upstream end (fuel gas inlet) of the fuel electrode 109a of the topping SOFC 11a. The downstream end of the recirculation line 22 is connected to the downstream side of the fuel gas control valve 20a of the first fuel gas line 20. In addition, the second fuel gas line 21 is provided with a fuel gas blower 21a for circulating fuel gas through the second fuel gas line 21 and the recirculation line 22. The fuel gas blower 21a is provided on the second fuel gas line 21 upstream of the branch point of the recirculation line 22.
ボトミングSOFC11bの燃料極109bの下流端(燃料ガス出口)には、反応に用いられた後の燃料ガスを排出する第3燃料ガスライン23の上流端が接続されている。第3燃料ガスライン23は、ボトミングSOFC11bから排出された燃料ガス(以下、ボトミングSOFC11bから排出された燃料ガスのことを「排燃料ガス」と称する。)を、二酸化炭素回収装置33へ導く。第3燃料ガスライン23には、上流側から順番に第1熱交換器30,第2熱交換器31及び検出部32が設けられている。検出部32では流通する排燃料ガスの状態量(組成など)が検出される。なお、検出部32を密度計とし、予め準備された排燃料ガスの組成と密度の関係から排燃料ガスの組成を求めてもよい。検出部32として密度計を用いることにより、迅速な計測が可能となり、また検出部32のコストを抑制することができる。 The downstream end (fuel gas outlet) of the fuel electrode 109b of the bottoming SOFC 11b is connected to the upstream end of the third fuel gas line 23, which discharges the fuel gas used in the reaction. The third fuel gas line 23 guides the fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b (hereinafter, the fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b is referred to as "exhaust fuel gas") to the carbon dioxide capture device 33. The third fuel gas line 23 is provided with a first heat exchanger 30, a second heat exchanger 31, and a detection unit 32 in this order from the upstream side. The detection unit 32 detects the state quantity (composition, etc.) of the exhaust fuel gas flowing. The detection unit 32 may be a density meter, and the composition of the exhaust fuel gas may be obtained from the relationship between the composition and density of the exhaust fuel gas prepared in advance. By using a density meter as the detection unit 32, rapid measurement is possible and the cost of the detection unit 32 can be reduced.
第1熱交換器30は、上述のように、酸化性ガス供給ライン12を流通する空気と、ボトミングSOFC11bから排出される排燃料ガスとの間で熱交換することで、空気を加熱するとともに、排燃料ガスを冷却する。このとき、排燃料ガス中の水分は凝縮し、凝縮した水分(ドレン)は、第1ドレンライン24によって第1熱交換器30から排出される。このように、第1熱交換器30は、排燃料ガスを冷却するとともに、排燃料ガス中の水分を取り除いている。 As described above, the first heat exchanger 30 exchanges heat between the air flowing through the oxidizing gas supply line 12 and the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b, thereby heating the air and cooling the exhaust fuel gas. At this time, the moisture in the exhaust fuel gas condenses, and the condensed moisture (drain) is discharged from the first heat exchanger 30 via the first drain line 24. In this way, the first heat exchanger 30 cools the exhaust fuel gas and removes the moisture in the exhaust fuel gas.
第2熱交換器31は、第1熱交換器30から排出された排燃料ガスと、冷媒ライン25によって供給される冷媒との間で熱交換することで、排燃料ガスを冷却する。このとき、排燃料ガス中の水分は凝縮し、凝縮した水分(ドレン)は、第2ドレンライン26によって第2熱交換器31から排出される。このように、第2熱交換器31は、排燃料ガスを冷却するとともに、排燃料ガス中の水分を取り除いている。 The second heat exchanger 31 cools the exhaust fuel gas by exchanging heat between the exhaust fuel gas discharged from the first heat exchanger 30 and the refrigerant supplied by the refrigerant line 25. At this time, the moisture in the exhaust fuel gas condenses, and the condensed moisture (drain) is discharged from the second heat exchanger 31 by the second drain line 26. In this way, the second heat exchanger 31 cools the exhaust fuel gas and removes the moisture in the exhaust fuel gas.
検出部32は、第2熱交換器31から排出された排燃料ガスの組成を検出する。検出部32は、第1熱交換器30及び第2熱交換器31の下流側に設けられているので、第1熱交換器30及び第2熱交換器31で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する。検出部32は、検出した情報を制御装置40へ送信する。 The detection unit 32 detects the composition of the exhaust fuel gas discharged from the second heat exchanger 31. The detection unit 32 is provided downstream of the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31, and therefore detects the composition of the exhaust fuel gas from which moisture has been removed by the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31. The detection unit 32 transmits the detected information to the control device 40.
本実施形態に係るSOFC発電システム10は、上述のように、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bを備え、ボトミングSOFC11bがトッピングSOFC11aよりも後段側に配置されている。ボトミングSOFC11bには、トッピングSOFC11aから排出された燃料ガスが供給される。すなわち、トッピングSOFC11aで使用され燃料成分(炭化水素、水素、一酸化炭素)が少なくなった燃料ガスを、ボトミングSOFC11bに供給して再利用する。また、トッピングSOFC11aからボトミングSOFC11bへの系統(第2燃料ガスライン21)から分岐し、再循環ライン22を介してトッピングSOFC11aへ、水蒸気を含む燃料ガスの再循環を行い、トッピングSOFC11aでの燃料ガスの内部改質に必要となる、燃料ガス中の炭素に対する水蒸気のモル比率(S/C:スチームカーボン比)を確保する。なお、ボトミングSOFC11bには、トッピングSOFC11aから排出された水蒸気を含む燃料ガスが供給されるため、内部改質に必要なS/Cが確保される。前段側のSOFCから排出された燃料ガスを、後段側のSOFCで再利用するカスケード接続とすることにより、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bのS/Cを適切な値に維持しつつ、SOFC発電システム10全体の燃料利用率を向上させることで、燃料ガスを効率よく発電に使用することにより、発電システム効率を向上させることができる。ここで燃料利用率とは、SOFC発電反応で消費される燃料成分量÷SOFCに供給される燃料成分量で求められる。発電反応で消費される燃料成分量は電流指令から算出できる。燃料成分量とは炭化水素のみに限らず水素などを含むSOFC燃料電池に供給できる成分である。
また、本実施形態では、トッピングSOFC11aの出力とボトミングSOFC11bの出力との比(以下、「出力比」と称する。)は、10:1程度とされている。すなわち、トッピングSOFC11aの出力は、ボトミングSOFC11bの出力の10倍程度とされている。出力比は狙いの燃料利用率への追従性向上を図る目的で設ける。具体的には、システムに投入する燃料流量をトッピングSOFC11aでの電流値見合いをする際に、システムでの燃料利用率の調整にはボトミングSOFC11bの電流値補正する必要がある。さらに電力需要を追従する際にはボトミングSOFC11bの電流値補正による出力が変動した分、トッピングSOFC11aの電流値も補正する必要がある。出力比が大きいほどトッピングSOFC11aの電流値の補正量が小さくシステムに供給される燃料流量への補正も小さいことから、ボトミングSOFC11bの電流指令値での補正によるシステム燃料利用率の微調整が可能である。
As described above, the SOFC power generation system 10 according to the present embodiment includes a topping SOFC 11a and a bottoming SOFC 11b, and the bottoming SOFC 11b is disposed downstream of the topping SOFC 11a. The bottoming SOFC 11b is supplied with fuel gas discharged from the topping SOFC 11a. That is, the fuel gas used in the topping SOFC 11a and reduced in fuel components (hydrocarbon, hydrogen, carbon monoxide) is supplied to the bottoming SOFC 11b for reuse. In addition, the fuel gas containing steam is recirculated to the topping SOFC 11a via a recirculation line 22 branched from a system (second fuel gas line 21) from the topping SOFC 11a to the bottoming SOFC 11b, and the molar ratio of steam to carbon in the fuel gas (S/C: steam carbon ratio) required for internal reforming of the fuel gas in the topping SOFC 11a is ensured. The bottoming SOFC 11b is supplied with fuel gas containing water vapor discharged from the topping SOFC 11a, so that the S/C required for internal reforming is ensured. By using a cascade connection in which the fuel gas discharged from the SOFC on the front side is reused in the SOFC on the rear side, the S/C of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b is maintained at an appropriate value, while improving the fuel utilization rate of the entire SOFC power generation system 10, and the fuel gas is efficiently used for power generation, thereby improving the power generation system efficiency. Here, the fuel utilization rate is calculated by dividing the amount of fuel components consumed in the SOFC power generation reaction by the amount of fuel components supplied to the SOFC. The amount of fuel components consumed in the power generation reaction can be calculated from the current command. The amount of fuel components is not limited to hydrocarbons and includes hydrogen and the like that can be supplied to the SOFC fuel cell.
In this embodiment, the ratio between the output of the topping SOFC 11a and the output of the bottoming SOFC 11b (hereinafter referred to as "output ratio") is about 10:1. That is, the output of the topping SOFC 11a is about 10 times the output of the bottoming SOFC 11b. The output ratio is set for the purpose of improving the tracking ability to the target fuel utilization rate. Specifically, when the fuel flow rate input to the system is matched with the current value of the topping SOFC 11a, the current value of the bottoming SOFC 11b needs to be corrected to adjust the fuel utilization rate in the system. Furthermore, when tracking the power demand, the current value of the topping SOFC 11a also needs to be corrected by the amount of the output fluctuation due to the current value correction of the bottoming SOFC 11b. The larger the output ratio, the smaller the correction amount of the current value of the topping SOFC 11a and the correction to the fuel flow rate supplied to the system are, so that it is possible to finely adjust the system fuel utilization rate by correcting the current command value of the bottoming SOFC 11b.
SOFC発電システム10は、制御装置(制御部)40を備えている。制御装置40は、検出部32の検出結果を受信する。また、制御装置40は、SOFC発電システム10に設けられた各弁の操作を行う。また、制御装置40は、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの制御を行う。 The SOFC power generation system 10 includes a control device (control unit) 40. The control device 40 receives the detection results of the detection unit 32. The control device 40 also operates each valve provided in the SOFC power generation system 10. The control device 40 also controls the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b.
制御装置(Controller)は、例えば、CPU(Central Processing Unit:プロセッサ)、主記憶装置(Main Memory)、二次記憶装置(Secondary storage:メモリ)等を備えている。更に、制御装置は、他の装置と情報の送受信を行うための通信部を備えていてもよい。
主記憶装置は、例えば、キャッシュメモリ、RAM(Random Access Memory)等の書き込み可能なメモリで構成され、CPUの実行プログラムの読み出し、実行プログラムによる処理データの書き込み等を行う作業領域として利用される。
二次記憶装置は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体(non-transitory computer readable storage medium)である。二次記憶装置は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリなどである。
各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で二次記憶装置に記憶されており、このプログラムをCPUが主記憶装置に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、二次記憶装置に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等である。
The control device (Controller) includes, for example, a CPU (Central Processing Unit: processor), a main memory, a secondary storage (secondary storage: memory), etc. Furthermore, the control device may include a communication unit for transmitting and receiving information to and from other devices.
The main storage device is composed of writable memory such as cache memory and RAM (Random Access Memory), and is used as a working area for reading execution programs of the CPU and writing processing data by the execution programs.
The secondary storage device is a non-transitory computer readable storage medium, such as a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, or a semiconductor memory.
As an example, a series of processes for realizing various functions is stored in a secondary storage device in the form of a program, and the CPU reads this program into the main storage device and executes information processing and arithmetic processing to realize various functions. Note that the program may be pre-installed in the secondary storage device, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. Examples of computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, and semiconductor memories.
制御装置40は、検出部32の検出結果に基づいて、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの発電量(電流指令値)を制御する電流指令値制御部を有する。電流指令値制御部は、検出部32の検出結果に基づいて、電流指令値を決定し、決定した電流指令値となるようにトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流値を設定する。
目標負荷(電力需要)に応じて電流指令値が設定され、出力される電流値に対応した各種制御(燃料ガス供給量や燃料極系統と空気極系統の差圧、SOFC供給空気温度燃料ガスの再循環流量などの制御)が行われる。
The control device 40 has a current command value control unit that controls the power generation amount (current command value) of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b based on the detection result of the detection unit 32. The current command value control unit determines a current command value based on the detection result of the detection unit 32, and sets the current values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b to be the determined current command value.
A current command value is set according to the target load (electricity demand), and various controls corresponding to the output current value (control of the fuel gas supply amount, the pressure difference between the fuel electrode system and the air electrode system, the SOFC supply air temperature, the fuel gas recirculation flow rate, etc.) are performed.
電流指令値制御部は、SOFC発電システム10全体(トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11b)の燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガスに含まれる二酸化炭素の濃度が第1閾値以上となり、かつ、SOFC発電システム10に要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
また、電流指令値制御部は、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第2閾値以下となるようにトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する。
The current command value control unit controls the current command value so that the fuel utilization rate of the entire SOFC power generation system 10 (topping SOFC 11a and bottoming SOFC 11b) is within a specified range, the concentration of carbon dioxide contained in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b is equal to or greater than a first threshold value, and the amount of power generation required of the SOFC power generation system 10 is satisfied.
Moreover, the current command value control unit controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas becomes equal to or lower than a second threshold value.
具体的には、電流指令値制御部は、SOFC発電システム10全体の燃料利用率が、90%以上であって94%以下の範囲となるように、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する。燃料利用率(Uf)は、第1燃料ガスライン20の再循環ライン22が合流する地点よりも上流側の地点(図4の地点P0)における燃料ガスの組成と、第3燃料ガスライン23の第1熱交換器30よりも上流側の地点(図4の地点P1)における燃料ガスの組成と、に基づいて算出される。 Specifically, the current command value control unit controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the fuel utilization rate of the entire SOFC power generation system 10 is in the range of 90% or more and 94% or less. The fuel utilization rate (Uf) is calculated based on the composition of the fuel gas at a point upstream of the point where the recirculation line 22 of the first fuel gas line 20 joins (point P0 in FIG. 4) and the composition of the fuel gas at a point upstream of the first heat exchanger 30 of the third fuel gas line 23 (point P1 in FIG. 4).
また、電流指令値制御部は、ボトミングSOFC11bから排出され、第1熱交換器30及び第2熱交換器31で水分を除去された後の排燃料ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を、検出部32により検出し、該二酸化炭素濃度が80体積%以上となるように、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する。
また、電流指令値制御部は、ボトミングSOFC11bから排出され、第1熱交換器30及び第2熱交換器31で水分を除去された後の排燃料ガスに含まれる水素の濃度を、検出部32により検出し、該水素濃度が14体積%以上であって17体積%以下の範囲となるように、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する。
In addition, the current command value control unit detects the concentration of carbon dioxide contained in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b and after moisture has been removed in the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31 using the detection unit 32, and controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the carbon dioxide concentration is 80 volume% or more.
In addition, the current command value control unit detects the hydrogen concentration contained in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b and after moisture has been removed in the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31 using the detection unit 32, and controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the hydrogen concentration is in the range of 14 volume % or more and 17 volume % or less.
また、電流指令値制御部は、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとの出力比に基づいて、トッピングSOFC11aの電流指令値を補正し、補正した電流指令値でトッピングSOFC11aの電流設定を行う。具体的には、電流指令値制御部は、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとの出力比がn:1程度の場合、トッピングSOFC11aの電流指令値の補正量を、ボトミングSOFC11bの電流指令値の補正量の1/nとする。例えば、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとの出力比が10:1の場合には、トッピングSOFC11aの電流指令値の補正量を、ボトミングSOFC11bの電流指令値の補正量の1/10とする。トッピングSOFC11aよりもボトミングSOFC11bは電流補正幅が大きく制御性が良くなる。 The current command value control unit corrects the current command value of the topping SOFC11a based on the output ratio between the topping SOFC11a and the bottoming SOFC11b, and sets the current of the topping SOFC11a with the corrected current command value. Specifically, when the output ratio between the topping SOFC11a and the bottoming SOFC11b is about n:1, the current command value control unit sets the correction amount of the current command value of the topping SOFC11a to 1/n of the correction amount of the current command value of the bottoming SOFC11b. For example, when the output ratio between the topping SOFC11a and the bottoming SOFC11b is 10:1, the correction amount of the current command value of the topping SOFC11a is set to 1/10 of the correction amount of the current command value of the bottoming SOFC11b. The bottoming SOFC11b has a larger current correction width than the topping SOFC11a, resulting in better controllability.
制御装置40は、主記憶装置又は二次記憶装置が排燃料ガスの密度と排燃料ガスの組成(排燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度)との対応を規定したマップを記憶してもよい。この場合、制御装置40は、検出部32で計測された排燃料ガスの密度から、マップに基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度を推定する推定部を有する。 The control device 40 may have a main memory device or a secondary memory device that stores a map that specifies the correspondence between the density of the exhaust fuel gas and the composition of the exhaust fuel gas (the carbon dioxide concentration and hydrogen concentration in the exhaust fuel gas). In this case, the control device 40 has an estimation unit that estimates the carbon dioxide concentration and hydrogen concentration in the exhaust fuel gas based on the map from the density of the exhaust fuel gas measured by the detection unit 32.
具体的には、制御装置40は、図5に示す、排燃料ガスの密度と排燃料ガス中の二酸化炭素濃度、水素濃度及び燃料利用率との対応を規定したマップを記憶してもよい。図5は、横軸が排燃料ガスの密度を示し、縦軸が二酸化炭素濃度、水素濃度及び燃料利用率を示している。すなわち、図5のマップは、各密度値(1.34kg/Nm3程度から1.67kg/Nm3程度までの間)における排燃料ガス中の二酸化炭素濃度、水素濃度及び燃料利用率の推定値を定めている。なお、図5における二酸化炭素濃度及び水素濃度は、第1熱交換器30及び第2熱交換器31で水分を除去された後の排燃料ガスにおける濃度である。 Specifically, the control device 40 may store a map shown in Fig. 5 that defines the correspondence between the density of the exhaust fuel gas and the carbon dioxide concentration, hydrogen concentration, and fuel utilization rate in the exhaust fuel gas. In Fig. 5, the horizontal axis indicates the density of the exhaust fuel gas, and the vertical axis indicates the carbon dioxide concentration, hydrogen concentration, and fuel utilization rate. That is, the map in Fig. 5 defines estimated values of the carbon dioxide concentration, hydrogen concentration, and fuel utilization rate in the exhaust fuel gas for each density value (between about 1.34 kg/Nm3 and about 1.67 kg/Nm3). Note that the carbon dioxide concentration and hydrogen concentration in Fig. 5 are concentrations in the exhaust fuel gas after moisture is removed by the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31.
図5に示すマップは、排燃料ガスの密度が増大するにしたがって、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増大する。また、排燃料ガスの密度が増大するにしたがって燃料利用率も増大している。また、排燃料ガスの密度が増大するにしたがって排燃料ガス中の水素濃度は減少している。推定部は、図5のマップに基づいて、検出部32で計測された排燃料ガスの密度から二酸化炭素濃度を推定する。 The map shown in FIG. 5 shows that as the density of the exhaust fuel gas increases, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also increases. In addition, as the density of the exhaust fuel gas increases, the fuel utilization rate also increases. In addition, as the density of the exhaust fuel gas increases, the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas decreases. The estimation unit estimates the carbon dioxide concentration from the density of the exhaust fuel gas measured by the detection unit 32 based on the map in FIG. 5.
本実施形態では、炭化水素を主性分とする燃料ガスを供給する場合に、二酸化炭素濃度が80%程度(第1閾値)と推定される排燃料ガスの密度を下限値X1として設定している。また、水素濃度が14%程度と推定される排燃料ガスの密度を上限値X2として設定している。推定部は、排燃料ガスの密度がX1となった場合に、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が80%程度(第1閾値)となり、水素濃度が17%程度となったと推定する。また、排燃料ガスの密度がX2となった場合に、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が82%程度(第2閾値)となり、水素濃度が14%程度となったと推定する。
排燃料ガスの密度の下限値X1は、排燃料ガス中から二酸化炭素を効率よく回収することができる二酸化炭素濃度の下限値(二酸化炭素回収装置33の方式、仕様に依存する)に対応する密度であってもよい。また、排燃料ガスの密度の上限値X2は、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bにおいて、セルスタック101等の損傷を抑制することができる二酸化炭素濃度及び水素濃度の上限値に対応する密度であってもよい。
In this embodiment, when fuel gas mainly composed of hydrocarbons is supplied, the density of the exhaust fuel gas whose carbon dioxide concentration is estimated to be about 80% (first threshold value) is set as the lower limit value X1. Also, the density of the exhaust fuel gas whose hydrogen concentration is estimated to be about 14% is set as the upper limit value X2. When the density of the exhaust fuel gas becomes X1, the estimation unit estimates that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas is about 80% (first threshold value) and the hydrogen concentration is about 17%. Also, when the density of the exhaust fuel gas becomes X2, the estimation unit estimates that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas is about 82% (second threshold value) and the hydrogen concentration is about 14%.
The lower limit value X1 of the density of the exhaust fuel gas may be a density corresponding to a lower limit value of the carbon dioxide concentration at which carbon dioxide can be efficiently captured from the exhaust fuel gas (which depends on the type and specifications of the carbon dioxide capture device 33). Also, the upper limit value X2 of the density of the exhaust fuel gas may be a density corresponding to the upper limit values of the carbon dioxide concentration and the hydrogen concentration at which damage to the cell stack 101, etc. can be suppressed in the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b.
次に、制御装置40が行う処理について図6のフローチャートを用いて説明する。
処理を開始すると制御装置40は、SOFC発電システム10に対する電力需要(要求される発電量)Dを受信する。電力需要Dは、制御装置40の外部から入力される(ステップS1)。次に、制御装置40は、SOFC発電システム10の送電端出力が電力需要Dを満たすように、燃料流量、トッピングSOFC11a(トッピングモジュール(TM))及びボトミングSOFC11b(ボトミングモジュール(BM))の電流値を設定する(ステップS2)。
Next, the process performed by the control device 40 will be described with reference to the flowchart of FIG.
When the process starts, the control device 40 receives a power demand (required power generation amount) D for the SOFC power generation system 10. The power demand D is input from outside the control device 40 (step S1). Next, the control device 40 sets the fuel flow rate and the current values of the topping SOFC 11a (topping module (TM)) and the bottoming SOFC 11b (bottoming module (BM)) so that the sending end output of the SOFC power generation system 10 satisfies the power demand D (step S2).
次に、制御装置は、排燃料ガスの密度がX1以下か否かを判定する(ステップS3)。なお、ステップS3では、検出部32の出力から排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定し、推定した二酸化炭素濃度が所定の値以下であるか否かを判定してもよい。
ステップS3で排燃料ガスの密度がX1以下と判断した場合には、ステップS4に進む。ステップS4では、ボトミングSOFC11bの出力がΔP増加するように、電流設定値をΔI増加させる。換言すれば、ステップS4では、ステップS2で設定したボトミングSOFC11bの電流設定値を補正する。また、ステップS4では、燃料利用率が規定の範囲内となるように、ボトミングSOFC11bの電流設定値を補正する。
Next, the control device determines whether the density of the exhaust fuel gas is equal to or less than X1 (step S3). In step S3, the control device may estimate the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas from the output of the detection unit 32, and determine whether the estimated carbon dioxide concentration is equal to or less than a predetermined value.
If it is determined in step S3 that the density of the exhaust fuel gas is equal to or lower than X1, the process proceeds to step S4. In step S4, the current set value is increased by ΔI so that the output of the bottoming SOFC 11b increases by ΔP. In other words, in step S4, the current set value of the bottoming SOFC 11b set in step S2 is corrected. Also, in step S4, the current set value of the bottoming SOFC 11b is corrected so that the fuel utilization rate falls within a specified range.
次に、ステップS5に進み、SOFC発電システム10に対する電力需要Dを満たす送電端出力を維持すために、ボトミングSOFC11bの出力を増加させた分、トッピングSOFC11aの出力を低減させる。具体的には、トッピングSOFC11aの出力がΔP低減するように、電流設定値をΔI/n低減させる。電流設定値の補正値は、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとの出力比に基づいた値とされている。このように、ステップS5では、ステップS2で設定したトッピングSOFC11aの電流設定値を補正する。 Next, proceeding to step S5, in order to maintain a sending end output that satisfies the power demand D for the SOFC power generation system 10, the output of the topping SOFC 11a is reduced by the amount of the increase in the output of the bottoming SOFC 11b. Specifically, the current set value is reduced by ΔI/n so that the output of the topping SOFC 11a is reduced by ΔP. The correction value of the current set value is set to a value based on the output ratio between the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b. In this way, in step S5, the current set value of the topping SOFC 11a set in step S2 is corrected.
ステップS5を終えると、制御装置40は、ステップS10に進む。ステップS10では、変更後の電流設定値に応じた燃料流量に変更する。具体的には、制御装置40は、燃料ガス制御弁20aを制御して、第1燃料ガスライン20を流通する燃料ガスの流量を調整する。ステップS10を終えると、制御装置40はステップS3に戻る。 After completing step S5, the control device 40 proceeds to step S10. In step S10, the fuel flow rate is changed to a value corresponding to the changed current setting value. Specifically, the control device 40 controls the fuel gas control valve 20a to adjust the flow rate of the fuel gas flowing through the first fuel gas line 20. After completing step S10, the control device 40 returns to step S3.
ステップS3で排燃料ガスの密度がX1よりも大きいと判断した場合には、ステップS6に進む。ステップS6では、排燃料ガスの密度がX2以上か否かを判定する。なお、ステップS6では、検出部32の出力から排燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び/又は水素濃度を推定し、推定した二酸化炭素濃度及び/又は水素濃度が所定の値以上であるか否かを判定してもよい。
ステップS6で排燃料ガスの密度がX2以上と判断した場合には、ステップS7に進む。ステップS7では、ボトミングSOFC11bの出力がΔP’低減するように、電流設定値をΔI’低減させる。換言すれば、ステップS4では、ステップS2で設定したボトミングSOFC11bの電流設定値を補正する。また、ステップS7では、燃料利用率が規定の範囲内となるように、ボトミングSOFC11bの電流設定値を補正する。
If it is determined in step S3 that the density of the exhaust fuel gas is greater than X1, the process proceeds to step S6. In step S6, it is determined whether the density of the exhaust fuel gas is equal to or greater than X2. Note that in step S6, the carbon dioxide concentration and/or hydrogen concentration in the exhaust fuel gas may be estimated from the output of the detection unit 32, and it may be determined whether the estimated carbon dioxide concentration and/or hydrogen concentration is equal to or greater than a predetermined value.
If it is determined in step S6 that the density of the exhaust fuel gas is equal to or greater than X2, the process proceeds to step S7. In step S7, the current set value is reduced by ΔI' so that the output of the bottoming SOFC 11b is reduced by ΔP'. In other words, in step S4, the current set value of the bottoming SOFC 11b set in step S2 is corrected. Also, in step S7, the current set value of the bottoming SOFC 11b is corrected so that the fuel utilization rate falls within a specified range.
次に、ステップS8に進み、SOFC発電システム10に対する電力需要Dを満たす送電端出力を維持するために、ボトミングSOFC11bの出力を低減させた分、トッピングSOFC11aの出力を増加させる。具体的には、トッピングSOFC11aの出力がΔP’増加するよう、電流設定値をΔI’/n増加させる。電流設定値の補正値は、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとの出力比に基づいた値とされている。このように、ステップS8では、ステップS2で設定したトッピングSOFC11aの電流設定値を補正する。 Next, proceed to step S8, and in order to maintain a sending end output that satisfies the power demand D for the SOFC power generation system 10, the output of the topping SOFC 11a is increased by the amount of the reduction in the output of the bottoming SOFC 11b. Specifically, the current set value is increased by ΔI'/n so that the output of the topping SOFC 11a increases by ΔP'. The correction value of the current set value is set to a value based on the output ratio between the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b. In this way, in step S8, the current set value of the topping SOFC 11a set in step S2 is corrected.
ステップS8を終えると、制御装置40は、ステップS10に進む。ステップS10では、変更後の電流設定値に応じた燃料流量に変更する。具体的には、制御装置40は、燃料ガス制御弁20aを制御して、第1燃料ガスライン20を流通する燃料ガスの流量を調整する。ステップS10を終えると、制御装置40はステップS3に戻る。 After completing step S8, the control device 40 proceeds to step S10. In step S10, the fuel flow rate is changed to a value corresponding to the changed current setting value. Specifically, the control device 40 controls the fuel gas control valve 20a to adjust the flow rate of the fuel gas flowing through the first fuel gas line 20. After completing step S10, the control device 40 returns to step S3.
ステップS6で排燃料ガスの密度がX2よりも小さいと判断した場合には、ステップS9に進む。ステップS9では、現状のトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの出力(電流設定値)で運転を継続する。ステップS9を終えると、ステップS1に戻る。 If it is determined in step S6 that the density of the exhaust fuel gas is less than X2, the process proceeds to step S9. In step S9, operation continues with the current output (current setting value) of the topping SOFC 11a and bottoming SOFC 11b. When step S9 is completed, the process returns to step S1.
次に、制御装置40が行う処理について図7を用いて説明する。
まず、制御装置40が、SOFC発電システム10に対する電力需要(要求される発電量)を受信する(ステップS11)。制御装置40は、電力需要に基づいてトッピングSOFC11aの電流設定値及びボトミングSOFC11bの電流設定値を設定する(ステップS12及びステップS13)。
Next, the process performed by the control device 40 will be described with reference to FIG.
First, the control device 40 receives a power demand (required power generation amount) for the SOFC power generation system 10 (step S11). The control device 40 sets a current set value for the topping SOFC 11a and a current set value for the bottoming SOFC 11b based on the power demand (steps S12 and S13).
一方で、ボトミングSOFC11bから排出され、第1熱交換器30及び第2熱交換器31で水分を除去された排燃料ガスの組成(以下では、例えば、密度)を検出部32が計測する。検出部32は計測結果を制御装置40へ送信する。制御装置40では、検出部32から受信した計測結果に基づいて、図5のマップを用いて排燃料ガス中の水素濃度及び二酸化炭素濃度を推測する(ステップS14)。制御装置40は、二酸化炭素濃度に基づいて、ステップS12及びステップS13で設定したトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流値に補正が必要であるか否かを判断する(ステップS15)。 Meanwhile, the detection unit 32 measures the composition (hereinafter, for example, density) of the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b and from which moisture has been removed by the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31. The detection unit 32 transmits the measurement results to the control device 40. The control device 40 estimates the hydrogen concentration and carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas using the map of FIG. 5 based on the measurement results received from the detection unit 32 (step S14). The control device 40 determines whether or not the current values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b set in steps S12 and S13 need to be corrected based on the carbon dioxide concentration (step S15).
補正が必要である場合には、ボトミングSOFC11bの出力(電流設定値)を補正する。具体的には、ボトミングSOFC11bの出力をΔP増加させる(ステップS16)ための、ボトミングSOFC11bの電流設定値に対する補正値ΔIを決定する(ステップS17)。次に、ステップS12で設定した電流設定値に対して、ステップS17で決定した補正値ΔIを加算し、ボトミングSOFC11bの補正後電流設定値を決定する。ボトミングSOFC11bの補正後電流設定値が、ボトミングSOFC11bのPCS37(Power Conditioning System)に送信され、ボトミングSOFC11bの電流値が補正後電流設定値となるよう制御される(ステップS18)。 If correction is necessary, the output (current setting value) of the bottoming SOFC11b is corrected. Specifically, a correction value ΔI for the current setting value of the bottoming SOFC11b is determined (step S17) to increase the output of the bottoming SOFC11b by ΔP (step S16). Next, the correction value ΔI determined in step S17 is added to the current setting value set in step S12 to determine the corrected current setting value of the bottoming SOFC11b. The corrected current setting value of the bottoming SOFC11b is transmitted to the PCS37 (Power Conditioning System) of the bottoming SOFC11b, and the current value of the bottoming SOFC11b is controlled to become the corrected current setting value (step S18).
ステップS16からステップS18で、ボトミングSOFC11bの出力を補正する場合には、SOFC発電システム10に対する電力需要Dを満たす出力を維持するために、ボトミングSOFC11bの出力を増加させた分、トッピングSOFC11aの出力を低減させる。具体的には、トッピングSOFC11aの出力をΔP低減させる(ステップS19)ための、トッピングSOFC11aの電流設定値に対する補正値ΔI/nを決定する(ステップS20)。次に、ステップS13で設定した電流設定値に対して、ステップS20で決定した補正値ΔI/nを加算し、トッピングSOFC11aの補正後電流設定値を決定する。トッピングSOFC11aの補正後電流設定値がトッピングSOFC11aのPCS36に送信され、トッピングSOFC11aの電流値が補正後電流設定値となるよう制御される(ステップS21)。また、トッピングSOFC11aの補正後電流設定値に基づいて、第1燃料ガスライン20を流通する燃料ガスの流量が設定され(ステップS22)、燃料ガス制御弁20aの開度を調整することで、第1燃料ガスライン20を流通する燃料ガスの流量が調整される。 When the output of the bottoming SOFC 11b is corrected in steps S16 to S18, the output of the topping SOFC 11a is reduced by the amount of the increase in the output of the bottoming SOFC 11b in order to maintain the output that satisfies the power demand D for the SOFC power generation system 10. Specifically, a correction value ΔI/n for the current set value of the topping SOFC 11a is determined (step S20) to reduce the output of the topping SOFC 11a by ΔP (step S19). Next, the correction value ΔI/n determined in step S20 is added to the current set value set in step S13 to determine the corrected current set value of the topping SOFC 11a. The corrected current set value of the topping SOFC 11a is transmitted to the PCS 36 of the topping SOFC 11a, and the current value of the topping SOFC 11a is controlled to be the corrected current set value (step S21). In addition, the flow rate of the fuel gas flowing through the first fuel gas line 20 is set based on the corrected current setting value of the topping SOFC 11a (step S22), and the flow rate of the fuel gas flowing through the first fuel gas line 20 is adjusted by adjusting the opening of the fuel gas control valve 20a.
次に、排燃料ガス密度の変化と、ボトミングSOFC11b及びトッピングSOFC11aの電流値との関係について図8を用いて説明する。図8では、横軸は時間の流れを示し、縦軸は(a)では排燃料ガス密度、(b)では二酸化炭素濃度、(c)ではボトミングSOFC11bの電流値、(d)ではトッピングSOFC11aの電流値を示している。 Next, the relationship between the change in exhaust fuel gas density and the current value of the bottoming SOFC11b and the topping SOFC11a will be explained using Figure 8. In Figure 8, the horizontal axis indicates the flow of time, and the vertical axis indicates (a) the exhaust fuel gas density, (b) the carbon dioxide concentration, (c) the current value of the bottoming SOFC11b, and (d) the current value of the topping SOFC11a.
図8に示すように、検出部32が計測する排燃料ガスの密度が減少すると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する(T1)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値が増加するとともに、トッピングSOFC11aの電流設定値が減少する。また、検出部32が計測する排燃料ガスの密度の減少が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少も止まる(T2)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値の増加及びトッピングSOFC11aの電流設定値の減少も止まる。
検出部32が計測する排燃料ガスの密度が増加に転ずると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加する(T3)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値が減少するとともに、トッピングSOFC11aの電流設定値が増加する。また、検出部32が計測する排燃料ガスの密度の増加が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加も止まる(T4)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値の減少及びトッピングSOFC11aの電流設定値の増加も止まる。
8, when the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 decreases, the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also decreases (T1). Accordingly, the current setting value of the bottoming SOFC 11b increases, and the current setting value of the topping SOFC 11a decreases. Furthermore, when the decrease in the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 stops, the decrease in the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also stops (T2). Accordingly, the increase in the current setting value of the bottoming SOFC 11b and the decrease in the current setting value of the topping SOFC 11a also stop.
When the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 starts to increase, the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also increases (T3). Accordingly, the current setting value of the bottoming SOFC 11b decreases, and the current setting value of the topping SOFC 11a increases. Furthermore, when the increase in the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 stops, the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also stops increasing (T4). Accordingly, the decrease in the current setting value of the bottoming SOFC 11b and the increase in the current setting value of the topping SOFC 11a also stop.
一方で、検出部32が計測する排燃料ガスの密度が増加すると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する(T5)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値が減少するとともに、トッピングSOFC11aの電流設定値が増加する。また、検出部32が計測する排燃料ガスの密度の増加が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加も止まる(T6)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値の減少及びトッピングSOFC11aの電流設定値の増加も止まる。
検出部32が計測する排燃料ガスの密度が減少に転ずると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する(T7)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値が増加するとともに、トッピングSOFC11aの電流設定値が減少する。また、検出部32が計測する排燃料ガスの密度の減少が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少も止まる(T8)。これに伴って、ボトミングSOFC11bの電流設定値の増加及びトッピングSOFC11aの電流設定値の減少も止まる。
なお、図8に水素濃度の挙動は記載していないが、検出部32が計測する排燃料ガスの密度が減少すると推定される排燃料ガス中の水素濃度は増加し、検出部32が計測する排燃料ガスの密度が増加すると水素濃度は増加する。
On the other hand, when the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 increases, the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also decreases (T5). Accordingly, the current setting value of the bottoming SOFC 11b decreases, and the current setting value of the topping SOFC 11a increases. Furthermore, when the increase in the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 stops, the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also stops increasing (T6). Accordingly, the decrease in the current setting value of the bottoming SOFC 11b and the increase in the current setting value of the topping SOFC 11a also stop.
When the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 starts to decrease, the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also decreases (T7). Accordingly, the current setting value of the bottoming SOFC 11b increases, and the current setting value of the topping SOFC 11a decreases. Furthermore, when the decrease in the density of the exhaust fuel gas measured by the detector 32 stops, the decrease in the estimated carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas also stops (T8). Accordingly, the increase in the current setting value of the bottoming SOFC 11b and the decrease in the current setting value of the topping SOFC 11a also stop.
Although the behavior of the hydrogen concentration is not shown in Figure 8, the estimated hydrogen concentration in the exhaust fuel gas increases as the density of the exhaust fuel gas measured by the detection unit 32 decreases, and the hydrogen concentration increases as the density of the exhaust fuel gas measured by the detection unit 32 increases.
本実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、制御装置40がトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの燃料ガスの利用率である燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値(詳細には、80%程度)以上となるように、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bの電流指令値を制御している。これにより、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
According to this embodiment, the following advantageous effects are obtained.
In this embodiment, the control device 40 controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the fuel utilization rate, which is the utilization rate of the fuel gas in the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b, is within a specified range and the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b is equal to or higher than a first threshold value (specifically, about 80%). This makes it possible to increase the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b. This makes it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
特に、供給される燃料ガスの組成が頻繁に変動する場合や、電力需要に追従するために発電出力を変化する際の過渡状態においては、燃料利用率の安定的な制御が困難であったが、本実施形態では燃料利用率を安定的に制御することができる。 In particular, it has been difficult to stably control the fuel utilization rate when the composition of the fuel gas being supplied fluctuates frequently or in a transient state when the power generation output is changed to follow the power demand, but in this embodiment, it is possible to stably control the fuel utilization rate.
また、本実施形態では、制御装置40がSOFC発電システム10に要求される発電量を満たすように、トッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bの電流指令値を制御している。これにより、SOFC発電システム10に対する要求発電量を満たすことができる。 In addition, in this embodiment, the control device 40 controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so as to satisfy the amount of power generation required for the SOFC power generation system 10. This makes it possible to satisfy the amount of power generation required for the SOFC power generation system 10.
また、本実施形態では、制御装置40が、検出部32が検出した排燃料ガスの二酸化炭素濃度が第2閾値以下(詳細には、82%程度)となるようにトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御している。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が過剰に高まること(換言すれば、排燃料ガス中の燃料ガス成分が過剰に低減すること)を抑制することができる。したがって、ボトミングSOFC11bにおいて過剰に燃料ガス成分が低減することによるボトミングSOFC11bの損傷を抑制することができる。 In addition, in this embodiment, the control device 40 controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the carbon dioxide concentration of the exhaust fuel gas detected by the detection unit 32 is equal to or lower than a second threshold value (specifically, approximately 82%). This makes it possible to prevent the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas from increasing excessively (in other words, the fuel gas components in the exhaust fuel gas from being excessively reduced). Therefore, damage to the bottoming SOFC 11b caused by an excessive reduction in the fuel gas components in the bottoming SOFC 11b can be prevented.
また、排燃料ガスの密度は比較的検出し易く、また連続的な検出も比較的容易である。本実施形態では、排燃料ガスの密度を検出し、排燃料ガスの密度から推定部が推定した二酸化炭素の濃度に基づいてトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御装置40が制御する。これにより、燃料ガスの組成が頻繁に変動する場合においても、制御装置40がトッピングSOFC11a及び前記ボトミングSOFC11bの電流指令値を比較的容易に制御することができる。 In addition, the density of the exhaust fuel gas is relatively easy to detect, and continuous detection is also relatively easy. In this embodiment, the density of the exhaust fuel gas is detected, and the control device 40 controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b based on the carbon dioxide concentration estimated by the estimation unit from the density of the exhaust fuel gas. This allows the control device 40 to relatively easily control the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b, even when the composition of the fuel gas frequently changes.
また、本実施形態では、制御装置40がトッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bとの出力比率に基づいてトッピングSOFC11aとボトミングSOFC11bの電流指令値を補正している。これにより、SOFC発電システム10に対する要求発電量をより好適に満たすことができる。 In addition, in this embodiment, the control device 40 corrects the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b based on the output ratio between the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b. This makes it possible to more appropriately satisfy the required power generation amount for the SOFC power generation system 10.
また、本実施形態では、制御装置40が、燃料利用率が90%以上であって94%以下の範囲となるようにトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する。これにより、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bで好適に燃料ガス成分を消費することができるので、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。 In addition, in this embodiment, the control device 40 controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the fuel utilization rate is in the range of 90% or more and 94% or less. This allows the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b to consume fuel gas components preferably, so that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b can be more preferably increased. This makes it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
また、本実施形態では、検出部32が第1熱交換器30及び第2熱交換器31で水分を除去された排燃料ガスの密度を検出する。これにより、より正確に排燃料ガスの密度を検出することができる。 In addition, in this embodiment, the detection unit 32 detects the density of the exhaust fuel gas from which moisture has been removed by the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 31. This makes it possible to detect the density of the exhaust fuel gas more accurately.
本実施形態では、制御装置40は、排燃料ガス中の水素濃度が14%以上であって17%以下の範囲となるようにトッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bの電流指令値を制御する。これにより、トッピングSOFC11a及びボトミングSOFC11bで好適に燃料ガス成分である水素を消費することができるので、ボトミングSOFC11bから排出された中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、排燃料ガス中の水素濃度の過剰な減少を抑制することができる。したがって、ボトミングSOFC11bにおいて、水素濃度が過剰に低減することによるセルスタック101等の損傷を抑制することができる。
In this embodiment, the control device 40 controls the current command values of the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b so that the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas is in the range of 14% or more and 17% or less. This allows the topping SOFC 11a and the bottoming SOFC 11b to preferably consume hydrogen, which is a fuel gas component, and therefore the carbon dioxide concentration in the gas discharged from the bottoming SOFC 11b can be more preferably increased. This makes it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
Moreover, an excessive decrease in the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas can be suppressed, and therefore, in the bottoming SOFC 11b, damage to the cell stack 101 and the like caused by an excessive decrease in the hydrogen concentration can be suppressed.
このように、本実施形態では、ボトミングSOFC11bでは発電出力のみを重視するのではなく、電力需要を満たす範囲で排燃料中の二酸化炭素濃度を増加させるように電流値を制御している。これにより、複数のSOFC11を直列に接続したカスケード式のSOFC発電システム10において、ボトミングSOFC11bから排出される排燃料ガスの二酸化炭素濃度を好適に増加させることができる。 In this way, in this embodiment, the bottoming SOFC 11b does not focus only on the power generation output, but controls the current value to increase the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel within a range that meets the power demand. This makes it possible to suitably increase the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b in a cascade-type SOFC power generation system 10 in which multiple SOFCs 11 are connected in series.
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。 Note that this disclosure is not limited to the above-described embodiments, and can be modified as appropriate without departing from the spirit and scope of the present disclosure.
例えば、トッピングSOFC11aは並列に接続した複数のSOFCを有していてもよい。 For example, the topping SOFC 11a may have multiple SOFCs connected in parallel.
また、SOFC11を3段以上直列に接続してもよい。その場合には、最下流に配置されたSOFC11から排出された排燃料ガスの組成を検出し、検出された組成に基づいて全てのSOFC11の電流指令値を制御する。 The SOFCs 11 may also be connected in series in three or more stages. In that case, the composition of the exhaust fuel gas discharged from the SOFC 11 located at the most downstream position is detected, and the current command values of all the SOFCs 11 are controlled based on the detected composition.
また、上記実施形態では、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガスの密度を計測する検出部32を設け、検出した密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、検出部32に代えて、ボトミングSOFC11bから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を設けてもよい。また、二酸化炭素濃度計に代えて(もしくは加えて)、排燃料ガス中の水素濃度を計測する水素濃度計を設けてもよい。
このように、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測することで、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより正確に把握することができる。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより正確に調整することができる。したがって、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させて、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
In the above embodiment, the detection unit 32 is provided to measure the density of the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b, and the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas is estimated based on the detected density. However, the present disclosure is not limited to this. For example, a carbon dioxide concentration meter that measures the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the bottoming SOFC 11b may be provided instead of the detection unit 32. Also, a hydrogen concentration meter that measures the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas may be provided instead of (or in addition to) the carbon dioxide concentration meter.
By measuring the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas in this manner, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas can be grasped more accurately. This makes it possible to adjust the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas more accurately. Therefore, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas can be more suitably increased, making it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
また、上記実施形態では、ボトミングSOFC11bにおける発電出力は重視していないので、ボトミングSOFC11bでは低温発電が可能であって、高耐久のセルを用いることが望ましい。 In addition, in the above embodiment, the power generation output of the bottoming SOFC11b is not emphasized, so it is desirable to use a highly durable cell that is capable of generating electricity at low temperatures in the bottoming SOFC11b.
また、ボトミングSOFC11bから排出された高濃度の二酸化炭素は、自着火防止として、SOFC11に供給される燃料ガスに混合してもよい。 In addition, the high concentration of carbon dioxide discharged from the bottoming SOFC11b may be mixed into the fuel gas supplied to the SOFC11 to prevent spontaneous ignition.
以上説明した実施形態に記載の電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法は、例えば以下のように把握される。 The electrochemical cell system and the method of operating the electrochemical cell system described in the above-described embodiment can be understood, for example, as follows.
本開示の第1態様に係る電気化学セルシステムは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池(11)を複数有する電気化学セルシステム(10)であって、第1燃料電池(11a)と前記第1燃料電池(11a)から排出された排燃料ガスが供給される第2燃料電池(11b)と、前記第2燃料電池(11b)から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部(32)と、前記検出部(32)が検出した結果に基づいて、前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する制御部(40)と、を備え、前記制御部(40)は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第2燃料電池(11b)から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステム(10)に要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。 The electrochemical cell system according to the first aspect of the present disclosure is an electrochemical cell system (10) having a plurality of fuel cells (11) that generate electricity by reacting a fuel gas supplied to a fuel electrode with an oxidizing gas supplied to an air electrode, and includes a first fuel cell (11a), a second fuel cell (11b) to which exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell (11a) is supplied, a detection unit (32) that detects the state quantity of the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell (11b), and a control unit (40) that controls the current command value of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) based on the result detected by the detection unit (32). The control unit (40) controls the current command value so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell (11b) is equal to or greater than a first threshold, and the amount of electricity generated required for the electrochemical cell system (10) is satisfied.
上記構成では、制御部が電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となるように、第1燃料電池と第2燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、上記構成では、制御部が電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、第1燃料電池と第2燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、電気化学セルシステム全体における要求発電量を満たすことができる。
なお、排燃料ガスの状態量の例として、例えば、排燃料ガスの密度や排燃料ガス中の二酸化炭素濃度や排燃料ガス中の水素濃度等が挙げられる。
In the above configuration, the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range and the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell is equal to or higher than a first threshold value. This makes it possible to increase the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell, thereby making it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
In the above configuration, the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell so as to satisfy the amount of power generation required for the electrochemical cell system, thereby making it possible to satisfy the required amount of power generation for the entire electrochemical cell system.
Examples of the state quantities of the exhaust fuel gas include the density of the exhaust fuel gas, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas, and the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas.
本開示の第2態様に係る電気化学セルシステムは、上記第1態様において、前記制御部(40)は、前記検出部(32)が検出した排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が前記第1閾値よりも高い値である第2閾値以下となるように前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する。 In the electrochemical cell system according to the second aspect of the present disclosure, in the first aspect described above, the control unit (40) controls the current command values of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) so that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas detected by the detection unit (32) is equal to or lower than a second threshold value that is higher than the first threshold value.
上記構成では、制御部が、検出部が検出した排燃料ガスの二酸化炭素濃度が第2閾値以下となるように第1燃料電池及び第2燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が過剰に高まること(換言すれば、排燃料ガス中の燃料ガス成分が過剰に低減すること)を抑制することができる。したがって、第2燃料電池において過剰に燃料ガス成分が低減することによる第2燃料電池の損傷を抑制することができる。 In the above configuration, the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell so that the carbon dioxide concentration of the exhaust fuel gas detected by the detection unit is equal to or lower than the second threshold value. This makes it possible to prevent the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas from increasing excessively (in other words, the fuel gas components in the exhaust fuel gas from being excessively reduced). Therefore, damage to the second fuel cell caused by an excessive reduction in the fuel gas components in the second fuel cell can be prevented.
本開示の第3態様に係る電気化学セルシステムは、上記第1態様または第2態様において、前記検出部(32)は、前記第2燃料電池(11b)から排出された排燃料ガスの密度を検出し、前記制御部(40)は、排燃料ガスの密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する推定部を有し、前記推定部が推定した二酸化炭素濃度に基づいて前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する。 In the electrochemical cell system according to the third aspect of the present disclosure, in the first or second aspect described above, the detection unit (32) detects the density of the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell (11b), and the control unit (40) has an estimation unit that estimates the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas based on the density of the exhaust fuel gas, and controls the current command values of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) based on the carbon dioxide concentration estimated by the estimation unit.
排燃料ガスの密度は比較的検出し易い。上記構成では、排燃料ガスの密度を検出し、排燃料ガスの密度から推定部が推定した二酸化炭素の濃度に基づいて第1燃料電池及び第2燃料電池の電流指令値を制御部が制御する。これにより、制御部が第1燃料電池及び前記第2燃料電池の電流指令値を比較的容易に制御することができる。 The density of the exhaust fuel gas is relatively easy to detect. In the above configuration, the density of the exhaust fuel gas is detected, and the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell based on the carbon dioxide concentration estimated by the estimation unit from the density of the exhaust fuel gas. This allows the control unit to relatively easily control the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell.
本開示の第4態様に係る電気化学セルシステムは、上記第1態様から第3態様のいずれかにおいて、前記制御部(40)は、前記第1燃料電池(11a)の出力と前記第2燃料電池(11b)の出力との比率に基づいて、前記第1燃料電池(11a)の電流指令値を補正する。 In the electrochemical cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, in any one of the first to third aspects, the control unit (40) corrects the current command value of the first fuel cell (11a) based on the ratio between the output of the first fuel cell (11a) and the output of the second fuel cell (11b).
上記構成では、制御部が第1燃料電池と第2燃料電池との出力比率に基づいて第1燃料電池の電流指令値を補正している。これにより、第1燃料電池の電流指令値を出力比率に基づいた値にすることができる。したがって、電気化学セルシステム全体における要求発電量をより好適に満たすことができる。 In the above configuration, the control unit corrects the current command value for the first fuel cell based on the output ratio between the first fuel cell and the second fuel cell. This allows the current command value for the first fuel cell to be set to a value based on the output ratio. Therefore, the required power generation amount for the entire electrochemical cell system can be more appropriately met.
本開示の第5態様に係る電気化学セルシステムは、上記第1態様から第4態様のいずれかにおいて、前記制御部(40)は、前記燃料利用率が90%以上であって94%以下の範囲となるように前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する。 In the electrochemical cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, in any one of the first to fourth aspects, the control unit (40) controls the current command values of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) so that the fuel utilization rate is in the range of 90% or more and 94% or less.
上記構成では、制御部が、燃料利用率が90%以上であって94%以下の範囲となるように第1燃料電池及び第2燃料電池の電流指令値を制御する。これにより、第1燃料電池及び第2燃料電池で好適に燃料ガス成分を消費することができるので、第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。 In the above configuration, the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell so that the fuel utilization rate is in the range of 90% or more and 94% or less. This allows the first fuel cell and the second fuel cell to consume fuel gas components in an optimal manner, and therefore the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell can be increased more optimally. This makes it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
本開示の第6態様に係る電気化学セルシステムは、上記第1態様から第5態様のいずれかにおいて、前記第2燃料電池(11b)から排出された排燃料ガスから水分を除去する気液分離部(30,31)を備え、前記検出部(32)は前記気液分離部(30,31)で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する。 The electrochemical cell system according to the sixth aspect of the present disclosure is any one of the first to fifth aspects described above, and includes a gas-liquid separation section (30, 31) that removes moisture from the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell (11b), and the detection section (32) detects the composition of the exhaust fuel gas from which moisture has been removed by the gas-liquid separation section (30, 31).
上記構成では、検出部が気液分離部で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する。これにより、より正確に排燃料ガスの組成を検出することができる。 In the above configuration, the detection unit detects the composition of the exhaust fuel gas from which moisture has been removed by the gas-liquid separation unit. This makes it possible to detect the composition of the exhaust fuel gas more accurately.
本開示の第7態様に係る電気化学セルシステムは、上記第6態様において、前記制御部(40)は、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が80%以上となるように前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する。 The electrochemical cell system according to the seventh aspect of the present disclosure is the sixth aspect, in which the control unit (40) controls the current command values of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) so that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas is 80% or more.
上記構成では、制御部が、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が80%以上となるように第1燃料電池及び第2燃料電池の電流指令値を制御する。これにより、第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、排燃料ガスに含まれる成分の中で二酸化炭素は比較的に制御性が良いため、制御部はより好適に制御を行うことができる。
In the above configuration, the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell so that the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas is 80% or more. This makes it possible to more suitably increase the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell, thereby making it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
Furthermore, carbon dioxide is relatively easy to control among the components contained in the exhaust fuel gas, so the control unit can perform control more appropriately.
本開示の第8態様に係る電気化学セルシステムは、上記第6態様または第7態様において、前記制御部(40)は、排燃料ガス中の水素濃度が14%以上であって17%以下の範囲となるように前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する。 The electrochemical cell system according to the eighth aspect of the present disclosure is the sixth or seventh aspect, in which the control unit (40) controls the current command values of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) so that the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas is in the range of 14% or more and 17% or less.
上記構成では、制御部は、排燃料ガス中の水素濃度が14%以上であって17%以下の範囲となるように第1燃料電池及び第2燃料電池の電流指令値を制御する。これにより、第1燃料電池及び第2燃料電池で好適に燃料ガス成分である水素を消費することができるので、第2燃料電池から排出された中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、排燃料ガス中の水素濃度の過剰な減少を抑制することができる。したがって、第2燃料電池において過剰に水素濃度が低減することによる損傷を抑制することができる。
また、排燃料ガスに含まれる成分の中で水素は比較的に制御性が良いため、制御部はより好適に制御を行うことができる。
In the above configuration, the control unit controls the current command values of the first fuel cell and the second fuel cell so that the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas is in the range of 14% or more and 17% or less. This allows the first fuel cell and the second fuel cell to preferably consume hydrogen, which is a fuel gas component, and therefore the carbon dioxide concentration in the gas exhausted from the second fuel cell can be more preferably increased. This makes it easier to recover carbon dioxide from the exhaust fuel gas.
Moreover, an excessive decrease in the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas can be suppressed, and therefore damage to the second fuel cell caused by an excessive decrease in the hydrogen concentration can be suppressed.
Furthermore, among the components contained in the exhaust fuel gas, hydrogen is relatively easy to control, so the control unit can perform control more appropriately.
本開示の第1態様に係る電気化学セルシステムの運転方法は、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステム(10)の運転方法であって、前記電気化学セルシステム(10)は、第1燃料電池(11a)と前記第1燃料電池(11a)から排出された排燃料ガスが供給される第2燃料電池(11b)と、前記第2燃料電池(11b)から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部(32)と、前記検出部(32)が検出した結果に基づいて、前記第1燃料電池(11a)及び前記第2燃料電池(11b)の電流指令値を制御する制御部(40)と、を備え、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第2燃料電池(11b)から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステム(10)に要求される発電量を満たすように、前記制御部(40)が電流指令値を制御する制御工程を備える。 The method for operating an electrochemical cell system according to the first aspect of the present disclosure is a method for operating an electrochemical cell system (10) having a plurality of fuel cells that generate electricity by reacting a fuel gas supplied to an anode with an oxidizing gas supplied to an cathode, the electrochemical cell system (10) comprising a first fuel cell (11a) and a second fuel cell (11b) to which exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell (11a) is supplied, a detection unit (32) that detects the state quantity of the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell (11b), and a control unit (40) that controls the current command values of the first fuel cell (11a) and the second fuel cell (11b) based on the result detected by the detection unit (32), and a control step in which the control unit (40) controls the current command value so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell (11b) is equal to or greater than a first threshold, and the amount of electricity required for the electrochemical cell system (10) is satisfied.
10 :SOFC発電システム
12 :酸化性ガス供給ライン
12a :空気ブロワ
12b :トッピング側供給ライン
12c :ボトミング側供給ライン
13 :排酸化性ガス排出ライン
13a :トッピング側排出ライン
13b :ボトミング側排出ライン
20 :第1燃料ガスライン
20a :燃料ガス制御弁
21 :第2燃料ガスライン
21a :燃料ガスブロワ
22 :再循環ライン
23 :第3燃料ガスライン
24 :第1ドレンライン
25 :冷媒ライン
26 :第2ドレンライン
30 :第1熱交換器
31 :第2熱交換器
32 :検出部
33 :二酸化炭素回収装置
40 :制御装置
101 :セルスタック
103 :基体管
105 :電気化学単セル
107 :インターコネクタ
109 :燃料極
111 :固体電解質膜
113 :空気極
115 :リード膜
201 :SOFCモジュール
203 :SOFCカートリッジ
205 :モジュール容器
207 :燃料ガス供給管
207a :燃料ガス供給枝管
209 :燃料ガス排出管
209a :燃料ガス排出枝管
215 :発電室
217 :燃料ガス供給ヘッダ
219 :燃料ガス排出ヘッダ
221 :酸化性ガス供給ヘッダ
223 :酸化性ガス排出ヘッダ
225a :上部管板
225b :下部管板
227a :上部断熱体
227b :下部断熱体
229a :上部ケーシング
229b :下部ケーシング
231a :燃料ガス供給孔
231b :燃料ガス排出孔
233a :酸化性ガス供給孔
233b :酸化性ガス排出孔
235a :酸化性ガス供給隙間
235b :酸化性ガス排出隙間
237a :シール部材
237b :シール部材
10: SOFC power generation system 12: Oxidizing gas supply line 12a: Air blower 12b: Topping side supply line 12c: Bottoming side supply line 13: Exhaust oxidizing gas discharge line 13a: Topping side discharge line 13b: Bottoming side discharge line 20: First fuel gas line 20a: Fuel gas control valve 21: Second fuel gas line 21a: Fuel gas blower 22: Recirculation line 23: Third fuel gas line 24: First drain line 25: Refrigerant line 26: Second drain line 30: First heat exchanger 31: Second heat exchanger 32: Detection unit 33: Carbon dioxide capture device 40: Control device 101: Cell stack 103: Base tube 105: Electrochemical single cell 107: Interconnector 109: Anode 111: Solid electrolyte membrane 113 : Air electrode 115 : Lead film 201 : SOFC module 203 : SOFC cartridge 205 : Module container 207 : Fuel gas supply pipe 207a : Fuel gas supply branch pipe 209 : Fuel gas exhaust pipe 209a : Fuel gas exhaust branch pipe 215 : Power generation chamber 217 : Fuel gas supply header 219 : Fuel gas exhaust header 221 : Oxidizing gas supply header 223 : Oxidizing gas exhaust header 225a : Upper tube plate 225b : Lower tube plate 227a : Upper heat insulator 227b : Lower heat insulator 229a : Upper casing 229b : Lower casing 231a : Fuel gas supply hole 231b : Fuel gas exhaust hole 233a : Oxidizing gas supply hole 233b : Oxidizing gas exhaust hole 235a : Oxidizing gas supply gap 235b : Oxidizing gas exhaust gap 237a : Sealing member 237b : Sealing member
Claims (9)
第1燃料電池と
前記第1燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第2燃料電池と、
前記第2燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、
前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する電気化学セルシステム。 An electrochemical cell system having a plurality of fuel cells that generate electricity by reacting a fuel gas supplied to an anode with an oxidizing gas supplied to an cathode,
a first fuel cell; and a second fuel cell to which exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell is supplied.
a detection unit for detecting a state quantity of exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell;
a control unit that controls current command values for the first fuel cell and the second fuel cell based on the result detected by the detection unit,
The control unit controls the current command value so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell is equal to or greater than a first threshold value, and the amount of power generation required for the electrochemical cell system is satisfied.
前記制御部は、排燃料ガスの密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する推定部を有し、前記推定部が推定した二酸化炭素濃度に基づいて前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の電流指令値を制御する請求項1に記載の電気化学セルシステム。 the detection unit detects a density of exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell,
2. The electrochemical cell system according to claim 1, wherein the control unit has an estimation unit that estimates a carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas based on a density of the exhaust fuel gas, and controls current command values of the first fuel cell and the second fuel cell based on the carbon dioxide concentration estimated by the estimation unit.
前記検出部は前記気液分離部で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する請求項1に記載の電気化学セルシステム。 a gas-liquid separator for removing moisture from the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell;
2. The electrochemical cell system according to claim 1, wherein the detection section detects the composition of the exhaust fuel gas from which moisture has been removed in the gas-liquid separation section.
前記電気化学セルシステムは、
第1燃料電池と
前記第1燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第2燃料電池と、
前記第2燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、
前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、
電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第2燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第1閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、前記制御部が電流指令値を制御する制御工程を備える電気化学セルシステムの運転方法。
A method for operating an electrochemical cell system having a plurality of fuel cells that generate electricity by reacting a fuel gas supplied to an anode with an oxidizing gas supplied to an cathode, comprising the steps of:
The electrochemical cell system comprises:
a first fuel cell; and a second fuel cell to which exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell is supplied.
a detection unit for detecting a state quantity of exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell;
a control unit that controls current command values for the first fuel cell and the second fuel cell based on the result detected by the detection unit,
An operating method for an electrochemical cell system, comprising a control step in which the control unit controls a current command value so that the fuel utilization rate of the electrochemical cell system is within a specified range, the carbon dioxide concentration in the exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell is equal to or greater than a first threshold value, and the amount of power generation required for the electrochemical cell system is satisfied.
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