JP4896601B2 - Operation control method of solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池の運転制御方法に関し、より詳しくは、固体酸化物形燃料電池スタックまたは横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルを、全体として安全且つ安定して燃料利用率が適正ないし最大になるように制御する方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling the operation of a solid oxide fuel cell. More specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack or a horizontally striped solid oxide fuel cell bundle, which has a fuel utilization rate that is safe and stable as a whole. The present invention relates to a method of controlling to be appropriate or maximum.
固体酸化物形燃料電池(以下、適宜“SOFC”と言う)には平板型、円筒型、一体積層型、横縞型、その他各種型式があるが、これらは原理的には同じである。その単電池すなわちセルは、固体酸化物電解質を挟んでアノード及びカソードが配置され、アノード/固体酸化物電解質/カソードの三層構造で構成される。SOFCには、(a)電解質膜自体でその構造を保持する自立膜式や(b)膜厚の厚いアノードで電解質膜を支持する支持膜式のほか、(c)絶縁性多孔質支持基体の上に電池を配置した形式なども考えられている。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC” where appropriate) include a flat plate type, a cylindrical type, an integral laminated type, a horizontal stripe type, and other various types, but these are the same in principle. The unit cell or cell includes an anode and a cathode arranged with a solid oxide electrolyte in between, and is constituted by a three-layer structure of anode / solid oxide electrolyte / cathode. The SOFC includes (a) a self-supporting membrane type in which the structure is maintained by the electrolyte membrane itself, (b) a support membrane type in which the electrolyte membrane is supported by a thick anode, and (c) an insulating porous support substrate. A form in which a battery is arranged on top is also considered.
図1(a)〜(c)はそれらセルの態様例を説明する図(断面図)である。図1(a)は自立膜式のセル1で、電解質膜3の下面にアノード2が配置され、電解質膜3の上面にカソード4が配置されて構成される。図1(b)は支持膜式のセル1で、アノード2の上に電解質膜3が配置され、電解質膜3の上にカソード4が配置されて構成される。図1(c)は、多孔質支持基体5の上に順次、アノード2、電解質3及びカソード4を配置して構成したセル1である。
FIGS. 1A to 1C are views (cross-sectional views) for explaining an example of the cells. FIG. 1A shows a self-supporting
アノードの構成材料としてはNiを主成分とする材料、Niとイットリア安定化ジルコニアの混合物からなる材料などが用いられ、固体酸化物電解質としてはイットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、イットリアドープセリア、ガドリアドープセリアなどが用いられ、カソードの構成材料としてはSrドープのLaMnO3などが用いられ、多孔質支持基体の構成材料としてはNiと希土類元素酸化物が固溶したZrO2などが用いられる。多孔質支持基体は、その作製時に構成材料にグラファイト粉末などを混入して焼結することで多孔質とされる。 As the constituent material of the anode, a material mainly composed of Ni, a material composed of a mixture of Ni and yttria stabilized zirconia, and the like are used. As the solid oxide electrolyte, yttria stabilized zirconia, scandia stabilized zirconia, yttria doped ceria, Gadria-doped ceria or the like is used, Sr-doped LaMnO 3 or the like is used as the constituent material of the cathode, and ZrO 2 or the like in which Ni and a rare earth element oxide are dissolved as the constituent material of the porous support base. . The porous support substrate is made porous by mixing and sintering graphite powder or the like in the constituent material at the time of production.
ところで、セル一つでは高々0.8V程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためにセルとセルをインターコネクタを介して交互に積層配置してスタック化される。図2は、その態様例を模式的に示す図で、セルの2個をインターコネクタ6、7を介して配置し、燃料と空気が直交流する態様を示している。すなわち、隣接するセルを電気的に直列に接続するのと同時に、カソードとアノードのそれぞれに空気と燃料とを分配し供給し排出する目的でインターコネクタとセルとが交互に積層される。なお、図2中A−A線断面が図1(a)〜(c)の断面図に相当している。
By the way, since only one cell can obtain a voltage of about 0.8 V at most, in order to obtain practical power, cells and cells are alternately stacked and stacked via an interconnector. FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the mode, in which two cells are arranged via the
図3(a)〜(b)はその積層の態様例を説明する図である。図3(a)は、各セル1とインターコネクタ6、7の燃料流路、空気流路との位置関係を示す図で、燃料流路と空気流路が並行流する態様を示している。図3(b)は、図3(a)のように積層、構成したSOFCスタックを示した斜視図で、インターコネクタ等の記載は省略している。図3(b)ではセル数が17個の場合を示しているが、その数は適宜設定される。SOFCの運転時には、セルのアノード側に燃料を流し、カソード側に酸化剤ガスを流して、両電極間に外部負荷を接続することで電力が得られる。本明細書中、酸化剤ガスについては、適宜空気を例に説明するが、酸素富化空気、酸素などを用いる場合も同様である。
FIGS. 3A to 3B are diagrams for explaining an example of the lamination. FIG. 3A is a diagram showing the positional relationship between each
図3(c)は、図3(a)〜(b)に示すスタックを構成するセル一個を取り出し、空気中の酸素、電子の流れなどを示した図で、図3(a)〜(b)より拡大して示している。図3(c)のとおり、カソード側を流れる空気中の酸素はカソード4で酸化物イオン(O2-)となり、電解質3を通ってアノード2に至る。ここで、アノード側を流れる燃料と反応して電子を放出し、電気と水や二酸化炭素等の反応生成物を生成する。カソードでの利用済み空気はカソードオフガスとして排出され、アノードでの利用済み燃料は、未利用の燃料と水蒸気や二酸化炭素等の反応生成物を含むアノードオフガスとして排出される。
FIG. 3C is a diagram showing one cell constituting the stack shown in FIGS. 3A to 3B and showing oxygen, electron flow, etc. in the air. ) More enlarged. As shown in FIG. 3C, oxygen in the air flowing on the cathode side becomes oxide ions (O 2− ) at the
ところで、SOFCにおいては、水素と一酸化炭素が燃料となるが、炭化水素のうちメタンは、アノードの構成成分である金属、例えばニッケルの触媒作用により水蒸気改質されて水素と一酸化炭素になる。このため、SOFCでは、水素、一酸化炭素、メタン、あるいはそれらの2種以上からなる燃料であればそのままアノードへ導入すればよい。しかし、燃料にメタン以外の炭素数2以上の炭化水素が含まれていると、SOFCへの配管、特にアノードへの燃料導入管やアノードに炭素を生成、析出し、これが電気化学反応を阻害して電池性能を劣化させてしまう。 By the way, in SOFC, hydrogen and carbon monoxide are fuels, but methane among hydrocarbons is steam-reformed by the catalytic action of a metal that is a component of the anode, such as nickel, to become hydrogen and carbon monoxide. . For this reason, in SOFC, hydrogen, carbon monoxide, methane, or a fuel composed of two or more thereof may be introduced directly into the anode. However, if the fuel contains hydrocarbons with 2 or more carbon atoms other than methane, carbon will be generated and deposited in the SOFC piping, especially the fuel inlet tube and anode to the anode, which will inhibit the electrochemical reaction. Battery performance will deteriorate.
このため、炭素数C2以上の炭化水素を含む原燃料の場合は、水蒸気改質法や部分酸化法で予備改質して水素、一酸化炭素及びメタンを含む予備改質ガスに変えられる。予備改質に代えて、メタンも改質して水素、一酸化炭素に変えて改質ガスとしてもよい。水蒸気改質法で原燃料を改質する場合、メタン換算スチーム(モル)比(S/C比)は2以上(完全水蒸気改質に必要な水蒸気量の2倍以上)、好ましくは3以上とされる。 Therefore, if the raw fuel comprising a hydrocarbon number C 2 or more carbon atoms, pre reformed hydrogen is changed to the pre-reforming gas containing carbon monoxide and methane steam reforming process or a partial oxidation process. Instead of the preliminary reforming, methane may be reformed and changed to hydrogen or carbon monoxide to be a reformed gas. When the raw fuel is reformed by the steam reforming method, the methane conversion steam (mole) ratio (S / C ratio) is 2 or more (more than twice the amount of steam required for complete steam reforming), preferably 3 or more. Is done.
ここで、本明細書において、そのように、予備改質または改質する前の燃料を“原燃料”と言い、その原燃料を水蒸気改質法や部分酸化法で予備改質または改質してSOFCのアノードへ導入する予備改質済みの燃料(水素、一酸化炭素、メタン、あるいはそれらの2種以上を含む燃料)及び改質済みの燃料(水素、一酸化炭素のうちの一方または両者を含む燃料)を単に“燃料”と言う。 Here, in this specification, the fuel before the pre-reformation or reforming is called “raw fuel”, and the raw fuel is pre-reformed or reformed by the steam reforming method or the partial oxidation method. Pre-reformed fuel (hydrogen, carbon monoxide, methane, or a fuel containing two or more thereof) and reformed fuel (hydrogen, carbon monoxide, or both) to be introduced into the SOFC anode Is simply called “fuel”.
ところで、SOFCにおいては、適量の燃料をアノードへ供給するために原燃料の流量を制御する必要があるが、その制御は一般的には次のように行うことができる。SOFCの効率を決める一つの要因として燃料利用率がある。燃料利用率は、アノードへ導入する燃料量に対する実際に発電に寄与する燃料量の比率であり、アノードへ導入する燃料のうちどれだけ発電に利用されるかを示す比率である。従って、燃料利用率が高いほど発電効率が高くなるので、一般的には、できる限り燃料利用率を高めるような工夫をし、できる限り高い燃料利用率で運転する。 By the way, in the SOFC, it is necessary to control the flow rate of the raw fuel in order to supply an appropriate amount of fuel to the anode, but the control can be generally performed as follows. One factor that determines SOFC efficiency is fuel utilization. The fuel utilization rate is a ratio of the amount of fuel actually contributing to power generation to the amount of fuel introduced into the anode, and is a ratio indicating how much of the fuel introduced into the anode is used for power generation. Therefore, the higher the fuel utilization rate, the higher the power generation efficiency. In general, the device is designed to increase the fuel utilization rate as much as possible, and is operated at the highest fuel utilization rate.
しかし、燃料利用率には理論上、そして実用上も上限がある。図4はその事実を説明する図で、電流密度を例えば0.2A/cm2と一定にして、燃料利用率を高めた場合のSOFCセル中における燃料出口付近のセル電圧の変化を示している。図4のとおり、SOFCセルでの燃料利用率が高くなるにつれて電圧が漸次低下し、燃料利用率が90%程度を超えると急激にセル電圧が落ち込む。 However, there is a theoretical and practical upper limit on the fuel utilization rate. FIG. 4 is a diagram for explaining the fact, and shows the change in the cell voltage near the fuel outlet in the SOFC cell when the current density is fixed at, for example, 0.2 A / cm 2 and the fuel utilization rate is increased. . As shown in FIG. 4, the voltage gradually decreases as the fuel utilization rate in the SOFC cell increases, and when the fuel utilization rate exceeds about 90%, the cell voltage rapidly drops.
そのようにセル電圧が落ちてくる現象は、アノード側での酸素分圧の増加を意味しており、酸素分圧がある一定値以上に増加すると、アノード中の触媒金属、例えばNiが酸化してNiOに変化し、Niの酸化に伴って起こる格子膨張によりアノードが破損し、安全性を損なってしまう。これが“燃料枯れ”と呼ばれるもので、発電を損なうばかりか、セルの劣化も引き起こす。 The phenomenon in which the cell voltage decreases in this way means an increase in the oxygen partial pressure on the anode side. When the oxygen partial pressure increases to a certain value or more, the catalytic metal, for example, Ni in the anode is oxidized. Then, it changes to NiO, and the anode is damaged by the lattice expansion caused by the oxidation of Ni, and the safety is impaired. This is called “fuel depletion”, which not only impairs power generation but also causes cell deterioration.
SOFCセルのアノードに供給された燃料は出口に向けて順次消費されていくため、燃料枯れは、単セルでも、複数のセルを配置したSOFCスタックでも、複数のセルを配置したSOFCスタックの複数個を配置してなるSOFCスタックでも、通常、アノードの燃料の出口側で起こり得る。加えて、実際のSOFCセル、SOFCスタックには、若干の燃料リークや、電極内部のガス拡散が律速(支配的)となり、これらに起因して燃料利用率は実質的には85%程度が限度となる。これらの点は、後述横縞型SOFCバンドルにおけるセルスタックの場合も同様であり、また以下に述べる点は、後述横縞型SOFCバンドルについても同様である。 Since the fuel supplied to the anode of the SOFC cell is consumed sequentially toward the outlet, fuel depletion may occur in a single cell, a SOFC stack in which a plurality of cells are arranged, or a plurality of SOFC stacks in which a plurality of cells are arranged. In the SOFC stack formed by arranging the above, it can usually occur at the fuel outlet side of the anode. In addition, in actual SOFC cells and SOFC stacks, slight fuel leaks and gas diffusion inside the electrodes are rate-limiting (dominant), and as a result, the fuel utilization rate is practically limited to about 85%. It becomes. These points are the same in the case of a cell stack in a horizontal stripe type SOFC bundle described later, and the following points are the same in a horizontal stripe type SOFC bundle described later.
そこで、図5に示すように、アノードが酸化されないようなセル電位、例えば0.6V程度の下限電位、すなわち限界電圧をセットする。そして、セル電圧が限界電圧を下回らないようにしながら(すなわち、セル電圧が限界電圧を下回らないようにリミッタをかけながら)、燃料利用率を所定値、つまり限界電圧に対応する燃料利用率、例えば80%に安全性の幅をもたせた範囲、すなわち限界燃料利用率に安全性のマージンを加味した範囲に制御する方式がとられる。 Therefore, as shown in FIG. 5, a cell potential at which the anode is not oxidized, for example, a lower limit potential of about 0.6 V, that is, a limit voltage is set. Then, while keeping the cell voltage below the limit voltage (that is, while applying a limiter so that the cell voltage does not fall below the limit voltage), the fuel utilization rate is set to a predetermined value, that is, the fuel utilization rate corresponding to the limit voltage, for example, A control method is adopted in which the safety range is set to 80%, that is, a range in which a margin of safety is added to the limit fuel utilization rate.
上記のような燃料利用率の所定値への制御態様としては、セル電圧が限界電圧を下回らないように原燃料の供給量を制御することが考えられる。例えば、図5のように所定の燃料利用率を80%として、電流値をモニタし(すなわち電流値を計測して監視し)、その計測電流値から算出した所定量の原燃料を供給し、これに合わせて、予備改質用ないし改質用の水蒸気量、発電用の空気量も制御して、燃料利用率が常に80%程度になるように制御する。 As a mode of controlling the fuel utilization rate to a predetermined value as described above, it is conceivable to control the supply amount of the raw fuel so that the cell voltage does not fall below the limit voltage. For example, as shown in FIG. 5, the predetermined fuel utilization rate is set to 80%, the current value is monitored (that is, the current value is measured and monitored), and a predetermined amount of raw fuel calculated from the measured current value is supplied. In accordance with this, the amount of steam for preliminary reforming or reforming and the amount of air for power generation are also controlled so that the fuel utilization rate is always about 80%.
図6〜7はその運転制御の態様例を説明する図である。図6は例えば図3に示すような一個のSOFCスタックの場合で、例えば燃料利用率を80%(限界電圧、すなわち図5の例で言えば、セル電圧0.6Vに対応する燃料利用率)に設定する。そして発電時に、SOFCスタックからの電流値を経時的にモニタし、燃料利用率が常に80%、あるいはそれ以下になるように、その計測電流値から算出した所定の原燃料量を供給するよう制御し、これに合わせて予備改質用または改質用水蒸気量、カソードへの空気量も制御する。これらの制御は、記憶装置、入出力装置を伴う中央処理装置(CPU)により行う。 6-7 is a figure explaining the example of the aspect of the operation control. FIG. 6 shows, for example, the case of a single SOFC stack as shown in FIG. 3, for example, with a fuel utilization of 80% (limit voltage, that is, the fuel utilization corresponding to the cell voltage of 0.6 V in the example of FIG. 5). Set to. During power generation, the current value from the SOFC stack is monitored over time, and control is performed to supply a predetermined raw fuel amount calculated from the measured current value so that the fuel utilization rate is always 80% or less. In accordance with this, the amount of pre-reforming or reforming steam and the amount of air to the cathode are also controlled. These controls are performed by a central processing unit (CPU) with a storage device and an input / output device.
図7は、複数のSOFCスタックを配置したSOFCスタックの場合で、図6では示す原燃料の改質器等の記載は省略している。各SOFCスタックに供給する燃料は、負荷に応じてマスフローコントローラ(MFC)などで所定量に制御されて各スタックの各セルのアノードに供給され、これに対応した空気量が各スタックの各セルのカソードに供給される。そしてこの場合、各SOFCスタックの規模が同じであれば、共通の燃料導管から分岐して各SOFCスタックに供給する燃料量は同じである。 FIG. 7 shows an SOFC stack in which a plurality of SOFC stacks are arranged. In FIG. 6, description of the raw fuel reformer and the like shown in FIG. 6 is omitted. The fuel supplied to each SOFC stack is controlled to a predetermined amount by a mass flow controller (MFC) or the like according to the load and supplied to the anode of each cell of each stack, and the air amount corresponding to this is supplied to each cell of each stack. Supplied to the cathode. In this case, if the scales of the SOFC stacks are the same, the amount of fuel branched from the common fuel conduit and supplied to the SOFC stacks is the same.
そのような制御に際し、例えば都市ガスを原燃料とする場合、その組成(=原燃料の成分、各成分の量比)は、ある程度の自由度はあるが、予め分かっており、それに対応して予備改質ガスあるいは改質ガス、すなわち燃料の組成(=燃料の成分である水素、一酸化炭素、予備改質ガスの場合にはそれらのほかメタン、それらの量比)が分かるので、原燃料の増減量は一義的ないしほぼ一義的に制御することができる。 In such control, for example, when city gas is used as raw fuel, its composition (= component of raw fuel, amount ratio of each component) has some degree of freedom, but is known in advance, and correspondingly Since the pre-reformed gas or reformed gas, that is, the composition of the fuel (= hydrogen, carbon monoxide, methane in the case of the pre-reformed gas, methane, and their ratio) is known, the raw fuel The amount of increase / decrease can be controlled uniquely or almost uniquely.
これをアノードに供給する燃料の側から言えば、予備改質ガス、あるいは改質ガスである燃料中の組成は原燃料の増減量を制御することにより一義的ないしほぼ一義的に制御される。しかし、燃料利用率の算出は、供給している総燃料量に対する、セルごとの電流値、その比率のみから一律に求められるものであり(すなわち推定燃料利用率)、燃料の若干の組成変動や燃料供給系のタイムラグ等により、必ずしも実際の燃料利用率と推定燃料利用率は一致しない。 Speaking from the side of the fuel supplied to the anode, the composition of the pre-reformed gas or the reformed gas in the fuel is uniquely or almost uniquely controlled by controlling the increase / decrease amount of the raw fuel. However, the calculation of the fuel utilization rate is obtained uniformly from only the current value for each cell and the ratio to the total amount of fuel supplied (that is, the estimated fuel utilization rate). Due to the time lag of the fuel supply system, the actual fuel utilization rate does not necessarily match the estimated fuel utilization rate.
加えて、一例として、複数の平板型SOFCセルを積層したスタックにおいては、例えば中心部のセル(上下に積層したセルのうち、上方部や下方部のセルではなく中央部のセル)の温度がより高温となり、そこでの反応がより進むことなどから、セルごとに供給される燃料にも分布が生じることがある。このため、スタック全体の平均的な燃料利用率と中心部の局所的なセルでの燃料利用率が一致しないことが生じる。 In addition, as an example, in a stack in which a plurality of flat-plate SOFC cells are stacked, for example, the temperature of the center cell (outside of the stacked cells, the center cell, not the upper or lower cell) The fuel supplied to each cell may also be distributed due to the higher temperature and further reaction. For this reason, the average fuel usage rate of the entire stack and the fuel usage rate in the local cell in the central part do not coincide with each other.
本発明者らは、複数のセルを備えたSOFCスタック、SOFCスタックの複数個を配したSOFCスタックなどにおける局所的なセルにおける酸素分圧を測定して燃料利用率を検知し、それを基にSOFCスタックの局所的なセルでの燃料枯れを防止し、それらの効率を最大限高め且つ安定して運転する方法及びそのためのシステムを先に開発している〔特願2004−330779号出願(出願日=平成16年11月15日)、特願2005−059759号出願(出願日=平成17年3月3日、以下“759号出願”と言う)〕。 The present inventors have measured the oxygen partial pressure in a local cell in a SOFC stack having a plurality of cells, a SOFC stack having a plurality of SOFC stacks, etc., and detected the fuel utilization rate. A method for preventing fuel depletion in the local cells of the SOFC stack, maximizing their efficiency and operating stably and a system therefor have been developed [Application for Japanese Patent Application No. 2004-333079 (Application) Date = November 15, 2004), Japanese Patent Application No. 2005-059759 (application date = March 3, 2005, hereinafter referred to as “759 application”)].
これら両出願のうち、759号出願に係る発明が本発明に対する直接的な先行技術に相当している。759号出願に係る発明には幾つかの態様があるが、基本的には、SOFCスタックのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルについて、(a)アノードへの燃料供給部とアノードの燃料出口部に酸素センサを配置して酸素分圧を測定するとともに、(b)局所セルの発電電流量及び(c)改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルの燃料利用率を推定し、局所セルで燃料枯れが起こらないようにSOFCスタック全体への燃料供給量を制御するものである。 Of these two applications, the invention according to the 759 application corresponds to the direct prior art to the present invention. There are several aspects of the invention according to the 759 application. Basically, for the local cell in the SOFC stack where fuel is most likely to be exhausted, (a) the fuel supply to the anode and the fuel outlet of the anode The oxygen sensor is arranged in the part to measure the partial pressure of oxygen, and (b) the amount of generated current in the local cell and (c) the amount of water vapor introduced for reforming are measured, whereby the fuel utilization rate of the local cell is determined. It estimates and controls the fuel supply amount to the entire SOFC stack so that fuel depletion does not occur in the local cell.
これによれば、SOFCスタックを運転するに際して、局所セルでの燃料枯れを防止し、SOFCスタックを安全且つ安定して燃料利用率が適正ないし最大になるように制御することができる。これにより、SOFCスタックを構成する局所的なセルのアノード中の触媒金属、例えばNiの酸化に伴って起こるアノードの破損を防止し、SOFCを安全且つ安定して運転することができる。 According to this, when operating the SOFC stack, it is possible to prevent fuel depletion in the local cell and to control the SOFC stack safely and stably so that the fuel utilization rate is appropriate or maximized. As a result, damage to the anode caused by oxidation of the catalytic metal, for example, Ni, in the anode of the local cell constituting the SOFC stack can be prevented, and the SOFC can be operated safely and stably.
このように、759号出願に係る発明は実用上も非常に有用であるが、その制御には酸素センサを配置する必要があり、一般的な酸素センサとしてはジルコニア式酸素センサが使用される。ジルコニア式酸素センサには幾つかの種類があり、大別すると、酸素濃度が高い場合には限界電流式酸素センサ(すなわち一室式)が使用され、酸素濃度が低い場合には完全濃淡電池式酸素センサ(すなわち二室式)が使用されるが、SOFCに使用する燃料のような酸素分圧の低いガスの酸素濃度測定には電池式酸素センサ(二室式)を使用する必要がある。 Thus, although the invention according to the 759 application is very useful in practice, it is necessary to arrange an oxygen sensor for the control, and a zirconia oxygen sensor is used as a general oxygen sensor. There are several types of zirconia type oxygen sensors. Broadly speaking, when the oxygen concentration is high, a limiting current type oxygen sensor (that is, a single-chamber type) is used, and when the oxygen concentration is low, a full density cell type is used. Although an oxygen sensor (that is, a two-chamber type) is used, it is necessary to use a battery-type oxygen sensor (two-chamber type) for measuring the oxygen concentration of a gas having a low oxygen partial pressure, such as fuel used for SOFC.
しかし、電池式酸素センサ(二室式)の場合には構造が複雑であり(後述図12参照)、また、別途レファレンスとなる酸素(空気)を供給する必要がある。 However, in the case of a battery-type oxygen sensor (two-chamber type), the structure is complicated (see FIG. 12 to be described later), and oxygen (air) serving as a reference needs to be supplied separately.
本発明においては、759号出願に係る発明を前提にさらに工夫をし、複数のセルを配置したSOFCスタックの局所セル、複数のセルを配置したSOFCスタックの複数個を配置してなるSOFCスタックの局所セル、横縞型SOFCバンドルの局所セルスタックを酸素センサとして利用し、SOFCスタックまたは横縞型SOFCバンドルを、全体として安全且つ安定して燃料利用率が適正ないし最大になるように制御する方法を提供することを目的とするものである。 In the present invention, further improvements are made on the premise of the invention according to the 759 application, and a SOFC stack formed by arranging a plurality of SOFC stacks arranged with a plurality of cells and a SOFC stack arranged with a plurality of cells. Using local cell stack of local cell and horizontal stripe type SOFC bundle as oxygen sensor, providing a method to control SOFC stack or horizontal stripe type SOFC bundle so that the fuel utilization rate is appropriate or maximum as a whole safely and stably. It is intended to do.
本発明(1)は、複数のセルを備えた固体酸化物形燃料電池スタックの運転制御方法である。そして、
(a)前記スタックを構成する各セルのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルを利用して、その燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池スタック全体への燃料供給量を制御することを特徴とする。
The present invention (1) is an operation control method for a solid oxide fuel cell stack having a plurality of cells. And
(A) Utilizing a local cell that is most likely to cause fuel depletion among the cells constituting the stack, and measuring the oxygen partial pressure based on the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side,
(B) Estimating the fuel utilization of the local cell by measuring the amount of current generated by the local cell and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) The fuel supply amount to the whole solid oxide fuel cell stack is controlled so that fuel exhaustion does not occur in the local cell.
本発明(1)において、前記(a)における酸素分圧を測定する態様として、前記局所セルについて、燃料供給側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサAを構成し、且つ、燃料出口側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサBを構成することにより行うことができる。
本発明(1)は、平板型、円筒型、一体積層型、その他各種形式の固体酸化物形燃料電池スタックに対して適用できる。
In the present invention (1), as an aspect of measuring the oxygen partial pressure in (a) above, a sensor lead wire for measuring electromotive force is arranged on the fuel supply side anode and the electrolyte surface, and the temperature is measured for the local cell. A thermocouple for measurement is arranged to constitute oxygen sensor A, and a sensor lead wire for measuring electromotive force is arranged on the anode and electrolyte surface on the fuel outlet side, and a thermocouple for measuring temperature is arranged to provide oxygen. This can be done by configuring the sensor B.
The present invention (1) is applicable to a solid oxide fuel cell stack of a flat plate type, a cylindrical type, an integrally laminated type, and other various types.
本発明(2)は、複数の平板型セルを備えた固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を配置してなる固体酸化物形燃料電池スタックの運転制御方法である。そして、
(a)前記複数個のスタックにおける各セルのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルを利用して、その燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池スタック全体への燃料供給量を制御することを特徴とする。
The present invention (2) is an operation control method for a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cell stacks each having a plurality of flat cells are arranged. And
(A) Utilizing a local cell that is most likely to be depleted of fuel in each of the plurality of stacks, and measuring an oxygen partial pressure based on the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side ,
(B) Estimating the fuel utilization of the local cell by measuring the amount of current generated by the local cell and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) The fuel supply amount to the whole solid oxide fuel cell stack is controlled so that fuel exhaustion does not occur in the local cell.
本発明(2)において、前記(a)における酸素分圧を測定する態様として、前記局所セルについて、燃料供給側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサAを構成し、且つ、燃料出口側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサBを構成することにより行うことができる。 In the present invention (2), as a mode of measuring the oxygen partial pressure in (a), a sensor lead wire for measuring electromotive force is disposed on the fuel supply side anode and the electrolyte surface for the local cell, and the temperature A thermocouple for measurement is arranged to constitute oxygen sensor A, and a sensor lead wire for measuring electromotive force is arranged on the anode and electrolyte surface on the fuel outlet side, and a thermocouple for measuring temperature is arranged to provide oxygen. This can be done by configuring the sensor B.
本発明(3)は、複数個の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックで構成した固体酸化物形燃料電池バンドルの運転制御方法である。そして、
(a)前記複数個のセルスタックのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルスタックを利用して、燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルスタックの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルスタックの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルスタックで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池バンドル全体への燃料供給量を制御することを特徴とする。
The present invention (3) is an operation control method for a solid oxide fuel cell bundle composed of a plurality of horizontally-striped solid oxide fuel cell stacks. And
(A) using the local cell stack that is most likely to cause fuel depletion among the plurality of cell stacks, and measuring the oxygen partial pressure based on the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side;
(B) Estimating the fuel utilization rate of the local cell stack by measuring the amount of current generated by the local cell stack and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) The fuel supply amount to the whole solid oxide fuel cell bundle is controlled so that fuel depletion does not occur in the local cell stack.
本発明(4)は、複数個の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックで構成した固体酸化物形燃料電池バンドルの複数個を配置してなる固体酸化物形燃料電池バンドルの運転制御方法である。そして、
(a)前記複数個のバンドルにおける各セルスタックのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルスタックを利用して、燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルスタックの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルスタックの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルスタックで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池バンドル全体への燃料供給量を制御することを特徴とする。
The present invention (4) is a method for controlling the operation of a solid oxide fuel cell bundle comprising a plurality of solid oxide fuel cell bundles composed of a plurality of horizontal stripe solid oxide fuel cell stacks. is there. And
(A) The oxygen partial pressure is measured on the basis of the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side using the local cell stack that is most likely to cause fuel depletion among the cell stacks in the plurality of bundles. With
(B) Estimating the fuel utilization rate of the local cell stack by measuring the amount of current generated by the local cell stack and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) The fuel supply amount to the whole solid oxide fuel cell bundle is controlled so that fuel depletion does not occur in the local cell stack.
本発明(3)〜(4)において、前記(a)における酸素分圧を測定する態様として、前記(a)の酸素分圧の測定を、前記局所セルスタックについて、燃料供給側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサAを構成し、且つ、燃料出口側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサBを構成することにより行うことができる。 In the present invention (3) to (4), as an aspect for measuring the oxygen partial pressure in (a), the measurement of the oxygen partial pressure in (a) is performed on the fuel cell side anode and electrolyte for the local cell stack. A sensor lead wire for measuring electromotive force is arranged on the surface, a thermocouple for measuring temperature is arranged to constitute an oxygen sensor A, and a sensor for measuring electromotive force is formed on the anode and the electrolyte surface on the fuel outlet side. The oxygen sensor B can be configured by arranging a lead wire and a thermocouple for temperature measurement.
本発明によれば、SOFCスタック、横縞型SOFCバンドルを運転するに際して、それぞれ局所的なセル、局所的なセルスタックでの燃料枯れを防止し、SOFCスタック、横縞型SOFCバンドルを安全且つ安定して燃料利用率が適正ないし最大になるように制御することができる。これにより、SOFCスタックの局所的なセル、あるいは横縞型SOFCバンドルの局所的なセルスタックのアノード中の触媒金属、例えばNiの酸化に伴って起こるアノードの破損を防止し、SOFCスタック、あるいは横縞型SOFCバンドルを安全且つ安定して運転することができる。 According to the present invention, when operating the SOFC stack and the horizontal stripe type SOFC bundle, fuel depletion is prevented in the local cell and the local cell stack, respectively, and the SOFC stack and the horizontal stripe type SOFC bundle can be safely and stably operated. The fuel utilization rate can be controlled to be appropriate or maximum. This prevents damage to the anode caused by oxidation of the catalytic metal in the local cell stack of the SOFC stack or the local cell stack of the horizontal stripe SOFC bundle, for example, Ni, and the SOFC stack or horizontal stripe type. The SOFC bundle can be operated safely and stably.
本発明を759号出願に係る発明との関係で言えば、759号出願に係る発明の制御には酸素センサを別途配置する必要があるのに対して、本発明においては、SOFCスタックを構成している局所セル、あるいは横縞型SOFCバンドルを構成している局所セルスタックそのものに酸素センサとしての機能をもたせるので、別途構造が複雑な酸素センサを用意する必要がない。また、別途酸素センサを配置する場合、配線の取り回しや、レファレンス酸素(空気)の供給など、酸素センサを使用する場合に必要であったオプショナルな部分が一切不要となる。 Speaking of the present invention in relation to the invention related to the 759 application, the control of the invention related to the 759 application requires a separate oxygen sensor, whereas in the present invention, the SOFC stack is configured. The local cell or the local cell stack itself constituting the horizontal stripe SOFC bundle has a function as an oxygen sensor, so that it is not necessary to separately prepare an oxygen sensor having a complicated structure. Further, when an oxygen sensor is separately provided, optional parts necessary for using the oxygen sensor, such as wiring and supply of reference oxygen (air), become unnecessary.
本発明において対象とするSOFCスタック、あるいは横縞型SOFCバンドルにおいては、炭化水素系の原燃料を予備改質または改質した燃料をSOFCのアノードに供給する。これら予備改質または改質には水蒸気改質法を適用してもよく、部分酸化法を適用してもよいが、好ましくは水蒸気改質法を適用する。SOFCでは水素、一酸化炭素のほか、メタンも燃料となるので、本発明では、それらの改質法により、C2以上の炭化水素を改質した予備改質レベルの改質ガスを燃料としてもよく、メタンをも改質した改質レベルの改質ガスを燃料としてもよい。 In the SOFC stack or the horizontal stripe type SOFC bundle targeted in the present invention, a fuel obtained by pre-reforming or reforming a hydrocarbon-based raw fuel is supplied to the anode of the SOFC. For these preliminary reforming or reforming, a steam reforming method or a partial oxidation method may be applied, but a steam reforming method is preferably applied. In SOFC, methane is also used as fuel in addition to hydrogen and carbon monoxide. Therefore, in the present invention, a reformed gas having a pre-reformed level obtained by reforming hydrocarbons of C 2 or higher is used as a fuel. It is also possible to use a reformed gas at a reforming level obtained by reforming methane as fuel.
図8は、そのような燃料を用いる場合における、図3(a)〜(b)に示すように複数個のセルを積層したSOFCスタック全体における平均燃料利用率を横軸にし、縦軸には、平均のセル電圧と局所的に燃料枯れが起こったセルの電圧をプロットした図である。一例として、電流密度を0.2A/cm2と一定にして、燃料利用率を高めた場合のSOFCセル中における燃料出口付近のセル電圧の変化を示している。 FIG. 8 shows the average fuel utilization rate in the entire SOFC stack in which a plurality of cells are stacked as shown in FIGS. FIG. 5 is a graph plotting average cell voltage and voltage of a cell in which fuel depletion occurs locally. As an example, the change in cell voltage near the fuel outlet in the SOFC cell when the current density is fixed at 0.2 A / cm 2 and the fuel utilization rate is increased is shown.
図8のとおり、SOFCスタック全体としての平均のセル電圧は、燃料利用率が高くなるにつれて漸次低下する。例えば燃料利用率が80%の場合には、平均セル電圧は0.65Vを超えている。これに対して、局所セル(すなわち積層SOFCスタックの中心部のセル)のセル電圧は、燃料利用率が高くなるにつれて急激に低下している。例えば燃料利用率が80%の場合には、局所セルの電圧は0.5Vにまで落ち込み、燃料枯れが発生している。 As shown in FIG. 8, the average cell voltage of the SOFC stack as a whole gradually decreases as the fuel utilization rate increases. For example, when the fuel utilization rate is 80%, the average cell voltage exceeds 0.65V. On the other hand, the cell voltage of the local cell (that is, the cell at the center of the stacked SOFC stack) rapidly decreases as the fuel utilization rate increases. For example, when the fuel utilization rate is 80%, the voltage of the local cell has dropped to 0.5 V, and fuel depletion has occurred.
この燃料枯れは燃料の分配が不均一であることから発生したものである。例えば、積層SOFCスタックの中心部のセルでは、より高温となることから、気体の粘性の増大と密度の減少で、その領域を流れる燃料のモル流量が相対的に低下してしまう。そうすると、燃料利用率としては高くなるが、これは当該中心部のセルつまり局所セルにおいて、特にその燃料出口側で十分な燃料が行き渡らないことを意味し、これが“燃料枯れ”をもたらし、局所セルの電圧が落ち込む。 This fuel depletion is caused by uneven fuel distribution. For example, in the central cell of the stacked SOFC stack, the temperature becomes higher, so that the molar flow rate of the fuel flowing through the region relatively decreases due to the increase in gas viscosity and the decrease in density. In this case, the fuel utilization rate becomes high, but this means that sufficient fuel does not reach the center cell, that is, the local cell, particularly on the fuel outlet side. The voltage drops.
図9はその状況、事実を説明する図で、図9(a)は前述図3(c)に相当している。図9(a)のように、空気中の酸素はカソード4側から電解質3を通してアノード2側に酸素イオン(O2-)の形で供給され、アノード側で燃料中の水素と反応して水蒸気を生成する。そして、燃料上流側から下流側に向けて順次、燃料中の水素が消費されて水蒸気の濃度が増加していくが、上記のとおり、より高温の局所セルではそれらガスの粘性の増大と密度の減少により燃料のモル流量が相対的に低下し、しかも燃料流下流に行くに従って、水素の濃度が減少し、相対的に酸素濃度が増加して局所セルの起電力が低下していく。特に、全電流量が供給燃料量を超えるような場合には、局所セルの電圧が著しく低下して電流が取れない、いわゆる“燃料枯れ”が起こることになる。
FIG. 9 is a diagram for explaining the situation and fact, and FIG. 9 (a) corresponds to FIG. 3 (c). As shown in FIG. 9A, oxygen in the air is supplied from the
このように、SOFCスタック全体の平均的な燃料利用率は所定値であっても、局所的なセルでは燃料利用率が高くなって燃料枯れが起こり、当該局所セルにダメージを与える危険がある。そしてこのことは、複数のSOFCスタックを配置してなるSOFCスタックにおける局所セルでも生じ得る。 As described above, even if the average fuel utilization rate of the entire SOFC stack is a predetermined value, the fuel utilization rate is high in the local cell, fuel is exhausted, and there is a risk of damaging the local cell. This can also occur in a local cell in a SOFC stack formed by arranging a plurality of SOFC stacks.
図9(b)は説明のために、図9(a)に示す部分を電池回路図として書き表した図である。図9(b)中、E1〜E6はセルの各箇所における起電力、I1〜I6はそれに対応する電流値である。図9(b)のとおり、電流は酸素イオン(O2-)の流れとは逆向きに流れる。そして、実は、燃料流下流側に行くに従って、起電力Eが低下していくので、電流値も均等ではなく、I1>I2>I3>I4>I5>I6となる。なお、図9(b)中の下部には、燃料が水素の場合を例に示しているが、燃料が一酸化炭素、あるいは両者の混合ガスの場合も同様である。 FIG. 9B is a diagram in which the portion shown in FIG. 9A is written as a battery circuit diagram for explanation. In FIG. 9B, E 1 to E 6 are electromotive forces at the respective locations of the cell, and I 1 to I 6 are current values corresponding thereto. As shown in FIG. 9B, the current flows in the opposite direction to the flow of oxygen ions (O 2− ). Actually, since the electromotive force E decreases as it goes downstream of the fuel flow, the current values are not uniform, and I 1 > I 2 > I 3 > I 4 > I 5 > I 6 . In the lower part of FIG. 9B, the case where the fuel is hydrogen is shown as an example, but the same applies when the fuel is carbon monoxide or a mixed gas of both.
ここで、カソード側に供給される空気中の酸素は、アノード側を流れる燃料に対して水蒸気の形で入ってくるので、その分アノード側を流れる燃料中の水蒸気量は増加していくことになる。そこで、仮に、図9(b)中下部に示すように、燃料が水素で、アノード側入口での燃料中の水蒸気濃度が0%(水素濃度は100%)、燃料利用率が80%とすると、アノード側最下流での水蒸気濃度は80%(逆に水素濃度は20%)となる。なお、S/C比は通常2以上とすることから、原燃料の水蒸気改質に際して余剰水蒸気が含まれており、水蒸気はその分オンされていることになる。 Here, oxygen in the air supplied to the cathode side enters into the fuel flowing on the anode side in the form of water vapor, so that the amount of water vapor in the fuel flowing on the anode side increases accordingly. Become. Therefore, as shown in the lower part of FIG. 9B, if the fuel is hydrogen, the water vapor concentration in the fuel at the anode side inlet is 0% (hydrogen concentration is 100%), and the fuel utilization rate is 80%. The water vapor concentration at the anode side most downstream is 80% (conversely, the hydrogen concentration is 20%). Since the S / C ratio is usually 2 or more, surplus steam is contained during steam reforming of the raw fuel, and the steam is turned on by that amount.
ところで、そのような局所セルでの燃料枯れの影響は、SOFCスタックとして積層したセル数が少ない場合には、平均のセル電圧信号によっても読みとれるように顕著に現れてくる。しかし、セルの数が多い場合には、その影響は、全体のセル数つまり母数が多いために鈍化し、顕わには現れなくなる。従って、全体のセル電位、もしくは平均的なセル電位をモニタしても、局所的なセル電位の落ち込みは読みとれない。このため、通常の運転制御方法では、燃料枯れが起こっていないと認識されても、その実、局所セルでは燃料枯れが起こり、局所セルがダメージを受けるケースが発生し得る。 By the way, when the number of cells stacked as an SOFC stack is small, the effect of fuel depletion in such a local cell becomes prominent so that it can be read by an average cell voltage signal. However, when the number of cells is large, the effect is slowed down due to the large number of cells, that is, the number of parameters, and does not appear clearly. Therefore, even if the entire cell potential or the average cell potential is monitored, a local drop in cell potential cannot be read. For this reason, even if it is recognized that fuel exhaustion has not occurred in a normal operation control method, in fact, fuel exhaustion may occur in the local cell, and the local cell may be damaged.
本発明は、複数のセルを配置したSOFCスタック、複数のセルを配置したSOFCスタックの複数個を配置してなるSOFCスタック、横縞型SOFCバンドルにおける以上のような局所的なセル、局所的なセルスタックでの燃料枯れを防止し、局所セル、局所セルスタックがダメージを受けないように制御するものである。 The present invention relates to a SOFC stack in which a plurality of cells are arranged, a SOFC stack in which a plurality of SOFC stacks in which a plurality of cells are arranged are arranged, a local cell as described above in a horizontally striped SOFC bundle, and a local cell. This prevents fuel depletion in the stack and controls the local cell and the local cell stack not to be damaged.
〈本発明の基本的構成、操作〉
本発明の基本的構成、操作は下記(1)〜(5)のとおりである。ここではSOFCスタックを例に説明するが、横縞型SOFCバンドルについても同様である。
(1)SOFCスタックを構成する各セルのうち最も燃料枯れが起こりそうなセル、すなわち局所セルについて、その燃料入口側と、アノードの燃料出口側との二箇所におけるアノードと電解質との間に起電力計測用のセンサリード線を配置し、且つ当該二箇所に温度測定用の熱電対(=熱電堆)を配置する。そして、
(2)SOFCスタックの作動時に、当該二箇所のセンサリード線及び熱電対によりそれぞれ起電力(すなわち開放起電力)及び温度を測定する。
(3)上記(2)で測定される起電力信号(起電力値)及び温度を基に燃料供給側の燃料流路を流れる燃料の酸素分圧と燃料出口側の燃料流路を流れる燃料中の酸素分圧を測定し、当該局所セルでの燃料利用率を検知する。
(4)上記(3)で検知される燃料利用率と設定値(設定燃料利用率)を対比する。
(5)上記(4)の対比において、検知燃料利用率が設定値を下回る場合には、当該局所セルで燃料枯れが起こっている証拠であるので、SOFCスタックへ供給する総燃料量を増加させる。これにより当該局所セルでの燃料枯れを防止するものである。
<Basic configuration and operation of the present invention>
The basic configuration and operation of the present invention are as follows (1) to (5). Here, the SOFC stack will be described as an example, but the same applies to a horizontally striped SOFC bundle.
(1) Of the cells that make up the SOFC stack, the most likely fuel depletion, that is, the local cell, occurs between the anode and the electrolyte at two locations on the fuel inlet side and the anode fuel outlet side. A sensor lead wire for power measurement is arranged, and thermocouples (= thermopile) for temperature measurement are arranged at the two locations. And
(2) During operation of the SOFC stack, the electromotive force (that is, open electromotive force) and temperature are measured by the two sensor lead wires and the thermocouple, respectively.
(3) Based on the electromotive force signal (electromotive force value) and temperature measured in (2) above, the oxygen partial pressure of the fuel flowing through the fuel flow path on the fuel supply side and the fuel flowing through the fuel flow path on the fuel outlet side The oxygen partial pressure is measured, and the fuel utilization rate in the local cell is detected.
(4) The fuel usage rate detected in (3) above is compared with the set value (set fuel usage rate).
(5) In the comparison of (4) above, if the detected fuel utilization rate is lower than the set value, it is evidence that fuel is dead in the local cell, so the total amount of fuel supplied to the SOFC stack is increased. . This prevents fuel depletion in the local cell.
SOFCスタックを構成する各セルには、共通の燃料供給管から、各セルへの燃料分配部を介して同じ組成の燃料が供給される。局所セルの二箇所での起電力計測部のうち、燃料入口側の起電力計測用のセンサリード線は、セルの燃料入口側のアノード面と電解質とに配置し、燃料出口側の起電力計測用のセンサリード線は、セルの燃料出口側のアノード面と電解質とに配置する。併せて、各センサリード線先端の配置箇所に温度測定用の熱電対を配置する。この場合、両熱電対の先端は、各センサリード線先端の配置箇所あるいはその近辺に配置すればよく、例えば空気流路側の電解質面に配置する。 Each cell constituting the SOFC stack is supplied with a fuel having the same composition from a common fuel supply pipe via a fuel distributor to each cell. Of the electromotive force measurement units at two locations of the local cell, the sensor lead wires for measuring the electromotive force on the fuel inlet side are arranged on the anode surface and the electrolyte on the fuel inlet side of the cell to measure the electromotive force on the fuel outlet side. The sensor lead wire is disposed on the anode surface on the fuel outlet side of the cell and the electrolyte. At the same time, a thermocouple for temperature measurement is disposed at the position where each sensor lead wire is disposed. In this case, the tips of both thermocouples may be arranged at or near the location where each sensor lead wire is arranged, for example, on the electrolyte surface on the air flow path side.
図10〜11は複数個の平板型セルを積層して構成したSOFCスタックの局所セルに起電力計測用センサリード線、熱電対を配置した態様を示す図である。そのうち、まず図10について、図10(a)は斜視図、図10(b)は図10(a)中X−X線断面図である。なお、図10(b)に示す燃料分配部、利用済み燃料排出部は、図10(a)では省略している。 FIGS. 10-11 is a figure which shows the aspect which has arrange | positioned the sensor lead wire and thermocouple for electromotive force measurement in the local cell of the SOFC stack comprised by laminating | stacking a several flat type cell. First, FIG. 10 is a perspective view of FIG. 10, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 10A. The fuel distribution unit and the used fuel discharge unit shown in FIG. 10B are omitted in FIG.
図10のとおり、SOFCスタックを構成するセルのうち、局所セルすなわち燃料枯れが起こりそうなセルの燃料入口側と燃料出口側に、それぞれセンサリード線と熱電対を配置する。これにより、当該局所セルに酸素センサの機能を持たせ、当該局所セルを酸素センサとして利用するものである。 As shown in FIG. 10, sensor leads and thermocouples are arranged on the fuel inlet side and the fuel outlet side of a local cell, that is, a cell that is likely to run out of fuel among the cells constituting the SOFC stack, respectively. Thereby, the function of an oxygen sensor is given to the local cell, and the local cell is used as an oxygen sensor.
ここで、例えば図10のようなSOFCスタックでは、その作動中、その積層中心部のセルがより高温となることから、燃料枯れが起こりそうなセルは通常、当該積層中心部のセルである。しかし、SOFCスタックは通常、断熱容器に収容、設置され、各セルからの利用済み燃料と利用済み燃料を断熱容器内で燃焼した後、排出することなどから、燃料枯れが起こりそうなセルは、積層中心部より上部のセルであることもあり得るし、また、利用済み燃料と利用済み燃料の燃焼排ガスの排出を断熱容器の下部に設ける場合などでは、積層中心部より下部のセルであることもあり得る。 Here, for example, in the SOFC stack as shown in FIG. 10, the cell at the center of the stack becomes higher during the operation, and therefore the cell that is likely to run out of fuel is usually the cell at the center of the stack. However, SOFC stacks are usually housed and installed in insulated containers, and spent fuel and spent fuel from each cell are burned in the insulated container and then discharged. It may be a cell that is above the center of the stack, or it may be a cell that is below the center of the stack, such as when used fuel and exhaust of exhaust gas from the used fuel are provided at the bottom of the insulated container. There is also a possibility.
〈局所セル、局所セルスタックの見定め〉
そこで、本発明においては、SOFCスタックについて、どの箇所のセルが最も燃料枯れが起こりそうなセルであるかを予備試験等により予め見定め、この局所セルに酸素センサとしての機能をもたせる。SOFCスタックにおいては、より高温となり、燃料枯れが起こりそうなセルは、一個とは限らず、複数個である場合もあり得るが、この場合にはそのうちの一個を適宜選定して酸素センサとしての機能をもたせる。これらの点については、後述横縞型SOFCバンドルにおける横縞型セルスタックについても同様である。
<Identification of local cell and local cell stack>
Therefore, in the present invention, in the SOFC stack, which cell is the cell that is most likely to be depleted of fuel is determined in advance by a preliminary test or the like, and this local cell has a function as an oxygen sensor. In the SOFC stack, the number of cells that are hotter and likely to run out of fuel is not limited to one, and there may be a plurality of cells. In this case, one of them may be appropriately selected as an oxygen sensor. Provide functionality. The same applies to the horizontal stripe cell stack in the horizontal stripe SOFC bundle described later.
〈局所セルを利用する酸素分圧測定の態様〉
図11は、図10のように起電力計測用センサリード線、温度計測用熱電対を配置した局所セルを取り出し、それらの配置態様をより具体的に説明する図である。図11中、手前側が燃料入口側、これと相対する向こう側が燃料出口側、すなわち利用済み燃料出口側である。図11のとおり、燃料入口側のアノード2の下面と電解質3の上面にセンサリード線を配置するとともに、熱電対を配置する。また、燃料出口側のアノード2の下面と電解質3の上面にセンサリード線を配置するとともに、熱電対を配置する。
<Aspects of oxygen partial pressure measurement using local cell>
FIG. 11 is a diagram for taking out a local cell in which an electromotive force measurement sensor lead wire and a temperature measurement thermocouple are arranged as shown in FIG. 10 and more specifically explaining their arrangement mode. In FIG. 11, the front side is the fuel inlet side, and the opposite side is the fuel outlet side, that is, the used fuel outlet side. As shown in FIG. 11, sensor lead wires are disposed on the lower surface of the
図11中、8は電解質3の上面に配置した面状電極であり、これにセンサリード線の先端が接続される。このセンサリード線の先端は、電解質3の上面に代えて、カソード4に接続してもよい。
In FIG. 11, 8 is a planar electrode disposed on the upper surface of the
アノード2の下面に配置するセンサリード線の先端は、面状電極8の位置と相対するアノード2の下面の位置に接続されるが、当該アノード2の下面の位置に面状電極8と同様の面状電極を配置し、これに接続するようにしてもよい。
The tip of the sensor lead wire arranged on the lower surface of the
また、燃料入口側、燃料出口側の各熱電対の先端は、各センサリード線の配置箇所あるいはその近辺に配置すればよいが、図11では空気流路側の電解質3の上面に配置した面状電極に配置した場合を示している。センサリード線、熱電対用導線、面状電極の構成材料としてはPt、その他適宜選定して用いる。
Further, the tip of each thermocouple on the fuel inlet side and the fuel outlet side may be disposed at or near the position where each sensor lead wire is disposed, but in FIG. 11, a planar shape disposed on the upper surface of the
ここで、図10〜11に示すとおり、酸素センサとして機能させる局所セルについて、燃料入口側の酸素センサを酸素センサAとし、燃料出口側の酸素センサを酸素センサBとする。すなわち、酸素センサA及び酸素センサBは、当該局所セルに、それぞれ“起電力計測用センサリード線と温度計測用熱電対”を配して構成される。そして、SOFCスタックの作動時に、酸素センサA及び酸素センサBにより、それら両箇所つまり燃料入口側と燃料出口側を流れる燃料中の酸素分圧を測定する。 Here, as shown in FIGS. 10 to 11, the oxygen sensor on the fuel inlet side is the oxygen sensor A and the oxygen sensor on the fuel outlet side is the oxygen sensor B for the local cell that functions as the oxygen sensor. That is, the oxygen sensor A and the oxygen sensor B are each configured by arranging “an electromotive force measurement sensor lead wire and a temperature measurement thermocouple” in the local cell. Then, when the SOFC stack is operated, the oxygen sensor A and the oxygen sensor B measure the partial pressure of oxygen in the fuel flowing through these portions, that is, the fuel inlet side and the fuel outlet side.
〈局所セルを利用する酸素センサA及び酸素センサBの原理、機能について〉
本発明においては局所セルを利用して酸素分圧を測定する。酸素センサとして機能させる局所セルは、本発明において重要な役割を果たすが、これによりアノード側を流れる燃料中の酸素を極微量まで測定できる。本発明においては、局所セルを介してSOFCスタックにおける当該局所セルのアノードの燃料入口側及びアノードの燃料出口側を流れる燃料中の酸素分圧をそれぞれ酸素センサA及び酸素センサBにより測定する。そして、その測定値を基に当該局所セルでの燃料利用率を検知し、SOFCスタックや横縞型SOFCバンドルの運転制御に利用するものである。
<Principle and function of oxygen sensor A and oxygen sensor B using local cells>
In the present invention, the partial pressure of oxygen is measured using a local cell. The local cell that functions as an oxygen sensor plays an important role in the present invention, and this enables measurement of a very small amount of oxygen in the fuel flowing on the anode side. In the present invention, the oxygen partial pressure in the fuel flowing through the local cell at the fuel inlet side of the anode and the fuel outlet side of the anode in the SOFC stack in the SOFC stack is measured by the oxygen sensor A and oxygen sensor B, respectively. And based on the measured value, the fuel utilization rate in the said local cell is detected, and it uses for operation control of a SOFC stack or a horizontal stripe type SOFC bundle.
〈従来の酸素センサの原理、機能について〉
ここで、本発明における局所セルを利用する酸素センサA及び酸素センサBについて従来の酸素センサを例にして説明する。酸素センサには幾つかの種類があるが、そのうち完全濃淡電池式酸素センサ(二室式)は、電解質として安定化ジルコニア〔イットリア(Y2O3)ドープのジルコニアやカルシア(CaO)ドープのジルコニアなど〕をベースとし、安定化ジルコニアを挟む電極間の酸素分圧差を電力に変えて測定するものである。この酸素センサは、いわゆるSOFCの原理を応用しており、カソード側に空気を供給してレファレンス(つまり照合ガスないし基準ガス)として使用し、ガス中の僅かな極微量の酸素濃度でも高精度で正確に測定することができる。
<Principle and function of conventional oxygen sensor>
Here, a conventional oxygen sensor will be described as an example of the oxygen sensor A and the oxygen sensor B using local cells in the present invention. There are several types of oxygen sensors. Among them, the complete concentration cell type oxygen sensor (two-chamber type) is a zirconia stabilized with yttrium (Y 2 O 3 ) or calcia (CaO) doped zirconia as an electrolyte. And the like, and the oxygen partial pressure difference between the electrodes sandwiching the stabilized zirconia is changed to electric power for measurement. This oxygen sensor applies the so-called SOFC principle and supplies air to the cathode side for use as a reference (ie, reference gas or reference gas), so that even a very small amount of oxygen in the gas can be used with high accuracy. It can be measured accurately.
図12はその酸素センサの原理、構造、機能について説明する図である。図12のとおり、電極保護層としての多孔質セラミック層間に安定化ジルコニアが配置され、両多孔質セラミック層のうち一方側にカソードが、他方側にアノードが設けられる。両電極材料としては好ましくはPt電極が用いられる。そして、カソード側に空気を流通させ、アノード側に被測定ガスを流通させる。これにより両電極間の起電力Eを開回路状態で測定することで、被測定ガス中の酸素分圧を知ることができる。 FIG. 12 is a diagram for explaining the principle, structure, and function of the oxygen sensor. As shown in FIG. 12, stabilized zirconia is disposed between porous ceramic layers as an electrode protective layer, and a cathode is provided on one side and an anode on the other side of both porous ceramic layers. Pt electrodes are preferably used as both electrode materials. Then, air is circulated on the cathode side, and a measurement gas is circulated on the anode side. Thus, by measuring the electromotive force E between both electrodes in an open circuit state, it is possible to know the partial pressure of oxygen in the gas to be measured.
酸素センサの電圧、すなわち起電力Eは、SOFCの場合と同様、下記ネルンスト(Nernst)の式(Y)で表される。式(Y)中、Po2(c)はカソード側(空気側)の酸素分圧、Po2(a)はアノード側(低酸素濃度の被測定ガス側)の酸素分圧、Fはファラデー定数、Rは気体定数、Tは酸素センサ温度(K)である。そしてPo2(c)は、空気をレファレンスとして用いる場合には0.20948になる。 The voltage of the oxygen sensor, that is, the electromotive force E is expressed by the following Nernst equation (Y) as in the case of SOFC. In formula (Y), Po 2 (c) is the oxygen partial pressure on the cathode side (air side), Po 2 (a) is the oxygen partial pressure on the anode side (the gas to be measured with low oxygen concentration), and F is the Faraday constant. , R is a gas constant, and T is an oxygen sensor temperature (K). Po 2 (c) is 0.20948 when air is used as a reference.
空気中の酸素濃度(酸素=20.948vol%)は一定であるので、酸素濃度が低いもう一方の側の気体(ガス)中の酸素濃度の測定ができる。酸素センサでは、センサ起電力Eから、式(Y)を用いて計算し低酸素濃度の被測定ガスの酸素分圧を同定する。なお、Po2(a)を常用対数で求める場合の式(Z)を示している。
本発明において、局所セルを利用する酸素センサA及び酸素センサBは、そのような酸素センサの原理を利用して、局所セルの燃料流路を流れる燃料中の極微量の酸素分圧を測定するものである。 In the present invention, the oxygen sensor A and the oxygen sensor B using the local cell measure a very small partial pressure of oxygen in the fuel flowing through the fuel flow path of the local cell using the principle of such an oxygen sensor. Is.
〈局所セルでの酸素センサA及び酸素センサBによる酸素分圧測定の具体的態様〉
本発明においては、酸素センサA及び酸素センサBによる起電力信号及び計測温度を基に燃料入口部の燃料流路を流れる燃料の酸素分圧と燃料出口部の燃料流路を流れる燃料中の酸素分圧を測定し、その値を基に当該局所セルでの燃料利用率を検知するものである。
<Specific Embodiment of Oxygen Partial Pressure Measurement by Oxygen Sensor A and Oxygen Sensor B in Local Cell>
In the present invention, the oxygen partial pressure of the fuel flowing through the fuel flow path at the fuel inlet and the oxygen in the fuel flowing through the fuel flow path at the fuel outlet based on the electromotive force signals and the measured temperatures from the oxygen sensors A and B The partial pressure is measured, and the fuel utilization rate in the local cell is detected based on the measured partial pressure.
炭化水素系原燃料の成分である、例えばC1〜C4の飽和炭化水素の水蒸気改質は下記反応式(1)〜(4)で表される。これらの反応式における生成系のCO、H2はいわゆる“反応素過程(elementary process of reaction)”を経て生成している。なお、C2〜C4の不飽和炭化水素についても同様である。
こうして炭化水素系原燃料の水蒸気改質反応によって、完全に改質した場合のガス組成は、水素と一酸化炭素のほか、水蒸気(余剰水蒸気)と二酸化炭素の4種の成分の混合ガスとなる。このうち二酸化炭素は一酸化炭素と水蒸気の反応成分である。このように、改質ガスはCO、H2、H2O及びCO2を含む系であるが、厳密にはそれら各ガスの構成原子はラジカルやイオンの状態で混在して相互に解離、反応を繰り返しており、COやH2との反応には酸素が関与している。 In this way, the gas composition when the hydrocarbon-based raw fuel is completely reformed by the steam reforming reaction is a mixed gas of hydrogen, carbon monoxide, four components of steam (surplus steam) and carbon dioxide. . Of these, carbon dioxide is a reaction component of carbon monoxide and water vapor. As described above, the reformed gas is a system containing CO, H 2 , H 2 O and CO 2. Strictly speaking, the constituent atoms of each gas are mixed in the state of radicals or ions and dissociated and reacted with each other. And oxygen is involved in the reaction with CO and H 2 .
これをH2とCOについて見れば、下記反応式(5)及び(6)のように、それぞれ、1/2モル(1/2O2)の酸素が反応してH2OとCO2になる。
ここで、平衡定数Kは、それぞれの気体の分圧Pで示される。なお、気体反応の平衡定数はKpと記述されるが、以下で用いる符号との関係でKとしている。例えば(5)式の反応の場合、分母に(5)式の左辺すなわち原系のガスの分圧積を置き、分子に右辺すなわち生成系のガスの分圧積を置くことで記述される。そこで、例えば温度750℃における(5)式における平衡定数をK1、(6)式における平衡定数をK2とすると、K1及びK2は下記式(7)、(8)から、それぞれK1=6.0×109、K2=7.6×109となり、平衡定数K1及びK2はともに非常に大きな値である。
(5)式と(6)式はそれぞれ独立に満たされるべき平衡式であるが、改質ガスでは通常(5)式と(6)式が同時に成り立っているので、下記式(9)のシフト反応式が成立している。これは(5)式から(6)式を引くことで自然に導かれる。このためSOFCのアノードにはCO、H2O、H2及びCO2を含む混合ガスが導入されることになるが、厳密には、それらの成分のほか、前記(5)式及び(6)式で示されるように酸素も含むことになる。
上記のとおり、炭化水素系原燃料の水蒸気改質反応によって、完全に改質した場合のガス組成は、原系である水素及び一酸化炭素と、生成系である水蒸気及び二酸化炭素の4種の成分の混合ガスとなる。ここで、(7)式(K1=6.0×109)及び(8)式(K2=7.6×109)から明らかなとおり、(5)式及び(6)式のように、極く僅かではあるが、酸素が分圧10-20程度のオーダで存在している。本発明においては、このような極微量の酸素の分圧を局所セルに配置したセンサリード線及び熱電対を介して測定するものである。 As described above, the gas composition when completely reformed by the steam reforming reaction of the hydrocarbon-based raw fuel is composed of four types of hydrogen and carbon monoxide as the original system, and steam and carbon dioxide as the production system. It becomes a mixed gas of components. Here, as is clear from the equations (7) (K 1 = 6.0 × 10 9 ) and (8) (K 2 = 7.6 × 10 9 ), the equations (5) and (6) In addition, oxygen is present on the order of a partial pressure of about 10 −20 , though very little. In the present invention, the partial pressure of such a trace amount of oxygen is measured through a sensor lead wire and a thermocouple arranged in the local cell.
ここで、前述式YまたはZにおいて、酸素センサAで測定された起電力はEであり、熱電対で測定された温度はTであり、カソードへ流す酸化剤ガスが空気である場合にはPo2(c)は0.20948である。
すなわち、局所セルの燃料入口側(アノードへの燃料供給側)での酸素分圧は、前述式YまたはZにおいて、センサリード線を介して計測される電圧をEとして代入し、熱電対で計測される温度をTとして代入し、また、前述式YまたはZ中“Po2(c)”はカソード側の酸素分圧であるので、酸化剤ガスが空気の場合0.20948を代入することで得られる。
Here, in the above formula Y or Z, the electromotive force measured by the oxygen sensor A is E, the temperature measured by the thermocouple is T, and Po is used when the oxidizing gas flowing to the cathode is air. 2 (c) is 0.20948.
That is, the partial pressure of oxygen at the fuel inlet side (fuel supply side to the anode) of the local cell is measured by a thermocouple by substituting the voltage measured via the sensor lead wire as E in the above formula Y or Z. Is substituted as T, and since “Po 2 (c)” in the above formula Y or Z is the oxygen partial pressure on the cathode side, 0.20948 is substituted when the oxidizing gas is air. can get.
同じく 前述式YまたはZにおいて、酸素センサBで測定された起電力はEであり、熱電対で測定された温度はTであり、カソードへ流す酸化剤ガスが空気である場合にはPo2(c)は0.20948であるが、酸素消費量分だけ酸素分圧が低下することになる。ただし、空気利用率は通常30%程度であり、酸素分圧の低下はほとんど無視できる。
すなわち、局所セルの燃料出口側(アノードからの燃料排出側)での酸素分圧は、前述式YまたはZにおいて、センサリード線を介して計測される電圧をEとして代入し、熱電対で計測される温度をTとして代入し、また、式YまたはZ中“Po2(c)”はカソード側の酸素分圧であるので、酸化剤ガスが空気の場合には0.20948を代入することで得られる。
Similarly, in the above formula Y or Z, the electromotive force measured by the oxygen sensor B is E, the temperature measured by the thermocouple is T, and when the oxidizing gas flowing to the cathode is air, Po 2 ( c) is 0.20948, but the oxygen partial pressure is reduced by the amount of oxygen consumption. However, the air utilization rate is usually about 30%, and the decrease in oxygen partial pressure can be almost ignored.
In other words, the oxygen partial pressure at the fuel outlet side (fuel discharge side from the anode) of the local cell is measured with a thermocouple by substituting the voltage measured via the sensor lead wire as E in the above formula Y or Z. Is substituted as T, and since “Po 2 (c)” in formula Y or Z is the oxygen partial pressure on the cathode side, 0.20948 is substituted when the oxidant gas is air. It is obtained by.
ここで、上記のとおり、燃料排出側における空気中の酸素分圧の低下は殆ど無視できるが、空気利用率は通常30%程度と予め予測できることから、燃料排出側での空気中の酸素分圧をその分、補正した上で代入することで“Po2(c)”を得るようにしてもよい。 Here, as described above, the decrease in the oxygen partial pressure in the air on the fuel discharge side is almost negligible, but since the air utilization rate can usually be predicted to be about 30% in advance, the oxygen partial pressure in the air on the fuel discharge side "Po 2 (c)" may be obtained by substituting and correcting.
〈燃料中の酸素分圧による燃料利用率判定の具体的態様〉
本発明は、基本的に燃料組成が明確である場合を前提にしているが、例えば都市ガスを原燃料とする燃料のように燃料組成が明確である場合には、燃料の流量さえ分かれば、供給燃料量が算出可能であるので、発電電流量からすぐに燃料利用率が算出できる。SOFCスタック全体としてはもちろん、燃料枯れを起こさない個々のセルにおける燃料利用率についても同様である。
<Specific mode of fuel utilization determination by oxygen partial pressure in fuel>
The present invention basically presupposes a case where the fuel composition is clear. However, if the fuel composition is clear, for example, fuel using city gas as a raw fuel, if the flow rate of the fuel is known, Since the amount of supplied fuel can be calculated, the fuel utilization rate can be calculated immediately from the amount of generated current. The same applies to the fuel utilization rate in individual cells that do not cause fuel depletion as well as the entire SOFC stack.
ところが、燃料組成が明確であっても、つまり燃料組成が分かっていても、SOFCスタックにおける個々のセルへの燃料の流配が均一でなく、燃料枯れを起こす可能性があるセルがある場合には、当該局所セルでの燃料利用率は算出できない。そこで、本発明においては、以下の手法により、個々のセルにおける燃料の流量が分からない場合でも、SOFCスタックを構成する局所的セルの燃料利用率を算出するものである。 However, even if the fuel composition is clear, that is, the fuel composition is known, the fuel flow to the individual cells in the SOFC stack is not uniform, and there is a cell that may cause fuel depletion. Cannot calculate the fuel utilization rate in the local cell. Therefore, in the present invention, the fuel utilization rate of the local cells constituting the SOFC stack is calculated by the following method even when the fuel flow rate in each cell is unknown.
前述のとおり、炭化水素系原燃料の水蒸気改質反応によって生成した燃料中のH2とCOについて見れば、前記(5)式及び(6)式のように、それぞれ1/2モルの酸素(1/2O2)が反応してH2OとCO2になる。 As described above, when H 2 and CO in the fuel produced by the steam reforming reaction of the hydrocarbon-based raw fuel are observed, each of ½ mol of oxygen (Equation (5) and Equation (6)) 1 / 2O 2 ) reacts to become H 2 O and CO 2 .
ここで、アノードへ導入する燃料の原燃料である炭化水素中のC成分及びH成分、また添加する水蒸気:H2Oの初期のモル数を以下のとおりとする。
C:cモル、H:aモル、H2O:Bモル
Here, the initial number of moles of the C component and H component in the hydrocarbon, which is the raw fuel of the fuel introduced into the anode, and the added water vapor: H 2 O are as follows.
C: c mol, H: a mol, H 2 O: B mol
例えば、原燃料が1モルのCH4と1モルのC2H6で構成される場合、水蒸気改質に必要なストイキメトリックな水蒸気量の3倍〔メタン換算スチーム(モル)比(S/C比)=3〕を添加するとすると、以下のとおりとなる。
c=1+2=4モル、a=4+6=10モル、B=(1+2)×3=9モル
For example, when the raw fuel is composed of 1 mole of CH 4 and 1 mole of C 2 H 6 , it is three times the stoichiometric amount of steam required for steam reforming [methane converted steam (mole) ratio (S / C When the ratio) = 3] is added, the result is as follows.
c = 1 + 2 = 4 mol, a = 4 + 6 = 10 mol, B = (1 + 2) × 3 = 9 mol
ここで、原燃料を完全改質後、セルのアノードへの燃料入口側(燃料供給部)でのガス組成を以下のように設定する。
H2:pモル、CO:qモル、H2O:rモル、CO2:sモル
Here, after the raw fuel is completely reformed, the gas composition on the fuel inlet side (fuel supply unit) to the anode of the cell is set as follows.
H 2 : p mol, CO: q mol, H 2 O: r mol, CO 2 : s mol
そして、H、C、Oに関してマスバランスを考慮すると、下記式(10)〜(12)のようになる。
これら(10)〜(12)式をr及びsについて変形すると、それぞれ下記式(13)〜(14)のとおりとなる。
そして、(5)式及び(6)式の平衡式K1、K2はそれぞれ下記式(15)、(16)のとおりとなる。
(10)〜(12)式を変形して求めたr及びsを(15)式、(16)式に代入して整理すると下記式(17)、(18)のとおりとなる。
そして、局所セルの燃料入口側(アノードへの燃料供給側)での酸素分圧をPo2(1)、燃料出口側(アノードの燃料出口側)での酸素分圧をPo2(2)として、計算を簡略化するためにt1(1)、t2(1)、t1(2)、t2(2)として下記式(19)〜(22)のように定義する。(19)〜(22)式における、酸素分圧:Po2(1)は酸素センサAで計測され、酸素分圧:Po2(2)は酸素センサBで計測される値である。なお、K1、K2は定数であるので、(19)〜(22)式での変数はPo2(1)、Po2(2)だけである。
ここで発電電流量、すなわちアノードへ供給する酸素イオン(O2-)量をJとする。H2:1モルと反応する酸素イオン量は1モル〔=O2-の1/2、(5)式参照〕、CO:1モルと反応する酸素イオン量は1モル〔=O2-の1/2、(6)式参照〕であるから、実効燃料量Qを酸素イオン1モルと反応する燃料量と定義すると、Q=a/2+2c=p+qである。従って、実効燃料量Qは下記式(23)のとおりとなる。
そして(23)式をcについて変形すると下記式(24)のとおりとなる。
ここで簡略化のために、さらに下記式(25)、(26)のようにM(1)、M(2)を定義する。
そして、(24)式を実効燃料量Qについて解くと下記式(27)のとおりとなる。
ここで、燃料利用率はUf=J/Qであるから、燃料利用率Ufは下記式(28)のとおりとなる。
こうして、燃料組成が分かっていれば、燃料流量が分からない場合でも、水蒸気改質用に供給する水蒸気量B、対象とする局所セルの燃料入口側(アノードへの燃料供給側)及び燃料出口側(アノードの燃料出口側)の燃料の酸素分圧から、当該局所セルでの燃料利用率Ufを算出することができる。すなわち、
(一) 対象とする局所セルの燃料入口側及び燃料出口側の酸素分圧は、それぞれ酸素センサAで計測されるPo2(1)、酸素センサBで計測されるPo2(2)である。これは(19)〜(22)式で定義したとおり、(28)式のt1(1)、t2(1)、t1(2)、t2(2)における変数であるので、(19)〜(22)式を介して(28)式に代入される。
(二) Po2(1)、Po2(2)は、(19)〜(22)式、(25)〜(26)式を介して(28)式のM(1)、M(2)として代入される。
(三) カソードに供給する酸素イオン(O2-)量Jは発電電流量に対応し、発電電流量を計測することにより得られるので、これを(28)式に代入する。
(四) 水蒸気量Bは原燃料を燃料に水蒸気改質しているその水蒸気量であるので、(28)式におけるB量として代入される。
Thus, if the fuel composition is known, even if the fuel flow rate is unknown, the amount of steam B supplied for steam reforming, the fuel inlet side (fuel supply side to the anode) and the fuel outlet side of the target local cell From the oxygen partial pressure of the fuel (on the fuel outlet side of the anode), the fuel utilization rate Uf in the local cell can be calculated. That is,
(1) The oxygen partial pressures on the fuel inlet side and the fuel outlet side of the target local cell are Po 2 (1) measured by the oxygen sensor A and Po 2 (2) measured by the oxygen sensor B, respectively. . Since this is a variable at t 1 (1), t 2 (1), t 1 (2), t 2 (2) in the equation (28) as defined by the equations (19) to (22), ( It is substituted into the equation (28) via the equations (19) to (22).
(2) Po 2 (1) and Po 2 (2) are expressed as M (1) and M (2) in the formula (28) through the formulas (19) to (22) and (25) to (26). Is assigned as
(3) The amount of oxygen ions (O 2− ) J supplied to the cathode corresponds to the amount of generated current and is obtained by measuring the amount of generated current, and is substituted into equation (28).
(4) Since the water vapor amount B is the amount of water vapor that is steam reformed from the raw fuel as fuel, it is substituted as the B amount in equation (28).
本発明においては、SOFCスタックの局所セルについて、(a)当該セルのアノードの燃料供給側とアノードの燃料出口側にそれぞれ起電力測定用センサリード線及び熱電対を配置して酸素センサA、酸素センサBとし、それら各箇所を流れる燃料中の酸素分圧を測定するとともに、(b)当該局所セルの発電電流量及び(c)原燃料改質用に導入する水蒸気量を測定する。そして、それらの測定値を基に上記(一)〜(四)のようにして当該局所セルでの燃料利用率Ufを算出、推定し、当該局所セルで燃料枯れが起こらないようにSOFCスタック全体への燃料供給量を制御することができる。 In the present invention, for the local cell of the SOFC stack, (a) an electromotive force measuring sensor lead wire and a thermocouple are arranged on the fuel supply side of the anode and the fuel outlet side of the anode, respectively. The sensor B is used to measure the partial pressure of oxygen in the fuel flowing through the respective locations, and (b) the amount of current generated in the local cell and (c) the amount of water vapor introduced for raw fuel reforming. Then, based on these measured values, the fuel utilization rate Uf in the local cell is calculated and estimated as described in (1) to (4) above, and the entire SOFC stack is prevented so that fuel depletion does not occur in the local cell. The amount of fuel supplied to the can be controlled.
なお、当該局所セルの発電電流量は、スタック全体として計測される発電電流量を、スタックを構成するセル数で割ることで得られる。ここで、スタック全体として計測される発電電流量とは、下記図13で言えば電流モニタ(A)で計測される電流量である。 The generated current amount of the local cell can be obtained by dividing the generated current amount measured for the entire stack by the number of cells constituting the stack. Here, the generated current amount measured as the whole stack is the current amount measured by the current monitor (A) in FIG.
図13は、本発明の運転制御方法をSOFCスタックに適用する態様例を説明する図である。発電時に、SOFCスタックからの電流値及び電圧値を経時的にモニタするとともに、酸素センサA及び酸素センサBにより局所セルのアノードへの燃料供給側の燃料中の酸素分圧とアノードの燃料出口側の燃料中の酸素分圧をモニタする。そして、局所セルの燃料利用率が常に80%、あるいはそれ以下になるように、その計測酸素分圧値及び発電電流量から算出した所定の原燃料量を供給するよう制御し、これに合わせて原燃料改質用の水蒸気量、カソードへの空気量も制御する。これらの制御は、記憶装置、入出力装置を伴う中央処理装置(CPU)により行うことができる。 FIG. 13 is a diagram for explaining an example in which the operation control method of the present invention is applied to an SOFC stack. During power generation, the current value and voltage value from the SOFC stack are monitored over time, and the oxygen partial pressure in the fuel on the fuel supply side to the anode of the local cell and the fuel outlet side of the anode by the oxygen sensor A and oxygen sensor B Monitor the partial pressure of oxygen in the fuel. Then, control is performed so that a predetermined raw fuel amount calculated from the measured oxygen partial pressure value and the generated current amount is supplied so that the fuel utilization rate of the local cell is always 80% or less, and accordingly, It also controls the amount of steam for raw fuel reforming and the amount of air to the cathode. These controls can be performed by a central processing unit (CPU) with a storage device and an input / output device.
図14は、図13の態様例において、運転開始時以降の制御態様を説明する図である。運転開始時に初期設定燃料量を導入する。なお、初期設定燃料量は、本運転制御システムを適用するSOFCスタックでの定常運転時に必要な燃料量として予め設定される。以降運転中、通常の出力制御として発電電流値及び全電流電位値をモニタする。そして、全体としての平均電池電位が限界電圧より低下すると、すなわち“平均電池電位<限界電圧”であると、燃料流量を増加させるよう制御する。逆に、平均電池電位が限界電圧以上であると、すなわち“平均電池電位>限界電圧”であると、SOFCスタック全体としては正常であるので、そのまま運転を続ける。 FIG. 14 is a diagram illustrating control modes after the start of operation in the mode example of FIG. The initial fuel quantity is introduced at the start of operation. Note that the initial set fuel amount is set in advance as a fuel amount necessary for steady operation in the SOFC stack to which the present operation control system is applied. Thereafter, during operation, the generated current value and the total current potential value are monitored as normal output control. When the average battery potential as a whole drops below the limit voltage, that is, when “average battery potential <limit voltage”, control is performed to increase the fuel flow rate. Conversely, if the average battery potential is equal to or higher than the limit voltage, that is, “average battery potential> limit voltage”, the SOFC stack as a whole is normal, and the operation is continued as it is.
このように通常の運転制御を行いながら、酸素センサA及び酸素センサBにより局所セルのアノードへの燃料供給側を流れている燃料とアノードの燃料出口側を流れている燃料の酸素分圧を計測し、併せて、当該局所セルの発電電流量及び改質用に導入している水蒸気量を測定し、それらの測定値を基に当該局所セルの燃料利用率Ufを算出する。そして、燃料利用率Ufが設定燃料利用率より大きいと、すなわち“燃料利用率Uf>設定燃料利用率”であると、当該局所セルで燃料枯れが起こっているか、起こり始めているので、図14中“燃料流量増加”として示すように、SOFCスタック全体への燃料供給量を増加させる。 While performing normal operation control in this way, the oxygen sensor A and oxygen sensor B measure the oxygen partial pressure of the fuel flowing on the fuel supply side to the anode of the local cell and the fuel flowing on the fuel outlet side of the anode. At the same time, the amount of generated current of the local cell and the amount of water vapor introduced for reforming are measured, and the fuel utilization rate Uf of the local cell is calculated based on the measured values. If the fuel utilization rate Uf is larger than the set fuel utilization rate, that is, “fuel utilization rate Uf> set fuel utilization rate”, fuel depletion occurs in the local cell or is beginning to occur. Increase the fuel supply to the entire SOFC stack, as shown as “Fuel Flow Increase”.
一方、当該局所セルの燃料利用率Ufが設定燃料利用率より小さいと、すなわち“燃料利用率Uf<設定燃料利用率”であると、当該局所セルでの燃料枯れはないので、そのまま運転を続けるが、その際“燃料利用率Uf<設定燃料利用率”の差が大きい場合は、その差に応じて燃料流量を減少させるように制御する。このように、当該局所セルの燃料利用率Ufが設定燃料利用率より小さい場合、その程度如何により、必要に応じてSOFCスタック全体への燃料供給量を減少させてもよい。 On the other hand, if the fuel usage rate Uf of the local cell is smaller than the set fuel usage rate, that is, if “fuel usage rate Uf <set fuel usage rate”, there is no fuel depletion in the local cell, so the operation is continued as it is. However, if the difference of “fuel utilization rate Uf <set fuel utilization rate” is large at that time, control is performed so as to decrease the fuel flow rate according to the difference. As described above, when the fuel utilization rate Uf of the local cell is smaller than the set fuel utilization rate, the fuel supply amount to the entire SOFC stack may be reduced as necessary depending on the degree.
このような制御を常時、あるいは所定間隔を置いて行うことで、燃料枯れが起こることが予測される局所セルでの燃料枯れを防止し、SOFCスタック全体として性能低下を来すことなく運転制御することができる。なお、上記設定燃料利用率は、スタックを構成する各セル(局所セルを含む)について、例えば前述図5に示すように、アノードが酸化されないようなセル電位、例えば0.6V程度の下限電位に対応して、予め設定された燃料利用率である。 By performing such control at regular intervals or at predetermined intervals, it is possible to prevent fuel depletion in a local cell where fuel depletion is predicted to occur, and to control the operation of the SOFC stack as a whole without causing performance degradation. be able to. The set fuel utilization rate is set to a cell potential at which the anode is not oxidized, for example, a lower limit potential of about 0.6 V, for example, as shown in FIG. 5 described above, for each cell (including local cells) constituting the stack. Correspondingly, the fuel utilization rate is set in advance.
〈SOFCスタックの複数個を配置したSOFCスタックの運転制御態様〉
本発明は、複数個の平板型セルを備えたSOFCスタックの複数個を配置してなるSOFCスタックの運転制御についても同様に適用される。図15は、3個のSOFCスタックを配置したSOFCスタックの運転制御の態様を説明する図である。複数個のSOFCスタックを配置してなるSOFCスタックの場合にも断熱容器等に収容されて使用されるが、3個のSOFCスタックのうち中央部に配置されたスタックは左右両側のスタックより高温になり易く、さらに、中央部に配置されたスタックにおいても、その中央部の局所セルでは、より高温になり、燃料枯れが起こることが予想される。
<Operation control mode of SOFC stack with multiple SOFC stacks>
The present invention is similarly applied to operation control of a SOFC stack formed by arranging a plurality of SOFC stacks having a plurality of flat plate cells. FIG. 15 is a diagram for explaining a mode of operation control of a SOFC stack in which three SOFC stacks are arranged. In the case of a SOFC stack in which a plurality of SOFC stacks are arranged, it is also used by being accommodated in a heat insulating container or the like. Further, even in the stack disposed in the central portion, the local cell in the central portion is expected to have a higher temperature and fuel depletion is expected to occur.
そこで、複数個の平板型セルを備えたSOFCスタックの複数個を配置したSOFCスタックにおいて、前述と同様にして、そのように燃料枯れが最も起こることが予想される局所セルを利用して酸素センサA、酸素センサBを構成、配置する。そして、前述と同様にして当該局所セルでの燃料利用率を推定し、燃料枯れが起こらないようにSOFCスタック全体への燃料供給量を制御して、当該局所セルでの燃料枯れを防止し、SOFCスタック全体として性能低下を来すことなく運転制御することができる。3個とは限らず、2個、4個、5個というように複数個のSOFCスタックを配置したSOFCスタックについても同様に適用される。 Therefore, in the SOFC stack in which a plurality of SOFC stacks having a plurality of flat plate cells are arranged, in the same manner as described above, an oxygen sensor using a local cell that is expected to cause the most fuel depletion. A and oxygen sensor B are constructed and arranged. Then, in the same manner as described above, the fuel utilization rate in the local cell is estimated, the fuel supply amount to the entire SOFC stack is controlled so that fuel exhaustion does not occur, and fuel exhaustion in the local cell is prevented, The entire SOFC stack can be controlled without degrading performance. The present invention is not limited to three, and is similarly applied to SOFC stacks in which a plurality of SOFC stacks such as two, four, and five are arranged.
以上、主として平板型SOFCを例に説明したが、本発明は円筒型、横縞型、一体積層型、その他各種形式のSOFCについても同様に適用するものである。 Although the description has been given mainly of the flat plate type SOFC as described above, the present invention is similarly applied to a cylindrical type, a horizontal stripe type, an integrally laminated type, and other various types of SOFCs.
〈複数個の円筒型SOFCセルを配置したSOFCスタックの運転制御態様〉
本発明は、複数個の円筒型SOFCセルを配置したSOFCスタックの運転制御についても適用される。図16はその態様を説明する図で、その要点部分を示している。複数個の円筒型SOFCセルを配置したSOFCスタックの場合にも、例えばスタックのうち中央部に配置されたセルは、その周縁のセルすなわち中央部から離れたセルに比べてより高温になり易く、燃料枯れが起こることが予想される。
<Operation control mode of SOFC stack with multiple cylindrical SOFC cells>
The present invention is also applied to operation control of a SOFC stack in which a plurality of cylindrical SOFC cells are arranged. FIG. 16 is a diagram for explaining the mode, and shows the main points. Even in the case of an SOFC stack in which a plurality of cylindrical SOFC cells are arranged, for example, a cell arranged in the central part of the stack is likely to be hotter than a peripheral cell, that is, a cell away from the central part, Fuel depletion is expected.
そこで、図16(a)のように、複数個の円筒型SOFCセルを配置したSOFCスタックにおいて、そのように最も燃料枯れが起こることが予想される局所セルを利用して、前述と同様にして酸素センサA、酸素センサBを構成する。この形式のSOFCスタックも通常、複数個の円筒型SOFCセルを併置して、円筒形、立方形、直方形などの断熱容器に収容して使用される。図16(a)では、配置された中央部の一列を示し、断熱容器の記載は省略している。図16(b)は、円筒型SOFCセルの一個を取り出し、燃料及び空気の流れ方向を示した図である。 Therefore, as shown in FIG. 16 (a), in the SOFC stack in which a plurality of cylindrical SOFC cells are arranged, the local cell that is expected to cause the most fuel exhaustion is used in the same manner as described above. Oxygen sensor A and oxygen sensor B are configured. This type of SOFC stack is also generally used by accommodating a plurality of cylindrical SOFC cells in a cylindrical, cubic, rectangular or other insulating container. In Fig.16 (a), the row | line | column of the arrange | positioned center part is shown, and description of the heat insulation container is abbreviate | omitted. FIG. 16 (b) is a diagram showing the flow direction of fuel and air by taking out one cylindrical SOFC cell.
円筒型SOFCセルの場合も、前述と同様にして、燃料供給側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配し且つ温度計測用熱電対を配して酸素センサAを構成し、燃料出口側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配し且つ温度計測用熱電対を配して酸素センサBを構成する。そして、前述と同様にして当該局所セルでの燃料利用率を推定し、燃料枯れが起こらないようにSOFCスタック全体への燃料供給量を制御して、当該局所セルでの燃料枯れを防止し、SOFCスタック全体として性能低下を来すことないように運転制御する。 In the case of a cylindrical SOFC cell as well, the oxygen sensor A is configured by arranging a sensor lead wire for electromotive force measurement on the fuel supply side anode and the electrolyte surface and a thermocouple for temperature measurement. Then, the sensor lead wire for electromotive force measurement is arranged on the anode and the electrolyte surface on the fuel outlet side, and the thermocouple for temperature measurement is arranged to constitute the oxygen sensor B. Then, in the same manner as described above, the fuel utilization rate in the local cell is estimated, the fuel supply amount to the entire SOFC stack is controlled so that fuel exhaustion does not occur, and fuel exhaustion in the local cell is prevented, Operation control is performed so that the performance of the SOFC stack as a whole does not deteriorate.
〈本発明を適用する横縞型SOFCバンドルの態様〉
本発明は、横縞型SOFCバンドルの運転制御についても適用される。横縞型SOFCバンドルを構成する基本構造は、内側に燃料流路を有する多孔質支持基体の表面に複数個のSOFCセルを横縞状に配置し、隣接するセル間を電気的に直列に接続してなるもので、その基本単位自体でスタックを構成している。各セルの構造は、前述図1に示す態様で言えば図1(c)のタイプである。
<Mode of Horizontally Striped SOFC Bundle Applying the Present Invention>
The present invention is also applied to operation control of a horizontal stripe type SOFC bundle. The basic structure of the horizontal stripe SOFC bundle is that a plurality of SOFC cells are arranged in a horizontal stripe pattern on the surface of a porous support base having a fuel flow channel on the inside, and adjacent cells are electrically connected in series. The basic unit itself constitutes a stack. The structure of each cell is the type shown in FIG. 1C in the form shown in FIG.
ここで、上記多孔質支持基体の断面形状は、円形状、楕円形状、多角形状(四角形、矩形など)、その他各種あり、またその内側の燃料流路は一個とは限らず、複数個を備えるなど各種態様がある。そして、多孔質支持基体の表面はその断面形状の外面に対応した形となり、その表面に燃料流路の燃料流れ方向に沿って複数個のSOFCセルが横縞状に配置される。このため、例えば、多孔質支持基体の断面形状が円形状の場合には円筒状のセルスタックとなり、それが断面矩形状の場合は直方体状のセルスタックとなる。 Here, there are various cross-sectional shapes of the porous support substrate, such as a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape (rectangle, rectangle, etc.), and the number of fuel flow passages inside the porous support substrate is not limited to one, but includes a plurality. There are various aspects. The surface of the porous support substrate has a shape corresponding to the outer surface of the cross-sectional shape, and a plurality of SOFC cells are arranged on the surface in the form of horizontal stripes along the fuel flow direction of the fuel flow path. For this reason, for example, when the cross-sectional shape of the porous support substrate is circular, a cylindrical cell stack is formed, and when the cross-sectional shape is rectangular, a rectangular cell stack is formed.
本明細書においては、そのような基本構造を持つ単位を“横縞型SOFCセルスタック”、“横縞型セルスタック”、“SOFCセルスタック”、あるいは単に“セルスタック”と指称している。そして、横縞型セルスタックの複数個を一体化することで横縞型SOFCバンドルが構成される。 In the present specification, a unit having such a basic structure is referred to as “horizontal stripe type SOFC cell stack”, “horizontal stripe type cell stack”, “SOFC cell stack”, or simply “cell stack”. A horizontal stripe SOFC bundle is formed by integrating a plurality of horizontal stripe cell stacks.
以下、本発明に係る横縞型SOFCバンドルの運転制御について、直方体状(断面矩形状乃至扁平状)のセルスタックで構成した横縞型SOFCバンドルを例にして説明するが、他の態様の横縞型SOFCバンドルについても同様である。 Hereinafter, the operation control of the horizontal stripe type SOFC bundle according to the present invention will be described by taking a horizontal stripe type SOFC bundle composed of a rectangular parallelepiped (cross section rectangular or flat) cell stack as an example. The same applies to the bundle.
〈横縞型SOFCバンドルの運転制御態様(その一)〉
図17は横縞型SOFCバンドルの一例について各部材の配置関係等を説明する図である。図17(b)は平面図、図17(a)はその左側面図〔図17(b)を左から見た図〕、図17(c)はその右側面図〔図17(b)を右側から見た図〕である。また、図18は、図17に示すような横縞型SOFCバンドルにおける燃料の流通状態を示した図である。
<Operation control mode of horizontal stripe SOFC bundle (Part 1)>
FIG. 17 is a diagram for explaining the arrangement relationship of each member and the like for an example of a horizontally striped SOFC bundle. 17 (b) is a plan view, FIG. 17 (a) is a left side view thereof (a view of FIG. 17 (b) viewed from the left), and FIG. 17 (c) is a right side view thereof (FIG. 17 (b)). Figure viewed from the right side]. FIG. 18 is a view showing a fuel flow state in the horizontal stripe SOFC bundle as shown in FIG.
図17のとおり、複数個の横縞型SOFCセルスタック10が、燃料供給管19を中心にして上下に配置される。すなわち、横縞型SOFCセルスタック10の複数個を、各燃料流路の燃料導入側開口の位置を一端で揃え、且つ、他端の利用済み燃料排出側開口を反対側に向けて配置する。各SOFCセルスタック10を固定し、且つ、燃料を分配するマニホールド18を中心にし、マニホールド18からその上下両側に、それぞれ複数個の横縞型SOFCセルスタック10からなる各セルスタック群を配置する。マニホールド18の左右両端のうち、一方に燃料供給管19が配置され、相対する他方は塞がれている。
As shown in FIG. 17, a plurality of horizontally-striped SOFC cell stacks 10 are arranged vertically with the
各SOFCセルスタック10には複数個のセルが横縞状に配置され、隣接するセル間はインターコネクタにより電気的に直列に連結される。なお、各SOFCセルスタック10には図17(a)、図17(c)に示すように複数個のセル11が横縞状に配置されているが、図17(b)の各SOFCセルスタック10ではセル11の記載は省略している。セルスタック群を形成する各SOFCセルスタック10は、面平行に等間隔ないしほぼ等間隔に配置され、マニホールド18に固定される。図17では、SOFCセルスタック10の数が合計40個〔図17(b)のとおり上下に各20個〕の場合を示しているが、その数は適宜設定される。
In each
図18において、燃料供給管19から供給される燃料は、マニホールド18中の空間を流れながら各セルスタック10の燃料流路16に導入される。導入燃料は燃料流路16を流通しながら発電に寄与し、未利用燃料を含む利用済み燃料は、各セルスタック10の燃料流路16から排出される。図18中、燃料の流れ方向を矢印で示し、aは燃料流路16の燃料導入口、bは燃料流路16の利用済み燃料導出口である。
In FIG. 18, the fuel supplied from the
図19は、図17〜18に示す例の横縞型SOFCバンドルを斜視図として示したものである。このほか、横縞型SOFCバンドルには、マニホールド18からその一方の側だけにSOFCセルスタック群、すなわち複数個の横縞型SOFCセルスタックを配する態様など各種あるが、いずれも横縞型SOFCバンドルである。 FIG. 19 is a perspective view of the horizontal stripe SOFC bundle of the example shown in FIGS. In addition, there are various horizontal stripe SOFC bundles such as a mode in which a SOFC cell stack group, that is, a plurality of horizontal stripe SOFC cell stacks are arranged only on one side from the manifold 18, all of which are horizontal stripe SOFC bundles. .
横縞型SOFCバンドルの配置態様例として、その下面に平行に空気の分配機構が配置される。図20はその分配機構の態様例を示す図で、図19に対応して斜視図として示している。空気分配機構30は、空気供給管31、空気分配容器32を備え、また、図19に示すようなSOFCバンドルの下面の全域に対応し、その面に向けて空気を分配する複数の空気放出孔33が設けられている。
As an example of the arrangement mode of the horizontal stripe type SOFC bundle, an air distribution mechanism is arranged in parallel to the lower surface thereof. FIG. 20 is a diagram showing an example of the mode of the distribution mechanism, and is shown as a perspective view corresponding to FIG. The
図21は、図19〜20に示すような横縞型SOFCバンドル20及び空気分配機構30を断熱容器34に収容、配置した態様を示す図である。図21のとおり、横縞型SOFCバンドル20は、空気分配機構30の上部に配置され、通常、断熱容器34に収容して使用される。バンドルを構成する各セルスタックの左右両端面から未利用燃料を含む利用済み燃料が排出され、その端部面のオフガス燃焼域で利用済み空気により燃焼する。なお、燃焼排ガスは、断熱容器34に設けた排出管(図示省略)から排出される。
FIG. 21 is a diagram showing an aspect in which the horizontally striped
図22は、そのSOFCバンドル20及び空気分配機構30を含むユニットについて、その運転時における空気等の流通方向を説明する図である。図22のとおり、空気供給管31から供給され、空気放出孔33から放出される空気は、図22中矢印のように流通する。すなわち、空気は、SOFCバンドルで面平行に配置された各セルスタック10間を通りながら発電に寄与した後、各セルスタック10の左右両端に向けて流れる。また、各セルスタック10の左右両端部面からは未利用燃料を含む利用済み燃料が排出される。
FIG. 22 is a view for explaining the flow direction of air or the like during operation of the unit including the
このような横縞型SOFCバンドルは、そのセルスタック群のうち、例えば中央部に配置されたセルスタックは両側のセルスタックよりも高温になり易く、燃料枯れが起こることが予想される。図17で言えば、図17(b)中局所セルスタックとして示すセルスタックである。そこで、当該局所セルスタックに酸素センサとしての機能を持たせる。 In such a horizontal stripe type SOFC bundle, of the cell stack group, for example, the cell stack arranged at the center is likely to be hotter than the cell stacks on both sides, and fuel depletion is expected to occur. In FIG. 17, this is a cell stack shown as a local cell stack in FIG. Therefore, the local cell stack has a function as an oxygen sensor.
すなわち、横縞型SOFCバンドルにおいて、図19に示すように、そのように燃料枯れが最も起こそうな局所セルスタックに対して、前述と同様にして酸素センサA、酸素センサBを配置する。なお、より高温となり、燃料枯れが起こりそうなセルスタックは、一個とは限らず、複数個である場合もあり得るが、この場合にはそのうちの一個を適宜選定、利用して酸素センサA、酸素センサBを構成する。 That is, in the horizontally striped SOFC bundle, as shown in FIG. 19, the oxygen sensor A and the oxygen sensor B are arranged in the same manner as described above with respect to the local cell stack that is most likely to cause fuel depletion. Note that the number of cell stacks at which the temperature is higher and fuel exhaustion is likely to occur is not limited to one, and there may be a plurality of cell stacks. In this case, the oxygen sensor A, The oxygen sensor B is configured.
図23はその局所セルスタックを取り出して平面図として示した図、図24はその斜視図である。図23〜24のとおり、局所セルスタックに対して、燃料供給側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサAを構成し、また、燃料出口側のアノードと電解質面とに起電力計測用のセンサリード線を配するとともに、温度計測用熱電対を配して酸素センサBを構成する。 FIG. 23 is a plan view of the local cell stack taken out, and FIG. 24 is a perspective view thereof. As shown in FIGS. 23 to 24, with respect to the local cell stack, the sensor lead wire for electromotive force measurement is arranged on the anode and the electrolyte surface on the fuel supply side, and the thermocouple for temperature measurement is arranged to provide the oxygen sensor A. In addition, an oxygen sensor B is configured by arranging a sensor lead wire for electromotive force measurement on the anode and the electrolyte surface on the fuel outlet side, and a thermocouple for temperature measurement.
図25は、図24中A−A線断面を拡大して示した図である。図25のとおり、燃料供給側の電解質13の上面とアノード12の下面にそれぞれセンサリード線を配するとともに、熱電対を配置する。
FIG. 25 is an enlarged view of a cross section taken along line AA in FIG. As shown in FIG. 25, sensor lead wires are disposed on the upper surface of the
図25中、18は電解質13の上面に配置した面状電極であり、これにセンサリード線の先端が接続される。なお、このセンサリード線の先端は、電解質の上面に代えて、カソード14に接続してもよい。
In FIG. 25,
アノード12の下面に配置するセンサリード線の先端は、面状電極18の位置と相対するアノード12の下面の位置に接続されるが、当該アノード2の下面の位置に面状電極18と同様の面状電極を配置し、これに接続するようにしてもよい。なお、アノード12の下面からのセンサリード線の取り出しは、例えば図23に示すようにセルスタックの長手方向の横側から取り出すなど適宜選定できる。
The tip of the sensor lead arranged on the lower surface of the
また、熱電対用導線の先端は、各センサリード線の配置箇所あるいはその近辺に配置すればよいが、図23〜25では空気流路側の電解質13の上面に配置した面状電極18の側部に配置した場合を示している。センサリード線、熱電対用導線、面状電極の構成材料としてはPt、その他適宜選定して用いる。
Further, the tip of the thermocouple lead may be disposed at or near the location where each sensor lead is disposed. In FIGS. 23 to 25, the side portion of the
酸素センサAに関する以上の点は、燃料排出側に配置する酸素センサBついても同様である。そして、横縞型SOFCバンドルの作動、運転時に、酸素センサA及び酸素センサBにより、それら両箇所つまり燃料入口側と燃料出口側を流れる燃料中の酸素分圧を測定する。そして、前述と同様にして、当該局所セルスタックでの燃料利用率を推定し、燃料枯れが起こらないようにSOFCバンドル全体への燃料供給量を制御して、当該局所セルスタックでの燃料枯れを防止し、SOFCバンドル全体として性能低下を来すことなく運転制御することができる。 The above points regarding the oxygen sensor A are the same for the oxygen sensor B disposed on the fuel discharge side. Then, during the operation and operation of the horizontally striped SOFC bundle, the oxygen sensor A and the oxygen sensor B measure the partial pressure of oxygen in the fuel flowing through both of them, that is, the fuel inlet side and the fuel outlet side. Then, in the same manner as described above, the fuel utilization rate in the local cell stack is estimated, and the fuel supply amount to the entire SOFC bundle is controlled so that the fuel does not run out. Therefore, it is possible to control the operation of the SOFC bundle as a whole without causing performance degradation.
ここで、カソードへ流す空気のPo2(c)は0.20948であるが、酸素消費量分だけ酸素分圧が低下することになる。ただし、空気利用率は前述SOFCスタックの場合と同じく通常30%程度であり、酸素分圧の低下はほとんど無視できる。そして、図17〜19に例示の横縞型SOFCバンドルの場合、空気分配機構30を図21のように配置することから、カソード側の酸素分圧の低下は、燃料供給側と燃料排出側とで実質上変わらないので、前述式YまたはZの“Po2(c)”に代入するに際して、燃料排出側での空気中の酸素分圧を補正する必要はない。
Here, Po 2 (c) of the air flowing to the cathode is 0.20948, but the oxygen partial pressure is reduced by the amount of oxygen consumption. However, the air utilization rate is usually about 30% as in the case of the SOFC stack described above, and the decrease in the oxygen partial pressure is almost negligible. In the case of the horizontal stripe SOFC bundle illustrated in FIGS. 17 to 19, the
〈横縞型SOFCバンドルの運転制御態様(その二)〉
本発明は、横縞型SOFCバンドルの複数個を配置した横縞型SOFCバンドルに対しても適用される。図26はその態様を説明する図である。図26のとおり、図17〜19に示すような横縞型SOFCバンドル20は、その複数個を配置しても使用される。すなわち、横縞型SOFCバンドル20と空気分配機構30を交互に配置し、断熱容器34に収容する。各バンドルを構成する各セルスタックの左右両端面から未利用燃料を含む利用済み燃料が排出され、その各端部面のオフガス燃焼域で利用済み空気により燃焼する。
<Operation control mode of horizontal stripe SOFC bundle (Part 2)>
The present invention is also applied to a horizontal stripe SOFC bundle in which a plurality of horizontal stripe SOFC bundles are arranged. FIG. 26 is a diagram for explaining the mode. As shown in FIG. 26, horizontal stripe type SOFC bundles 20 as shown in FIGS. That is, the horizontal
その燃焼は各セルスタック左右の利用済み燃料排出端部側の領域で起こり、その輻射熱により各セルスタック10の全面、すなわち両端部面側から燃料供給側、つまりマニホールド側までの全域が加熱され、また上下の各セルスタック10も均等に加熱される。
しかし、それでも、上下に配置された各バンドルのうち特定部位、例えば中央部のバンドル、あるいは燃焼ガスの排出口を断熱容器34の上部に設けた場合には、より上方部のバンドルがより高温になり易く、さらにそのバンドルを構成するセルスタック群のうち、中央部のセルスタックがその両側のセルスタックより高温になり易く、燃料枯れが起こることが予想される。
The combustion occurs in the region on the used fuel discharge end side on the left and right of each cell stack, and the entire surface of each
However, if a specific portion of the bundles arranged above and below, for example, a central bundle or a combustion gas discharge port is provided at the upper part of the
そこで、前述〈横縞型SOFCバンドルの運転制御態様(その一)〉と同様にして、そのように燃料枯れが最も起こり易いことが予想される局所セルスタックを利用して酸素センサA、酸素センサBを構成する。これにより、前述と同様にして、その運転時に当該局所セルスタックでの燃料利用率を推定し、燃料枯れが起こらないように複数個のSOFCバンドル全体への燃料供給量を制御することにより、当該局所セルスタックでの燃料枯れを防止し、横縞型SOFCバンドルの複数個を配置した横縞型SOFCバンドル全体として性能低下を来すことなく運転制御することができる。 Therefore, in the same manner as in the above-described <Operation control mode of horizontal stripe SOFC bundle (part 1)>, oxygen sensor A and oxygen sensor B are utilized using the local cell stack that is expected to cause the most likely fuel depletion. Configure. Thus, in the same manner as described above, the fuel utilization rate in the local cell stack is estimated at the time of operation, and the fuel supply amount to a plurality of SOFC bundles is controlled so that fuel exhaustion does not occur. It is possible to prevent fuel depletion in the local cell stack and to control the operation of the entire horizontal striped SOFC bundle in which a plurality of horizontal striped SOFC bundles are arranged without causing performance degradation.
1 SOFCセル
2、12 アノード
3、13 電解質
4、14 カソード
5、15 多孔質支持基体
6、7 インターコネクタ
V1〜V3 流量調整弁
8 電解質3上面に配置した面状電極
10 横縞型SOFCセルスタック
11 横縞型SOFCセルスタック10における複数個のセル
16 セルスタック10の燃料流路
a 燃料流路16の燃料導入口
b 燃料流路16の利用済み燃料導出口
18 各横縞型SOFCセルスタック10を固定し、燃料を分配するマニホールド
19 燃料供給管
20 横縞型SOFCバンドル
30 空気分配機構
31 空気供給管
32 空気分配容器
33 複数の空気放出孔
34 断熱容器
DESCRIPTION OF
Claims (8)
(a)前記スタックを構成する各セルのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルを利用して、その燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池スタック全体への燃料供給量を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタックの運転制御方法。 An operation control method for a solid oxide fuel cell stack having a plurality of cells,
(A) Utilizing a local cell that is most likely to cause fuel depletion among the cells constituting the stack, and measuring the oxygen partial pressure based on the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side,
(B) Estimating the fuel utilization of the local cell by measuring the amount of current generated by the local cell and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) A method for controlling the operation of a solid oxide fuel cell stack, characterized in that the amount of fuel supplied to the entire solid oxide fuel cell stack is controlled so that fuel exhaustion does not occur in a local cell.
(a)前記複数個のスタックにおける各セルのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルを利用して、その燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池スタック全体への燃料供給量を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタックの運転制御方法。 An operation control method for a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cell stacks having a plurality of flat plate cells are arranged,
(A) Utilizing a local cell that is most likely to be depleted of fuel in each of the plurality of stacks, and measuring an oxygen partial pressure based on the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side ,
(B) Estimating the fuel utilization of the local cell by measuring the amount of current generated by the local cell and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) A method for controlling the operation of a solid oxide fuel cell stack, characterized in that the amount of fuel supplied to the entire solid oxide fuel cell stack is controlled so that fuel exhaustion does not occur in a local cell.
(a)前記複数個のセルスタックのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルスタックを利用して、燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルスタックの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルスタックの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルスタックで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池バンドル全体への燃料供給量を制御することを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルの運転制御方法。 An operation control method for a solid oxide fuel cell bundle composed of a plurality of horizontal stripe solid oxide fuel cell stacks,
(A) using the local cell stack that is most likely to cause fuel depletion among the plurality of cell stacks, and measuring the oxygen partial pressure based on the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side;
(B) Estimating the fuel utilization rate of the local cell stack by measuring the amount of current generated by the local cell stack and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) A method for controlling the operation of a horizontally-striped solid oxide fuel cell bundle, wherein the amount of fuel supplied to the entire solid oxide fuel cell bundle is controlled so that fuel exhaustion does not occur in the local cell stack.
(a)前記複数個のバンドルにおける各セルスタックのうち最も燃料枯れが起こりそうな局所セルスタックを利用して、燃料供給側と燃料出口側の起電力と温度を基に酸素分圧を測定するとともに、
(b)局所セルスタックの発電電流量と原燃料の改質用に導入する水蒸気量を測定することにより、局所セルスタックの燃料利用率を推定し、
(c)局所セルスタックで燃料枯れが起こらないように固体酸化物形燃料電池バンドル全体への燃料供給量を制御することを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池バンドルの運転制御方法。 An operation control method for a solid oxide fuel cell bundle in which a plurality of solid oxide fuel cell bundles composed of a plurality of horizontal stripe solid oxide fuel cell stacks are arranged,
(A) The oxygen partial pressure is measured on the basis of the electromotive force and temperature on the fuel supply side and the fuel outlet side using the local cell stack that is most likely to cause fuel depletion among the cell stacks in the plurality of bundles. With
(B) Estimating the fuel utilization rate of the local cell stack by measuring the amount of current generated by the local cell stack and the amount of water vapor introduced for reforming the raw fuel,
(C) A method for controlling the operation of a horizontally-striped solid oxide fuel cell bundle, wherein the amount of fuel supplied to the entire solid oxide fuel cell bundle is controlled so that fuel exhaustion does not occur in the local cell stack.
In the measurement of the oxygen partial pressure of (a), for the local cell stack, a sensor lead wire for electromotive force measurement is arranged on the anode and electrolyte surface on the fuel supply side, and a thermocouple for temperature measurement is arranged. The oxygen sensor A is configured, and a sensor lead wire for electromotive force measurement is arranged on the anode and the electrolyte surface on the fuel outlet side, and a thermocouple for temperature measurement is arranged to constitute the oxygen sensor B. The operation control method of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell bundle according to claim 6 or 7,
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