JP4753058B1 - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】改質器20により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池1であって、改質器と、燃料供給手段38と、改質用空気供給手段44と、改質器に水を供給する水供給手段28と、実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、燃料電池モジュール2と、目標量の燃料、改質用空気、及び水が、改質器に送り込まれるように、各供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料供給量が、目標とする燃料供給量と一致するように燃料供給手段を制御すると共に、改質器に改質用空気が供給されている場合には、供給されていない場合よりも、目標燃料供給量に対する燃料供給量の追従性が高くなるように燃料供給手段を制御することを特徴としている。
【選択図】図1
Description
或いは、改質器内に燃料ガスを供給する燃料供給装置を、改質器内の圧力上昇に打ち勝って燃料ガスを送り込むことができるよう強力なものとすることにより、燃料供給量は改質器内の圧力の影響を受けにくくなるが、燃料供給装置を強力なものとすると、燃料供給装置が大型化すると共に、高価なものになるという問題がある。
図1は、本発明の一実施形態によるSOFCを示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態によるSOFC1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
図6に示すように、燃料電池装置1は、制御手段である制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料供給量検出センサである燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
改質器圧力センサである圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
先ず、本実施形態によるSOFCによる起動時の概要を説明する。SOFCは、起動時において、燃料ガスを着火する燃焼運転、部分酸化改質反応(POX)、オートサーマル改質反応(ATR)、水蒸気改質反応(SR)を経て、発電運転に移行する。
CmHn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
図7の時刻t0において、固体電解質型燃料電池1を起動すると、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気供給手段である発電用空気流量調整ユニット45により、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール2に供給する。なお、本実施形態においては、時刻t0において供給が開始される改質用空気の供給量は10L/min、発電用空気の供給量は100L/minである。
この図8に示すように、この本実施形態の変形例においては、オートサーマル改質反応(ATR)は、ART1とATR2と言う2つの領域を有さず、このATR領域において、発電用空気、燃料、水、改質用空気のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器20に供給されるようになっている。
また、水蒸気改質反応(SR)も、SR1とSR2と言う2つの領域を有さず、このSR領域において、発電用空気、燃料、水のぞれぞれの供給量が変化せず一定量が改質器20に供給されるようになっている。
図9に示すように、水供給装置(水流量調整ユニット28)は、水道水を一時的に貯蔵する水タンク152と、水を供給するポンプ154と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのRO膜(逆浸透膜)156と、生成された純水を一時的に貯蔵する純水タンク26と、この純水を燃料電池モジュール2の改質器20にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ160とを備えている。また、水及び純水が凍結するのを防止するための、熱交換器162やヒーター164も備えている。
次に、S1において、POX領域でないと判定されたときは、S5に進み、ATR領域か否かを判定する。上述したように、改質器20の温度が600℃以上、且つ、燃料電池セルユニット16の温度(=発電室温度)が250℃以上、600℃以下であれば、ATR領域であると判定し、S6に進む。S6において、改質器20の温度が600℃以上で、且つ、燃料電池セルユニット16の温度(=発電室温度)が250℃以上400℃以下であれば、ATR1領域であるので、S7に進む。
次に、S14に進み、S14においては、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、及び、水流量調整ユニット28を、それぞれ、設定した制御ゲインで制御して、燃料、改質用空気、及び、水を、改質器20に供給する。
先ず、従来、水の供給量が非常に少ないATRの領域においては、毎分数ミリリットルという極微量な水を正確に安定的に供給するために高価な特殊なポンプを使用しなければならないが、本実施形態においては、図10に示したように、従来の高価な特殊なポンプの代わりにパルスポンプ160を使用してパルス制御により間欠的に水を改質器20に供給するようにしているので、構造が簡単で安価なポンプの採用が可能となり、更に制御も簡易なパルス制御が可能となる。
先ず、水の供給については、水供給手段である水流量調整ユニット28のパルスポンプ160により、パルス状の水供給制御信号に基づき、間欠的に極少量の水が改質器20内へ供給される。この水が改質器内で水蒸気となるので、水が供給された直後に、改質器20内の圧力が上昇する。この改質器内の圧力上昇により、燃料が改質器20内に供給され難くなる。このため、図11において、燃料供給量(比較例:基準の制御ゲイン使用)として示すように、圧力上昇時に燃料の供給量が目標値よりも少なくなる状態を燃料供給量検出センサが検出し、その直後に、燃料が不足していると判断して燃料を追加供給する増量制御が行われる。しかし、実際には圧力が次の瞬間に低下するために燃料は供給されやすい状態になってしまうので、不足分の燃料増加が本来必要ないにもかかわらず供給されてしまい、結果的に、燃料ガスの過剰供給になってしまう。
このように、本実施形態によれば、パルスポンプ160による改質器への水の供給の後(所定期間の間)、燃料の供給量の変化を制御ゲインを低下させることにより抑制するようにしたので、上述した水の供給の直後に生じる燃料の過剰供給を防止することができ、その結果、構造が簡単で安価なポンプによる間欠制御であっても、ATRの領域において、安定した燃料供給、及び安定したオートサーマル改質反応が可能となる。
なお、本実施形態においては、燃料、水、空気の制御ゲインを独立して個々に変更しているが、燃料供給量に対する制御ゲインのみを水の流量や空気の圧力に基づいて変更するようにしても良い。このようにすることで制御の簡素化と安定化を図ることができる。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
52 制御ボックス
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(制御手段)
130 改質用空気流量センサ
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
134 水流量センサ
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ
144 燃焼室温度センサ
148 改質器温度センサ
152 水タンク
154 ポンプ
156 RO膜(逆浸透膜)
160 パルスポンプ
Claims (3)
- 改質器により改質した燃料と空気により発電を行う固体電解質型燃料電池であって、
燃料を改質する改質器と、
この改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記改質器に水を供給する水供給手段と、
上記燃料供給手段により上記改質器内に供給された実際の燃料供給量を検出する燃料供給量検出センサと、
上記改質器内で改質された燃料により発電する燃料電池モジュールと、
目標量の燃料、改質用空気、及び水が、上記改質器に送り込まれるように、上記燃料供給手段、上記改質用空気供給手段、及び上記水供給手段を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料供給量検出センサにより検出された実際の燃料供給量が、目標とする燃料供給量と一致するように上記燃料供給手段を制御すると共に、上記改質用空気供給手段により上記改質器に改質用空気が供給されている場合には、改質用空気供給量が大きいほど、上記燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように、上記燃料供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - さらに、上記改質器内の圧力を測定する改質器圧力センサを有し、上記制御手段は、上記改質器圧力センサによって測定された改質器内の平均的な内圧が高いほど、上記燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように上記燃料供給手段を制御する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
- 上記水供給手段は上記改質器に間欠的に水を供給するように構成され、上記制御手段は、改質用空気供給量が大きいほど、上記燃料供給手段の制御ゲインを増加させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が高くなるように上記燃料供給手段を制御する一方、上記水供給手段により上記改質器に水が供給されている場合には、上記燃料供給手段の制御ゲインを低下させることにより、目標とする燃料供給量に対する実際の燃料供給量の追従性が低くなるように上記燃料供給手段を制御する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
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