JP5316826B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(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固体酸化物型燃料電池(SOFC)1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、燃料を改質する改質器20が配置され、前記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、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制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、固体酸化物型燃料電池1は、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。
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、固体酸化物型燃料電池(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。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
図9は改質器20の斜視図であり、図10は、天板を取り除いて改質器20の内部を示した斜視図である。図11は、改質器20内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
図12は、本実施形態による固体酸化物型燃料電池1における制御のフローチャートである。図13は、図12のフローチャートによる制御結果の一例を示すタイムチャートである。
また、上述した本発明の実施形態においては、発電電流が3A以下の場合には、突沸対応制御が行われないように構成されていた(図12のステップS1)が、変形例として、発電電流又は発電電力に応じて、燃料電池モジュール2から取り出される電力の制限を変更することもできる。例えば、燃料電池モジュール2による発電電力が大きい状態においては、発電電力が小さい状態よりも、燃料電池モジュール2から取り出す電力を大幅に制限する(取り出し電力を小さくする)ように本発明を構成することもできる。
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 密封空間
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(固体酸化物型燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
20a 蒸発部
20b 改質部
20c 通気口
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(水供給手段)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用酸化剤ガス供給手段)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
60 純水導入管
62 被改質ガス導入管
64 燃料ガス供給管
66 マニホールド(分散室)
76 空気導入管
76a 吹出口
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部(制御手段)
110a 突沸判定手段
110b 取出電力制限手段
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ(出力電圧検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出手段)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
140 排気温度センサ
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ(温度検出手段)
150 外気温度センサ
Claims (6)
- 供給された燃料に水蒸気を加えて改質し、改質された燃料により電力を生成する固体酸化物型燃料電池であって、
燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールと、
燃料を供給するための燃料供給手段と、
この燃料供給手段から供給された燃料に水蒸気を加えて改質することにより水素を多く含む改質ガスを生成し、それを上記燃料電池セルスタックに供給する改質器と、
この改質器の上流側に設けられ、内部で蒸発された水蒸気を上記改質器に供給する蒸発室と、
この蒸発室に水を供給する水供給手段と、
上記燃料供給手段、及び上記水供給手段を制御すると共に、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記蒸発室内における、所定量以上の水の蒸発の発生を判定する突沸判定手段と、この突沸判定手段により突沸が判定された場合において、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を制限する取出電力制限手段と、を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 - さらに、上記改質器において改質された燃料を蓄積すると共に、蓄積された燃料を、上記燃料電池セルスタックを構成する各燃料電池セルユニットに分散させて供給する分散室と、上記改質器に送り込まれる燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、を有し、上記突沸判定手段は、上記燃料供給量検出手段により検出された燃料供給量が目標燃料供給量に対して所定量以上低下した状態が、所定時間以上継続した場合において、突沸が発生したと判定する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。
- さらに、上記燃料電池モジュールの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を有し、上記突沸判定手段は、上記出力電圧検出手段により検出された出力電圧が目標出力電圧に対して所定量以上低下した場合においても、突沸が発生したと判定する請求項2記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記取出電力制限手段は、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を制限した場合においても、上記燃料電池モジュールからの所定量以上の電力取り出しを維持する請求項3記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記取出電力制限手段は、上記燃料電池モジュールによる発電電力が大きい状態においては、発電電力が小さい状態よりも、上記燃料電池モジュールから取り出す電力を小さくする請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記取出電力制限手段は、上記燃料電池モジュールによる発電電力が所定量以下の場合には、上記燃料電池モジュールから取り出す電力の制限を行わない請求項5記載の固体酸化物型燃料電池。
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