JP5344565B2 - Power generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の発電体を用いて発電を行う発電装置に関するものである。 The present invention relates to a power generation apparatus that generates power using, for example, a power generation body of a solid oxide fuel cell (SOFC).
従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の固体電解質を用い、この固体電解質膜を燃料極と空気極とで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池(以下、SOFCという)が知られている。 Conventionally, there has been known a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) in which a ceramic solid electrolyte is used as an electrolyte of a fuel cell and a cell is formed by sandwiching the solid electrolyte membrane between a fuel electrode and an air electrode from both sides. It has been.
このSOFCにおいては、以下に示すようなメリットがある。
まず、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ出力密度が高く、発電効率が高い。また、燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が800〜1000℃程度と高いため、反応にPt(白金)のように高価な触媒を利用せずに済む。
This SOFC has the following merits.
First, the power density is higher and the power generation efficiency is higher than solid polymer fuel cells such as direct methanol fuel cells. In addition to hydrogen gas, all hydrocarbons such as carbon monoxide and methane can be used as they are as fuel gas. Furthermore, since the operating temperature is as high as about 800 to 1000 ° C., it is not necessary to use an expensive catalyst such as Pt (platinum) for the reaction.
ところで、SOFCの燃料としては、燃料供給の容易さから天然ガス等のHCガス燃料をそのまま利用する構成が主流である。
しかしながら、HCガス燃料は密度が低いため、高密度状態での可搬性が悪い。これに伴い、HCガス燃料を貯蔵する燃料タンクの容積を大きく確保しなければならないという問題がある。さらに、HCガス燃料の供給インフラが充分に整っていないという問題がある。
By the way, as the fuel of SOFC, the structure which uses HC gas fuels, such as natural gas, as it is, is mainstream from the ease of fuel supply.
However, since the density of HC gas fuel is low, the portability in a high density state is poor. Along with this, there is a problem that a large volume of the fuel tank for storing HC gas fuel must be secured. Furthermore, there is a problem that the infrastructure for supplying HC gas fuel is not sufficiently prepared.
そこで、SOFCの燃料として、HCガス燃料に比べて密度が高く、供給インフラも整っているガソリン、ディーゼル燃料等の炭化水素系液体燃料(HC液体燃料)を用いるような構成が知られている。
このような構成としては、HC液体燃料中に窒素や二酸化炭素を供給(バブリング)し、これら窒素や二酸化炭素とともに蒸発するHCガス燃料を取り出し、SOFCに供給する構成(第1従来技術)が知られている。また、例えば特許文献1に示すように、インジェクターから噴霧されたHC液体燃料を気相気化させる燃料気化器と、HC液体燃料から水素を含む燃料ガスを生成する改質器とを備え、燃料ガス化したHCガス燃料をSOFCへ供給するような構成(第2従来技術)が知られている。
Therefore, a configuration is known in which a hydrocarbon-based liquid fuel (HC liquid fuel) such as gasoline or diesel fuel, which has a higher density than HC gas fuel and has a sufficient supply infrastructure, is used as SOFC fuel.
As such a configuration, there is known a configuration (first prior art) in which nitrogen or carbon dioxide is supplied (bubbled) into the HC liquid fuel, HC gas fuel evaporated together with the nitrogen and carbon dioxide is taken out, and supplied to the SOFC. It has been. Further, for example, as shown in Patent Document 1, a fuel vaporizer that vaporizes HC liquid fuel sprayed from an injector, and a reformer that generates a fuel gas containing hydrogen from the HC liquid fuel are provided. A configuration (second prior art) is known in which the liquefied HC gas fuel is supplied to the SOFC.
しかしながら、上述のHC液体燃料を用いるSOFCの構成にあっては、以下に示すような問題がある。
前者(第1従来技術)の場合では、SOFCに供給される燃料ガスは、HC液体燃料から蒸発したHCガス燃料と窒素、二酸化炭素等との混合ガスであるため、SOFCに供給されるHCガス燃料が希薄であり、SOFCの出力が低くなるという問題がある。
また、後者(第2従来技術)の場合では、改質器自体の値段が高く、コスト増を招く原因となる。
However, the SOFC configuration using the above-described HC liquid fuel has the following problems.
In the former case (first prior art), the fuel gas supplied to the SOFC is a mixed gas of HC gas fuel evaporated from the HC liquid fuel and nitrogen, carbon dioxide, etc., so the HC gas supplied to the SOFC There is a problem that the fuel is lean and the output of SOFC is low.
In the latter case (second prior art), the price of the reformer itself is high, which causes an increase in cost.
さらに、これら従来技術にあっては、HCガス燃料を燃料ガス化した状態で、600℃〜900℃程度の電極に移動させる。ところが、HCガス燃料の流速は遅いため、移動中に600℃程度の炭素析出温度領域に滞在する時間が長くなり、HCガス燃料が炭化してHCガス燃料の供給配管や電極に炭素が析出する。炭素が供給配管に析出すると、供給配管が目詰まりする一方、SOFCの電極に析出すると、触媒の活性が失われてSOFCが劣化したりする虞がある。 Furthermore, in these prior arts, the HC gas fuel is moved to an electrode of about 600 ° C. to 900 ° C. in a state of being converted into fuel gas. However, since the flow rate of the HC gas fuel is slow, the time during which the HC gas fuel stays in the carbon deposition temperature range of about 600 ° C. is increased, and the HC gas fuel is carbonized to deposit carbon on the supply pipes and electrodes of the HC gas fuel. . When carbon is deposited on the supply pipe, the supply pipe is clogged, while when the carbon is deposited on the SOFC electrode, the activity of the catalyst is lost and the SOFC may be deteriorated.
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、低コストで高効率高出力な固体酸化物型燃料電池の発電装置を提供するものである。また、液体燃料を使用することが可能であり、発電体の電極等における燃料ガスの炭化による炭素の析出を抑えることが可能な固体酸化物型燃料電池の発電装置を提供するものである。さらに、析出した炭素を燃料とすることが可能で、析出炭素を消費した後は再び液体燃料で発電することができる固体酸化物型燃料電池の発電装置を提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a power generation apparatus for a solid oxide fuel cell that is low in cost and high in efficiency and high in output. It is another object of the present invention to provide a power generator for a solid oxide fuel cell that can use liquid fuel and can suppress carbon deposition due to carbonization of fuel gas at an electrode of a power generator. Furthermore, the present invention provides a power generator for a solid oxide fuel cell that can use precipitated carbon as a fuel, and can generate power again with liquid fuel after the deposited carbon is consumed.
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、固体酸化物型燃料電池の発電体(例えば、実施形態における発電体10)の一方の電極(例えば、実施形態における空気極8)に酸化剤ガス(例えば、実施形態における酸化剤ガス)を供給し、該一方の電極において前記酸化剤ガスを反応させる第1反応室(例えば、実施形態における反応室42)と、前記発電体の他方の電極(例えば、実施形態における燃料極7)に燃料ガスを供給し、該他方の電極において前記燃料ガスを反応させる第2反応室(例えば、実施形態における反応室22)と、前記第1反応室及び前記第2反応室を、温度制御可能な加熱炉(例えば、実施形態における加熱炉11)内に設け、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとが前記発電体で反応する際に発電される発電装置(例えば、実施形態における発電装置1)であって、前記第2反応室に、前記他方の電極に向けて液体燃料を噴射するインジェクター(例えば、実施形態におけるインジェクター55)を接続し、該インジェクターから噴射される前記液体燃料を前記加熱炉の温度制御により燃料ガス化させるガス化区間(例えば、実施形態におけるガス化区間L3)を、前記第2反応室に設定したことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is directed to one electrode (for example, the
請求項2に記載した発明は、前記インジェクターは、前記液体燃料をパルス噴射することを特徴とする。 The invention described in claim 2 is characterized in that the injector pulse-injects the liquid fuel.
請求項3に記載した発明は、前記燃料ガスは、水蒸気を含まないドライ炭化水素燃料であり、前記燃料ガスのうち、固体炭素以外の成分を燃料源として、前記酸化剤ガスと反応させることにより発電を行う燃料ガス消費モード(例えば、実施形態におけるDOモード)を有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the fuel gas is a dry hydrocarbon fuel that does not contain water vapor. By reacting the fuel gas with a component other than solid carbon as a fuel source, the fuel gas is reacted with the oxidant gas. It has the fuel gas consumption mode (for example, DO mode in embodiment) which performs electric power generation, It is characterized by the above-mentioned.
請求項4に記載した発明は、前記燃料ガスは、固体炭素を含む燃料ガスとし、前記燃料ガスの炭化により前記第2反応室内に析出した固体炭素を燃料源として消費するべく、前記第2反応室内を閉塞した状態で、前記加熱炉の温度を所定温度に制御する析出炭素消費モードを有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, the fuel gas is a fuel gas containing solid carbon, and the second reaction is performed in order to consume the solid carbon deposited in the second reaction chamber by carbonization of the fuel gas as a fuel source. It has a precipitated carbon consumption mode in which the temperature of the heating furnace is controlled to a predetermined temperature while the room is closed.
請求項5に記載した発明は、前記燃料ガスは、固体炭素を含む燃料ガスとし、前記燃料ガスの炭化により前記第2反応室内に、固体炭素が所定値以上析出したか否かを判断するための炭素析出判断手段(例えば、実施形態における電圧計)と、前記炭素析出判断手段の判断結果に基づいて、発電モードの切替制御を行う制御部(例えば、実施形態における制御盤)とを備え、前記制御部は、前記炭素析出判断手段により固体炭素の析出量が所定値未満と判断された場合に、前記燃料ガスのうち、固体炭素以外の成分を燃料源として発電を行う燃料ガス消費モードと、固体炭素の析出量が所定値以上と判断された場合に、前記第2反応室内に析出した固体炭素を燃料源として発電を行う析出炭素消費モードとを切り替えることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, the fuel gas is a fuel gas containing solid carbon, and it is determined whether or not the solid carbon is precipitated in the second reaction chamber by a carbonization of the fuel gas. A carbon deposition determination means (for example, a voltmeter in the embodiment) and a control unit (for example, a control panel in the embodiment) that performs switching control of the power generation mode based on the determination result of the carbon deposition determination means, The control unit includes a fuel gas consumption mode in which power generation is performed using a component other than solid carbon as a fuel source in the fuel gas when the carbon deposition determination unit determines that the amount of solid carbon deposited is less than a predetermined value. When the amount of solid carbon deposited is determined to be equal to or greater than a predetermined value, the mode is switched to a deposited carbon consumption mode in which power generation is performed using solid carbon deposited in the second reaction chamber as a fuel source.
請求項1に記載した発明によれば、インジェクターから噴霧される液体燃料を燃料ガス化させるガス化区間を、第2反応室内に設定することで、このガス化区間に到達するまでの領域では、液体燃料の状態(例えば、液柱状態や液滴状態)で燃料を移動させることができる。これにより、燃料を発電体まで到達させる際の物質移動を容易に行うことができる。さらに、液体燃料はガス燃料に比べ密度が高く運動量の拡散が少ないため、発電体の近傍で燃料を燃料ガス化させることで、発電体に高濃度なガス燃料を供給することができる。したがって、高出力な固体型酸化物燃料電池の発電装置を提供することができる。
しかも、液体燃料が燃料ガス化して発電体に到達するまでの時間、つまりガス燃料として滞在する滞在時間を短縮することが可能なため、ガス燃料の炭化による固体炭素の析出を抑えることができる。
According to the invention described in claim 1, by setting the gasification section for fuel gasifying the liquid fuel sprayed from the injector in the second reaction chamber, in the area until reaching the gasification section, The fuel can be moved in a liquid fuel state (for example, a liquid column state or a droplet state). Thereby, the mass transfer when the fuel reaches the power generation body can be easily performed. Furthermore, since liquid fuel has a higher density and less momentum diffusion than gas fuel, high-concentration gas fuel can be supplied to the power generation body by converting the fuel into fuel gas in the vicinity of the power generation body. Therefore, it is possible to provide a power generator for a solid oxide fuel cell with high output.
In addition, since it is possible to shorten the time until the liquid fuel is converted into fuel gas and reaches the power generator, that is, the staying time as the gas fuel, it is possible to suppress solid carbon deposition due to carbonization of the gas fuel.
請求項2に記載した発明によれば、パルス噴射により所定間隔毎に液体燃料を噴霧することで、第2反応室内の燃料ガス濃度、温度等のパラメータに応じて液体燃料の噴射量や噴射時間を容易に調整することができるため、液体燃料を連続的に噴霧する場合に比べて、未反応の燃料ガスの残存を抑制して発電効率を向上させることができる。 According to the invention described in claim 2, by spraying the liquid fuel at predetermined intervals by pulse injection, the injection amount and the injection time of the liquid fuel according to parameters such as the fuel gas concentration and temperature in the second reaction chamber. Therefore, compared with the case where liquid fuel is continuously sprayed, the remaining unreacted fuel gas can be suppressed and the power generation efficiency can be improved.
請求項3に記載した発明によれば、第2反応室にドライ炭化水素燃料を供給することで、従来のように改質器を用いて改質を行う構成に比べて、低コストな発電装置を提供することができる。 According to the third aspect of the present invention, the dry hydrocarbon fuel is supplied to the second reaction chamber, thereby reducing the cost of the power generation device as compared with the conventional configuration in which reforming is performed using the reformer. Can be provided.
請求項4に記載した発明によれば、仮に第2反応室内において燃料ガスから固体炭素が析出した場合であっても、燃料ガス経路を封鎖して第2反応室内を密閉状態にすることで、析出した固体炭素が酸化する際に発電を行うことができる。これに伴って、析出した固体炭素を除去することが可能になる。つまり、万が一第2反応室内に固体炭素が析出した場合であっても、この固体炭素をエネルギー源として利用しつつ除去することができる。 According to the invention described in claim 4, even if solid carbon is deposited from the fuel gas in the second reaction chamber, by closing the fuel gas path and sealing the second reaction chamber, Power generation can be performed when the precipitated solid carbon is oxidized. Along with this, the precipitated solid carbon can be removed. That is, even if the solid carbon is precipitated in the unlikely event the second reaction chamber can be removed while using the solid carbon as an energy source.
請求項5に記載した発明によれば、制御部によって発電モードの切替運転を行うことで、燃料ガス消費モードでは燃料分解ガス中に含まれる固体炭素以外のH2,CO,CH4等の成分を、析出炭素消費モードでは第2反応室内に析出された固体炭素をそれぞれ燃料源として発電を行うことができる。したがって、未反応の燃料ガスの残存を抑制して、効率的に、かつ連続的に発電を行うことができるため、発電効率を向上させることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, components such as H 2 , CO, and CH 4 other than solid carbon contained in the fuel decomposition gas in the fuel gas consumption mode are obtained by performing the operation for switching the power generation mode by the control unit. In the precipitated carbon consumption mode, power generation can be performed using solid carbon deposited in the second reaction chamber as a fuel source. Therefore, it is possible to generate power efficiently and continuously while suppressing the remaining of unreacted fuel gas, so that power generation efficiency can be improved.
(発電装置)
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は発電装置の概略構成図である。
図1に示すように、発電装置1は、SOFCの発電体10を用いて発電を行うものであって、加熱炉11を備えている。
加熱炉11内には、加熱炉11内の温度制御を行うためのヒーター(不図示)が設けられている。このヒーターとしては、燃料を燃焼させて熱を得るボイラーや、電気ヒーター等が好適に用いられる。なお、電気ヒーターを用いる場合には、発電装置1で発電した電気をそのまま用いることも可能である。本実施形態では、加熱炉11内の中央部に例えば800℃〜900℃程度の均熱帯を形成することが可能である。
(Power generation device)
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generator.
As shown in FIG. 1, the power generation apparatus 1 generates power using a SOFC
A heater (not shown) for controlling the temperature in the
加熱炉11内には、加熱炉11の上側(図1中上側)に配置され酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通系40と、加熱炉11の下側(図1中下側)に配置され燃料ガスが流通する燃料ガス流通系20と、酸化剤ガス流通系40と燃料ガス流通系20との間に挟みこまれた発電体10とが設けられている。
In the
発電体10は、円板形状のものであり、YSZ(Yttria Stabilized Zirconia)等からなる固体電解質膜9と、この固体電解質膜9を表裏面から挟むように空気極8と、燃料極7とを備えている。なお、空気極8の形成材料としては、例えばガドリニウム系の材料とYSZとの焼結体が用いられる。一方、燃料極7の形成材料としては、例えばニッケルとYSZとの焼結体が用いられる。
The
酸化剤ガス流通系40は、発電体10に向けて酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路41と、発電体10の空気極8において酸化剤ガスを反応させる第1反応室42と、第1反応室42内から酸化剤ガスの排ガスを排出する酸化剤ガス排出路43とが連通可能に構成されている。
酸化剤ガス供給路41は、耐熱性、低熱伝導率、透明等を有する構成材料として、例えば石英ガラス等からなる管状のものであり、加熱炉11の一端側の端面から加熱炉11内に挿通され、加熱炉11内を長手方向に沿って延在している。酸化剤ガス供給路41の一端側(上流側)には、加熱炉11の外側でエアポンプ44に接続されており、このエアポンプ44からから酸素や空気等の酸化剤ガスが供給されるようになっている。
The oxidant
The oxidant
また、加熱炉11内において、酸化剤ガス供給路41には、熱交換器(H_Ex)45が接続されている。この熱交換器45は、エアポンプ44から供給されて酸化剤ガス供給路41を流通する酸化剤ガスと、第1反応室42において発電に供された酸化剤ガスの排ガスとの間で熱交換を行い、酸化剤ガスの温度を制御(昇温)するためのものである。さらに、酸化剤ガス供給路41における熱交換器45よりも下流側には、酸化剤ガス供給路41内を封鎖可能な供給側バルブ(Va_in)46が設けられている。
In the
そして、酸化剤ガス供給路41の他端側(下流側)には、加熱炉11の中央部の均熱帯において、石英ガラス等からなる第1反応室42が接続されている。この第1反応室42は、下方に向けて開口する有底筒状のものであり、その軸方向と加熱炉11の高さ方向(図1中上下方向)とが一致した状態で配置されている。
A
酸化剤ガス排出路43は、酸化剤ガス供給路41と同様に石英ガラス等からなる管状のものであり、第1反応室42を間に挟んで酸化剤ガス供給路41の反対側に接続され、第1反応室42内で発電に供された酸化剤ガスの排ガスが流通するようになっている。酸化剤ガス排出路43には、酸化剤ガス排出路43内を封鎖可能な排出側バルブ(Va_out)47が設けられている。すなわち、この排出側バルブ47と上述した供給側バルブ46とを閉塞することで、第1反応室42内が封鎖されるようになっている。そして、酸化剤ガス排出路43の他端側(下流側)には、熱交換器45へ供給する排ガスの温度を昇温するための高温空気燃焼器48が接続されている。
The oxidant
そして、高温空気燃焼器48には、加熱炉11の上部から加熱炉11外に引き出され、酸化剤ガス及び燃料ガスの排ガスが流通する排ガス排出路50が接続されている。排ガス排出路50には、排ガスの流路を切替可能な2方弁(V_HEx)51が接続されており、2方弁51の切替制御を行うことにより、第1反応室42内に供給される酸化剤ガスの温度を調整できるようになっている。すなわち、酸化剤ガスの昇温が必要な場合には、排ガスを熱交換器45に流通させた後に外部に排出する一方、酸化剤ガスの昇温の必要がない場合には、排ガス排出路50から排ガスを直接外部に排出するようになっている。
The high-
一方、燃料ガス流通系20は、発電体10に向けて燃料ガスが供給され、発電体10(燃料極7)において燃料ガスを反応させる第2反応室22と、第2反応室22内から燃料ガスの排ガス(例えば、二酸化炭素、水、未反応の燃料ガス等)を排出する燃料ガス排出路23とが連通可能に構成されている。
On the other hand, the fuel
第2反応室22は、石英ガラス等からなる有底筒状のものであり、一端側(下側)に形成された小径部22aと、他端側(上側)に形成され、小径部22aよりも内径が拡大した大径部22bとを有し、上方に向けて開口している。第2反応室22は、その軸方向と加熱炉11の高さ方向とが一致した状態で配置されている。具体的には、第2反応室22の小径部22aにおける一端側(底部側)は、加熱炉11の下部から外部に突出し、他端側は加熱炉11内を望むように保持されている。これにより、第2反応室22内において、第2反応室22の底部側から開口側にかけて第2反応室22の軸方向に沿って徐々に高温になるような温度勾配が形成される。また、第2反応室22内には、第2反応室22内の温度及び圧力を検出するための温度制御器52及び圧力制御器53が設けられている。そして、各反応室22,42により発電体10を覆う空間が、本実施形態の発電部54を構成している。なお、発電装置1は、発電された電圧を検出する電圧計(炭素析出判断手段)や、電圧を印加して電流を流すモータ等の負荷(不図示)も有している。
The
燃料ガス排出路23は、石英ガラス等からなる管状のものであり、第2反応室22内で発電に供された燃料ガスの排ガスが流通するようになっている。燃料ガス排出路23は、その一端が第2反応室22に接続され、他端側(下流側)が上述した高温空気燃焼器48を介して排ガス排出路50に接続されている。すなわち、燃料ガスの排ガスは、高温空気燃焼器48で酸化剤ガスの排ガスと合流し、排ガス中に含まれる未反応の燃料ガスが燃焼して酸化剤ガスの排ガスを昇温するようになっている。また、燃料ガス流通系20における燃料ガス排出路23には、反応室22と高温空気燃焼器48との間に燃料ガス流通系20内(第2反応室22から燃料ガス排出路23内に至るまで)を封鎖可能な燃料側バルブ27(Vf)が設けられている。
The fuel
ここで、第2反応室22の底部には、インジェクター55が連結されている。このインジェクター55は、第2反応室22の底部側から発電体10に向けて液体燃料を噴霧するものであり、第2反応室22の底部に接続され、その一端(噴霧側)が第2反応室22の底部から第2反応室22内を望むようにして保持されている。つまり、インジェクター55は、小径部22aにおける加熱炉11から突出した部分に接続されており、加熱炉11の外部で保持されている。そして、インジェクター55は、加熱炉11の下方から上方に向けて加熱炉11の高さ方向に沿って液体燃料を噴霧するように構成されている。
Here, an
インジェクター55の他端は、液体燃料供給路56を介して燃料タンク57に接続されている。この燃料タンク57内には、アルコール、ガソリン、ディーゼル燃料等のHC液体燃料が充填されている。また、インジェクター55には、図示しない制御盤から出力される信号に基づいて、インジェクター55からの液体燃料の噴霧量、噴霧間隔等を調整するためのインジェクター制御器(INJ制御器)58が接続されている。
The other end of the
また、第2反応室22には、加熱炉11の外部において、イナートガスを供給するためのイナートガス供給路30がイナートガスバルブ(Vn)31を介して接続されている。イナートガス供給路30の上流側には、イナートガスの供給源(不図示)が接続され、第2反応室22内に向けて窒素(N2)等のイナートガスが供給されるようになっている。
なお、発電装置1は、各バルブ27,31,46,47の開閉制御や、2方弁51の切替制御、加熱炉11内の温度制御、圧力制御、インジェクター55から噴霧量、噴霧間隔等の制御等を行う図示しない制御盤を備えている。
In addition, an inert
In addition, the electric power generating apparatus 1 controls the opening / closing control of each
(発電方法)
次に、上述した発電装置を用いた発電方法について説明する。ここで、本実施形態の発電装置では、燃料分解ガスに含まれる固体炭素以外のH2,CO,CH4等の成分を燃料源として発電を行うDO(ダイレクト・オキシデーション)モード(燃料ガス消費モード)と、第2反応室22内に析出される固体炭素を燃料源として発電を行うDC(ダイレクト・カーボン)モード(析出炭素消費モード)と、の2つの発電モードを備えている。
(Power generation method)
Next, a power generation method using the above-described power generation apparatus will be described. Here, in the power generation apparatus of this embodiment, DO (direct oxidation) mode (fuel gas consumption) in which power generation is performed using components such as H 2 , CO, and CH 4 other than solid carbon contained in the fuel cracked gas as a fuel source. Mode) and a DC (direct carbon) mode (deposited carbon consumption mode) in which power is generated using solid carbon deposited in the
(起動準備から発電開始まで)
図2は、起動準備から発電開始までの各バルブ、ヒーター、エアポンプ、インジェクター、熱交換器等(以下、各種機器という)の動作タイミングの関係を示すタイミングチャートである。
まず、図2に示すように、時間T1において、発電装置1を作動させて第2反応室22内をN2置換する(置換工程)。具体的には、イナートガスバルブ31を開放するとともに(時間T2)、燃料側バルブ27を開放し(時間T3)、イナートガスの供給源から第2反応室22内に向けてイナートガスを供給する。そして、制御盤は、所定時間経過後または第2反応室22内の酸素濃度が所定値以下になったと判断した場合に、各バルブ31,27を閉塞し(時間T4,5)、供給源からイナートガスの供給を停止する。これにより、第2反応室22内のN2置換が完了する。
(From start-up preparation to power generation start)
FIG. 2 is a timing chart showing the relationship of operation timings of valves, heaters, air pumps, injectors, heat exchangers and the like (hereinafter referred to as various devices) from preparation for starting up to the start of power generation.
First, as shown in FIG. 2, at time T1, the power generator 1 is operated to replace the inside of the
次に、時間T6において、制御盤から加熱炉11のヒーターに向けて昇温信号を出力し、ヒーターを作動させて加熱炉11内を昇温する(昇温工程)。そして、加熱炉11の中央部には所定の指示温度:Tx(約600℃〜800℃程度)の均熱帯を形成するとともに、均熱帯から加熱炉11の外側に向かうにつれ、温度が低下するような温度勾配が生じる。なお、制御盤は、後述する熱自立に至るまで、加熱炉11内の温度がTxに保たれるようにフィードバック制御を行う(図2中破線領域A)。
Next, at time T6, a temperature raising signal is output from the control panel to the heater of the
(DOモード発電時)
次に、加熱炉11内の温度がTxに到達したら、DOモード発電を開始する。具体的には、制御盤は、エアポンプ44を作動させ、第1反応室42内に向けて酸化剤ガスを供給させる(時間T7)。また、供給側バルブ46及び排出側バルブ47を開放し(時間T8,9)、排ガスが熱交換器45に向けて流れるように2方弁51を切り替える(時間T10)。なお、酸化剤ガスの供給圧は、大気圧より若干高く設定することが好ましい。
そして、時間T11において、燃料タンク57からインジェクター55を介して、第1反応室22内に向けて連続的に液体燃料を噴霧し始める。
(During DO mode power generation)
Next, when the temperature in the
At time T <b> 11, the liquid fuel starts to be sprayed continuously from the
ここで、エアポンプ44から送出される酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路41を通って第1反応室42に供給される。
一方、インジェクター55に供給された液体燃料は、第2反応室22の底部側から発電体10に向けて、つまり加熱炉11の下方から上方に向けて垂直に噴霧される。
Here, the oxidant gas delivered from the
On the other hand, the liquid fuel supplied to the
図6は、本発明の第1実施形態における発電装置の要部拡大断面図である。
そして、図6に示すように、インジェクター55から噴霧された液体燃料は、加熱炉11の高さ方向(第2反応室22の軸方向)に沿って生じる温度勾配等により蒸発し、炭化水素ガス燃料(HCガス燃料)に燃料ガス化されて発電体10に到達する。具体的には、インジェクター55から噴霧される液体燃料は、まず液柱の状態で噴霧される。すなわち、インジェクター55の噴霧孔(不図示)近傍、例えば反応室22の小径部22a側において加熱炉11の外部に突出している領域を、液柱区間L1として設定し、この液柱区間L1では液体燃料を液柱の状態で移動させる。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part of the power generation device according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the liquid fuel sprayed from the
ところで、第2反応室22の中途部、例えば小径部22aが加熱炉11内に挿入されている領域(図6中液滴区間L2)では、第2反応室22における液柱区間L1に比べ、第2反応室22内の温度が高い。これにより、液柱状態で液滴区間L2に差し掛かった液体燃料は液柱状態から無数の液滴に分裂し、一部は蒸発する。
さらに、第2反応室22の大径部22b、例えば加熱炉11の中央部における均熱帯の領域(ガス化区間L3)では、第2反応室22内の温度が液滴区間L2よりさらに高い。これにより、液滴状態でガス化区間L3に差し掛かった液体燃料は、発電体10の近傍から発電体10の燃料極7に到達する間で、全部が蒸発し燃料ガス化されて燃料ガスとなる。本実施形態では、第2反応室22に液体燃料のみを供給しているため、液体燃料が燃料ガス化されることで、燃料ガスの成分中には水蒸気を含んでおらず、ドライ炭化水素のガス燃料となる。なお、上述した液柱区間L1、液滴区間L2、ガス化区間L3の調整は、反応室22内の温度勾配の他に、反応室22内の気体の温度、圧力、液体燃料の温度、粘性、インジェクター55の噴孔径、噴霧圧力、気液表面張力等のパラメータを調整することにより適宜変更可能である。
By the way, in the middle part of the
Furthermore, in the large-
そして、第1反応室42に供給された酸化剤ガスは、第1反応室42の空気極8において触媒反応により酸素イオンとなる。すると、空気極8で発生した酸素イオンが、固体電解質膜9を透過して第2反応室22の燃料極7まで移動する。
一方、インジェクター55から噴霧された燃料は、上述したように液柱区間L1、液滴区間L2、ガス化区間L3を経て、燃料ガス化されて発電体10の燃料極7に到達する。そして、燃料極7に到達した燃料ガスと、燃料極7まで移動した酸素イオンとが、燃料極7で反応する際に、電子を放出することで発電が行われる(H2+O2−→H2O+2e−)。
The oxidant gas supplied to the
On the other hand, the fuel sprayed from the
第2反応室22内では、液体燃料が供給されたり、また液体燃料が気化して体積膨張したりすることで、第2反応室22内の圧力が上昇する。そこで、制御盤は、発電時において第2反応室22内の圧力が所定圧力Px付近で維持されるように、燃料側バルブ27の開閉をフィードバック制御(図2中破線領域B)するようになっている(時間T12)。具体的には、圧力制御器53で検出された圧力Pfが、所定圧力Pxより大きい場合(Pf>Px)、燃料側バルブ27を開放して燃料ガス排出路23から第2反応室22内の燃料ガスの排ガスを排出する。そして、燃料側バルブ27を開放した後、第2反応室22内の圧力Pfが再び所定圧力Pxを下回ったら(P≦Px)、再び燃料側バルブ27を閉塞し、その後も燃料側バルブ27の開閉を繰り返す。なお、本実施形態では、液体燃料の気化に伴う圧力上昇によって生じる乱流により、燃料ガスの燃料極7表面への輸送効果が高まる。そのため、同様な効果を得るために気化した燃料ガスを燃料極7まで高速送出する従来技術に比べ、高性能ポンプ等を用いる必要がないので、製造コスト及びメンテナンス負荷の削減、並びに装置の小型軽量化が可能になる。
In the
そして、第1反応室42において発電に供された酸化剤ガスの排ガスは、酸化剤ガス排出路43を通って高温空気燃焼器48に供給される。
一方、第2反応室22で発電に供された燃料ガスの排ガスも、燃料ガス排出路23を通って酸化剤ガスと同様に高温空気燃焼器48に供給される。高温空気燃焼器48に燃料ガスの排ガスが供給されると、燃料ガスの排ガス中に含まれる未反応の燃料ガスが燃焼して酸化剤ガスの排ガスが昇温される。昇温された排ガスは、排ガス排出路50を通って熱交換器45に供給され、熱交換器45において酸化剤ガス供給路41内を流通する酸化剤ガスとの間で熱交換を行う。そして、酸化剤ガス供給路41内を流通する酸化剤ガスは、熱交換器45で昇温された状態で第1反応室42に供給される一方、排ガスは排ガス排出路50を通って外部に排出される。
The oxidant gas exhaust gas used for power generation in the
On the other hand, the exhaust gas of the fuel gas provided for power generation in the
図3は、DOモードにおける通常発電時から熱自立発電に至るまでの各種機器の動作タイミングの関係を示すタイミングチャートである。
ここで、本実施形態の発電装置1では、開回路電圧OCVが約0.7Vの状態で電流を流す(負荷をかける)。この場合、図3に示すように、電流を流した後も電圧が約0.7Vで維持できるように、制御盤は燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量を制御する(図2中破線領域C)。具体的には、制御盤は、第2反応室22内の温度に応じた酸化剤ガス及び燃料ガスのマップを有しており、このマップに基づいて流量を算出する。そして、制御盤は、算出した流量に基づいて酸化剤ガス及び燃料ガスの流量を増減する(時間T13,14)。このように、開回路電圧OCVが0.7V程度になるように燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量を制御することで、発電体10の膜劣化を抑制した上で、発電特性を良好に維持することができる。
FIG. 3 is a timing chart showing the relationship of operation timings of various devices from normal power generation to thermal self-sustained power generation in the DO mode.
Here, in the power generation device 1 of the present embodiment, a current is passed (load is applied) in a state where the open circuit voltage OCV is about 0.7V. In this case, as shown in FIG. 3, the control panel controls the supply flow rates of the fuel gas and the oxidant gas so that the voltage can be maintained at about 0.7 V even after the current is passed (broken line region C in FIG. 2). ). Specifically, the control panel has a map of the oxidant gas and the fuel gas corresponding to the temperature in the
(熱自立発電)
ところで、本実施形態の発電装置1では、発電に関して発生する熱によって反応室22,42の温度が上昇する。この場合、発電を継続すると、発電量と放熱量がバランスし、発電が最適に行われる温度(例えば、所定温度Tx=600℃〜900℃程度)で熱自立の状態になり、別途余分なエネルギーを消費することなく、反応室22,42内の温度が所定温度に維持され、保温された状態となる。
(Thermal independent power generation)
By the way, in the electric power generating apparatus 1 of this embodiment, the temperature of the
そこで、発電を続けるうちに、図3に示すように、第2反応室22内からの発熱により所定温度Txを維持するために必要なヒーター出力が減少する。そして、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量が一定の状態で、所定温度Txを維持するための外部電力が不要になった時点で熱自立が完了したと判断する(時間T15)。
Therefore, as the power generation continues, as shown in FIG. 3, the heater output required to maintain the predetermined temperature Tx decreases due to heat generated from the
熱自立完了後、要求出力(発電量)が増すと燃料ガス及び酸化剤ガスの供給流量を増加し、必要電力を維持するようにフィードバック制御を行う(時間T16,17)。この状態ではヒーターによる温度制御等の余分なエネルギーを消費することなく、上述したようなDOモード発電が行える。その後、時間T18において、第2反応室22内の温度を所定温度Tx付近で一定に維持するために、制御盤は2方弁51の切替制御を行う(図3中破線領域D)。すなわち、出力増加に伴い第2反応室22内の温度Tcが所定温度Txよりも上昇した場合には、第1反応室42内に供給される酸化剤ガスを冷却するために、熱交換器45に排ガスを流通させずに直接外部に排出する。その後、第2反応室22内の温度Tcが所定温度Tx以下に低下した場合には、第1反応室42に供給される酸化剤ガスを加熱するために、熱交換器45に排ガスを流通させる。
When the required output (power generation amount) increases after completion of the heat self-supporting, the supply flow rate of the fuel gas and the oxidant gas is increased, and feedback control is performed so as to maintain the necessary power (time T16, 17). In this state, DO mode power generation as described above can be performed without consuming extra energy such as temperature control by the heater. Thereafter, at time T18, the control panel performs switching control of the two-
なお、液体燃料が加熱により相変化しガス化する際には、第2反応室22内の熱溜との熱交換が必要で、その際液体燃料の熱容量分の気化潜熱が第2反応室22から奪われる。つまり、これによっても第2反応室22が冷却される。したがって、第2反応室22内の温度Tcを、所定温度Tx付近により維持し易くなる。
When the liquid fuel undergoes phase change by heating and is gasified, heat exchange with the heat reservoir in the
(DCモード発電)
図9は、発電部の断面図であり、DCモード発電時における発電部の挙動を示す説明図である。図9においては、説明を分かりやすくするため、各反応室の周辺部材の記載を省略する。
ところで、図9に示すように、第2反応室22内においては、発電体10で反応しきれずに滞留する未反応の燃料ガス等が炭化して、少なからず炭素が析出する虞がある。具体的に、ガス化区間L3に比べ比較的低温な液滴区間L2周辺の内周壁や、燃料ガス排出路23の近傍等の低温領域Qは炭素析出温度領域(例えば、600℃程度)になりやすく、この低温領域Qにおいて未反応の燃料ガス等が炭化して炭素が析出しやすい。この場合、析出した炭素が、反応室22内を飛散して燃料極7の反応場を覆ってしまう可能性もある。さらに、DO発電に伴い燃料極7の反応場に析出する炭素と併せ、発電体10の発電性能が低下する虞がある。なお、発電性能が低下すると、発電に関して発生する熱量が低下し、第2反応室22内の温度も低下する。
(DC mode power generation)
FIG. 9 is a cross-sectional view of the power generation unit and is an explanatory diagram illustrating the behavior of the power generation unit during DC mode power generation. In FIG. 9, the description of the peripheral members of each reaction chamber is omitted for easy understanding.
By the way, as shown in FIG. 9, in the
図4は、DOモードからDCモードへの移行時の各種機器の動作タイミングの関係を示すタイミングチャートである。また、図7は時間に対する燃料噴霧量を示すグラフであり、図8は時間に対する発電量(電圧)を示すグラフである。
燃料極7の反応場に炭素が所定量析出した場合には、図4に示すように発電装置1をDCモードに切り替える。具体的には、図7,8に示すように、制御部は、発電装置1の電圧が(例えば、所定電圧Vx=約0.6V)以下まで低下したか否かで、炭素析出の有無を判断する。すなわち、発電装置1の電圧が所定電圧以下になったと判断された場合には、析出された炭素が燃料極7を覆って発電性能が低下していると判断し、DOモードからDCモードへ切り替える(図8中時間t参照)。なお、所定電圧Vxより低い電圧でそのまま発電を続けると、発電体10の膜劣化が促進されるため好ましくない。
FIG. 4 is a timing chart showing the relationship of the operation timings of various devices when shifting from the DO mode to the DC mode. FIG. 7 is a graph showing the amount of fuel spray with respect to time, and FIG. 8 is a graph showing the amount of power generation (voltage) with respect to time.
When a predetermined amount of carbon is deposited in the reaction field of the
まず、図4に示すように、制御盤から燃料側バルブ27及びインジェクター55のインジェクター制御器58に向けてDCモード開始信号を出力し、インジェクター55による液体燃料の供給を停止する(時間T19)とともに、燃料ガス排出路23に設けられた燃料側バルブ27を閉じて、燃料ガス流通系20内を閉塞する(時間T20)。なお、この時点で酸化剤ガス流通系40には、酸化剤ガスが供給され続けている。
そして、燃料側バルブ27の閉弁後、制御盤から加熱炉11のヒーターに向けて昇温信号を出力し、第2反応室22の温度を上昇させ、第2反応室22内の温度Tcを所定温度TDCx(例えば、TDCx=900℃付近)の均熱帯に保持する(時間T21)。その後、第2反応室22内の温度Tcが所定温度TDCxを上回った時点で、制御盤はヒーターに向けて停止信号を出力し、ヒーターの作動を停止させる(時間T22)。
First, as shown in FIG. 4, a DC mode start signal is output from the control panel toward the
Then, after the
図9に示すように、DCモードでは、反応室22内に析出している炭素(C)と、排ガスとして残存する二酸化炭素(CO2)とが結び付き(CO2+C)、一酸化炭素(CO)になる(CO2+C→2CO)。そして、この一酸化炭素(CO)が、固体電解質膜9を透過して燃料極7まで移動してきた酸素イオン(O)と反応して、二酸化炭素(CO2)になる。この二酸化炭素(CO2)が生成される際に、発電が行われる(CO+O2-→CO2+2e−)。
これにより、仮に第2反応室22内において未反応の燃料ガス等の炭化により炭素が析出した場合であっても、燃料ガス流通系20を封鎖して第2反応室22内を密閉状態にすることで、析出した炭素が酸化する際に発電を行うことができる。これに伴って、析出した炭素を除去することが可能になる。つまり、万が一第2反応室22内に炭素が析出した場合であっても、この炭素をエネルギー源として利用しつつ除去することができる。
As shown in FIG. 9, in the DC mode, carbon (C) precipitated in the
As a result, even if carbon is deposited in the
ここで、DCモードにおいても、発電に関して発生する熱によって反応室22,42内の温度が上昇する。そのため、上述したDOモード時と同様に2方弁51の切替制御を行う(時間T23)。
また、発電時において第2反応室22内の圧力が所定圧力Px付近で維持されるように、上述したDOモードと同様に燃料側バルブ27の開閉のフィードバック制御を行う(時間T24)。
Here, also in the DC mode, the temperature in the
Further, the feedback control for opening and closing the
なお、DCモード発電によって、第2反応室22内の炭素が消費され続けると、徐々に電圧が低下する。すなわち、第2反応室22内の炭素が除去されて、再び発電体10が所望の発電性能を発揮できるようになる。
If the carbon in the
そこで、制御盤は、発電装置の発電量(電圧)が所定電圧Vx(例えば、0.6V)以下まで低下したか否かで、第2反応室22内の炭素が十分に消費されたか否かを判断する。すなわち、発電装置2の電圧が所定電圧以下になったと判断された場合には、炭素が十分に消費されて再び発電体10が所望の発電性能を発揮できると判断し、DCモードからDOモードへ切り替える。具体的には、上述したDOモードからDCモードへの切替方法と同様に、ヒーターにより第2反応室22内の温度を所定温度Tx(約600℃から800℃程度)まで変化した後(時間T25)、インジェクター55により液体燃料を噴霧し始めるとともに(時間T26)、燃料側バルブ27を開弁する(時間T27)。これにより、再びDOモードにより所望の発電性能を得た状態で発電を行うことができる。
Therefore, the control panel determines whether or not the carbon in the
(停止方法)
図5は、発電装置1を停止させる場合における各種機器の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
DOモードから発電装置1の作動を停止する場合には、まずインジェクター55による噴霧を停止する(時間T28)。その後、各バルブ27,46,47、ヒーター及びエアポンプ44を停止し(時間T29〜33)、時間T34において発電装置1の電源を停止する。なお、DCモードから発電装置1を停止する場合にも、各バルブ27,46,47、ヒーター及びエアポンプ44を停止した後に、発電装置1の電源を停止することで、同様に発電装置1を停止することができる。
(How to stop)
FIG. 5 is a timing chart showing operation timings of various devices when the power generation device 1 is stopped.
When stopping the operation of the power generator 1 from the DO mode, first, spraying by the
このように、上述の実施形態では、加熱炉11の中央部に発電部54を配置し、第2反応室22の底部に第2反応室22内に液体燃料を噴霧するインジェクター55を接続し、発電体10に向けて液体燃料を噴霧する構成とした。そして、インジェクター55から噴霧される液体燃料を、加熱炉11の温度制御によりガス化させるガス化区間L3を第2反応室22に設定する構成とした。
この構成によれば、ガス化区間L3を反応室22に設定することで、このガス化区間L3に到達するまでの領域では、液体燃料の状態(例えば、液柱状態や液滴状態)で燃料を移動させることができる。これにより、燃料を発電体10まで到達させる際の物質移動を容易に行うことができる。さらに、液体燃料はガス燃料に比べ密度が高く運動量の拡散が少ないため、発電体10の近傍で燃料を燃料ガス化させることで、発電体10に高濃度なガス燃料を供給することができる。したがって、高出力なSOFCの発電装置1を提供することができる。
Thus, in the above-described embodiment, the
According to this configuration, by setting the gasification section L3 in the
そして、燃料がガス化区間L3に到達するまでは、燃料を液体燃料の状態で反応室22内を移動させることができるので、燃料を発電体10まで到達させる際の物質移動を速やかに行うことができる。これにより、液体燃料が燃料ガス化して発電体10に到達するまでの時間、つまりガス燃料として滞在する滞在時間を短縮することができる。したがって、従来のように、ガス燃料が炭素析出温度付近に長く滞在することで生じるガス燃料の炭化による炭素の析出を抑えることができる。
Since the fuel can be moved in the
また、加熱炉11の外部において第2反応室22に接続されたインジェクター55により、加熱炉11の下方から上方に向けて液体燃料を噴霧することで、反応室22内で発生する熱対流が、反応室22の下方に接続されたインジェクター55まで伝達し難くなる。これにより、インジェクター55が高温になることを防ぐことができるため、炭素の析出を抑えてインジェクター55の噴霧孔の目詰まりを防止することができる。
また、インジェクター55を反応室22に直接接続することができるため、従来のように改質器を介して燃料を供給する構成に比べて低コストな発電装置1を提供することができる。
よって、液体燃料を使用することが可能であり、発電体10の電極等におけるガス燃料の炭化による炭素の析出を抑えることが可能なSOFCの発電装置1を提供することができる。
Further, by spraying the liquid fuel from the lower side of the
In addition, since the
Therefore, it is possible to provide the SOFC power generation apparatus 1 that can use liquid fuel and can suppress carbon deposition due to carbonization of the gas fuel at the electrode of the
特に、本実施形態では、制御盤によって発電モードの切替運転を行うことで、DOモードでは燃料中に含まれるH2,CO,CH4などを、DCモードでは第2反応室22内に析出された炭素をそれぞれ燃料源として発電を行うことができる。したがって、未反応の燃料ガスの残存を抑制して、効率的に、かつ連続的に発電を行うことができるため、発電効率を向上させることができる。
In particular, in the present embodiment, by performing a switching operation of the power generation mode by the control panel, H 2 , CO, CH 4 and the like contained in the fuel are precipitated in the
(第1変形例)
次に、第1実施形態の変形例について説明する。図10は時間に対する燃料噴霧量を示すグラフであり、図11は時間に対する電圧を示すグラフである。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成、方法については同一の符号を付し、説明を省略する。
本変形例では、DOモードにおいてパルス噴霧により液体燃料を供給する点で、上述した第1実施形態と相違している。具体的には、図2,10,11に示すように、時間T11において、所定量の液体燃料を所定間隔毎に所定時間(例えば、時間t1)噴霧する。これにより、燃料極7に到達した燃料ガスと、燃料極7まで移動した酸素イオンとが、燃料極7で反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。なお、燃料の噴霧量や噴霧間隔等は、適宜変更が可能である。
そして、発電装置1の電圧が所定電圧以下になったと判断された場合には、析出された炭素が燃料極7を覆って発電性能が低下していると判断し、第1実施形態と同様にDOモードからDCモードへ切り替える(図10,11中時間t)。
(First modification)
Next, a modification of the first embodiment will be described. FIG. 10 is a graph showing the fuel spray amount with respect to time, and FIG. 11 is a graph showing voltage with respect to time. In the following description, the same configurations and methods as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
This modification differs from the first embodiment described above in that liquid fuel is supplied by pulse spraying in the DO mode. Specifically, as shown in FIGS. 2, 10, and 11, at time T11, a predetermined amount of liquid fuel is sprayed at predetermined intervals (for example, time t1). Thereby, when the fuel gas that has reached the
When it is determined that the voltage of the power generation device 1 has become equal to or lower than the predetermined voltage, it is determined that the deposited carbon covers the
この構成によれば、パルス噴霧により所定間隔毎に液体燃料を噴霧することで、第2反応室22内の燃料ガス濃度、温度等のパラメータに応じて液体燃料の噴霧量や噴霧時間を容易に調整することができるため、液体燃料を連続的に噴霧する場合に比べて、未反応の燃料ガスの残存を抑制して発電効率を向上させることができる。
According to this configuration, the liquid fuel is sprayed at predetermined intervals by pulse spraying, so that the liquid fuel spray amount and spray time can be easily set according to parameters such as the fuel gas concentration and temperature in the
(第2変形例)
次に、本発明の第2変形例について説明する。図12は時間に対する燃料噴霧量を示すグラフであり、図13は時間に対する電圧を示すグラフである。
上述した第1実施形態及び第1変形例では、第2反応室22内における炭素の析出量、すなわち炭素析出による電圧低下に伴ってDOモードとDCモードとを切り替える場合について説明したが、本変形例はDOモード中における液体燃料の合計噴霧量に対する発電時間に応じてDOモードとDCモードとを切り替えるものである。
(Second modification)
Next, a second modification of the present invention will be described. FIG. 12 is a graph showing the fuel spray amount with respect to time, and FIG. 13 is a graph showing voltage with respect to time.
In the first embodiment and the first modification described above, the carbon deposition amount in the
図2,12,13に示すように、時間T11において、所定量の液体燃料を所定間隔毎に所定時間(例えば、時間S)噴霧する。これにより、燃料極7に到達した燃料ガスと、燃料極7まで移動した酸素イオンとが、燃料極7で反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。
As shown in FIGS. 2, 12, and 13, at time T <b> 11, a predetermined amount of liquid fuel is sprayed at predetermined intervals for a predetermined time (for example, time S). Thereby, when the fuel gas that has reached the
ここで、1回のDOモード中における噴霧回数(パルス回数)をN、1パルス当りの噴霧速度(mol/sec)をL、各パルス毎の噴霧時間(sec)をSとすると、1回のDOモード中における合計噴霧量は(N・L・S)となり、例えば燃料をC×Hrと近似し、電流をI(C/sec)、ファラデー定数をF(C/mol)とすると、供給された燃料を完全に消費するのに必要な1サイクル(DOモード及びDCモードをそれぞれ1回毎)の発電時間t2(sec)は、t2=(2X+2Y)×N・L・S×2Fと表すことができる。 Here, assuming that the number of sprays (number of pulses) in one DO mode is N, the spray rate (mol / sec) per pulse is L, and the spray time (sec) for each pulse is S, one time The total spray amount in the DO mode is (N · L · S). For example, the fuel is approximated to C × Hr, the current is I (C / sec), and the Faraday constant is F (C / mol). The power generation time t2 (sec) of one cycle (DO mode and DC mode each time) required to completely consume the remaining fuel is expressed as t2 = (2X + 2Y) × N · L · S × 2F Can do.
そして、制御盤は、液体燃料の合計噴霧量に対する発電時間t2とDOモードの発電時間t3とのマップを有しており、このマップに基づいてDOモードからDCモードへの切替タイミングを判断する。具体的には、制御盤は、液体燃料の噴霧開始からの発電時間がt3を超えたか否かを判断する。そして、発電時間t3を上回ったと判断された場合、第2反応室22内に存在する燃料ガスに含まれるH2,CO,CH4等が全て反応したと判断し、DOモードからDCモードへ移行する。DCモードへの移行は、上述した第1実施形態と同様の方法により移行することができる。
The control panel has a map of the power generation time t2 with respect to the total spray amount of the liquid fuel and the power generation time t3 in the DO mode, and determines the switching timing from the DO mode to the DC mode based on this map. Specifically, the control panel determines whether or not the power generation time from the start of liquid fuel spraying has exceeded t3. When it is determined that the power generation time t3 has been exceeded, it is determined that all of H 2 , CO, CH 4 and the like contained in the fuel gas existing in the
この構成によれば、第1実施形態及び第1変形例と異なり、液体燃料の合計噴霧量に対する発電時間に応じてDOモードとDCモードとの切替判断を行うことで、無駄な燃料を噴霧することなくDCモードへ移行させることができる。その結果、未反応の燃料ガスの残存を抑制して、より発電効率を向上させることができる。この場合、第2変形例では上述した第1変形例に比べて、DOモード中における液体燃料の合計噴霧量(パルスの総面積)が少ないので、低出力ではあるが、発電モード切替時に未反応の燃料ガスの残存が少ないので、高効率な発電装置1を提供することができる。これに対して、上述した第1変形例では第2変形例に比べて、DOモード中における液体燃料の合計噴霧量(パルスの総面積)が多いので、低効率ではあるが高出力な発電装置1を提供することができる。なお、本変形例では、DOモードからDCモードへの切替前に、還元性ガス(例えば、二酸化炭素)等を第2反応室22内に供給するようにしてもよい。
According to this configuration, unlike the first embodiment and the first modification, useless fuel is sprayed by performing switching determination between the DO mode and the DC mode according to the power generation time with respect to the total spray amount of liquid fuel. Without changing to the DC mode. As a result, the remaining unreacted fuel gas can be suppressed and the power generation efficiency can be further improved. In this case, since the total spray amount (total pulse area) of the liquid fuel in the DO mode is smaller in the second modification than in the first modification described above, the output is low, but no reaction occurs at the time of switching the power generation mode. Therefore, the highly efficient power generator 1 can be provided. On the other hand, in the first modified example described above, the total spray amount (total pulse area) of the liquid fuel during the DO mode is larger than in the second modified example. 1 can be provided. In this modification, a reducing gas (for example, carbon dioxide) or the like may be supplied into the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図14は、第2実施形態における発電装置の概略構成図である。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成、方法については同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の発電装置100は、液体燃料とともに水蒸気を第2反応室122内に供給する点で上述した実施形態と相違している。具体的には、図14に示すように、発電装置100は、第2反応室122における小径部22aの底部にウォーターインジェクター101が連結されている。このウォーターインジェクター101には、水の供給源であるウォータータンク102が接続されており、ウォータータンク102からウォーターインジェクター101を介して、第2反応室122内に水が供給されるようになっている。また、ウォーターインジェクター101には、図示しない制御盤から出力される信号に基づいて、ウォーターインジェクター101からの水の噴霧量、噴霧間隔等を調整するためのインジェクター制御器(INJ制御器)103が接続されている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a power generation device according to the second embodiment. In the following description, the same configurations and methods as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
The
この場合、DOモードにおいて、第2反応室122内に向けてインジェクター55から液体燃料を噴霧するとともに、ウォーターインジェクター101から水を噴霧する。すると、ウォーターインジェクター101から噴霧された水は、加熱炉11の高さ方向沿って生じる温度勾配等により蒸発し、水蒸気となって発電体10に向けて移動する。この時、第2反応室122内でガス化された燃料ガスに含まれる炭化水素と、水蒸気との改質反応により水素が生成される(CnH2n+2+nH2O→nCO+(n+2)H2))。これにより、燃料極7に到達する水蒸気改質された燃料ガスと、燃料極7まで移動した酸素イオンとが、燃料極7で反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。
In this case, in the DO mode, liquid fuel is sprayed from the
この構成によれば、上述した第1実施形態と同様の効果を奏するとともに、第2反応室122内に液体燃料と水とを同時に供給することで、水蒸気改質を行うことができるため、製造コストを抑えた上で、発電時におけるエネルギーの変換ロスが小さく高効率な発電が可能になる。
According to this configuration, the same effects as those of the first embodiment described above can be achieved, and steam reforming can be performed by supplying liquid fuel and water into the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図15は、第3実施形態における発電装置の概略構成図である。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成、方法については同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の発電装置200は、加熱炉11内に複数の発電部254a,254bが設けられている点で、上述した第1実施形態と相違している。具体的には、図15に示すように、発電装置200は、加熱炉11内にDC発電部254aとDO発電部254bとを備えている。DC発電部254aは、上述した第1実施形態の発電部54(図1参照)と同一の構成からなり、主に上述したDCモード発電を行うための発電部である。DO発電部254bは、主に上述したDOモード発電を行うための発電部であり、DC発電部254aと同様に加熱炉11の上側に酸化剤ガスが供給される第1反応室242と、加熱炉11の下側に燃料ガスが供給される第2反応室222と、これら両反応室242,222の開口縁で挟持された発電体10とで構成されている。各発電部254a,254b間の第1反応室42,242は、酸化剤ガスバルブ201を介して接続されている一方、第2反応室22,222は燃料ガスバルブ202を介して接続されている。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a power generation device according to the third embodiment. In the following description, the same configurations and methods as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
The
また、酸化剤ガス供給路41の供給側バルブ146には、2方弁等が用いられ、供給側バルブ146にはDC発電部254aを迂回して、直接DO発電部254bに接続される酸化剤ガス迂回路204が設けられている。すなわち、供給側バルブ146の切替制御を行うことで、DC発電部254aを経由してDO発電部254bに酸化剤ガスを供給したり、DC発電部254aを経由させることなくDO発電部254bに直接酸化剤ガスを供給したりすることができる。
Further, a two-way valve or the like is used for the supply side valve 146 of the oxidant
発電装置200で発電を行う際には、まずヒーターで加熱炉11内を約600℃程度に昇温した後、酸化剤ガスをDO発電部254bのみに供給するように供給側バルブ146を切り替え、インジェクター55からDC発電部254aの第2反応室22内に液体燃料を噴霧する。この場合、第2反応室22内が600℃程度の炭素析出温度領域にあるため、第2反応室22内に噴霧された燃料ガスが炭化して第2反応室22内に積極的に析出する。これに伴い、燃料ガスから熱分解されたH2,CO,CH4等が、燃料ガス排出路23を通ってDO発電部254bの第2反応室222内に供給される。
When generating power with the
この際、DO発電部254bでは、第2反応室222内に供給された燃料ガス(H2,CO,CH4等)と、酸化剤ガスとを用いて上述したDOモード発電が行われる。
一方、DC発電部254aに所定量の炭素が析出されると、ヒーターで加熱炉11内を約800℃程度に昇温した後、液体燃料の噴霧を停止して燃料ガスバルブ202を閉塞する。また、酸化剤ガス供給路41の供給側バルブ147を切り替え、DC発電部254aに酸化剤ガスを供給する。すると、DC発電部254aの第2反応室22内に析出している炭素と、第2反応室22内に残存する二酸化炭素とが結び付き、一酸化炭素になる。そして、この一酸化炭素が、燃料極7まで移動してきた酸素イオンと反応して、DCモード発電が行われる。
At this time, the DO
On the other hand, when a predetermined amount of carbon is deposited in the DC
このように、本実施形態では、DC発電部254aでDCモード発電を、DO発電部254bでDOモード発電をそれぞれ行うことで、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、本実施形態では、DO発電部254bの発電体10は、SOFCに限られない。
As described above, in the present embodiment, the DC
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図16は、第4実施形態における発電装置の概略構成図であり、図17は発電部の拡大断面図である。なお、以下の説明では、上述した第1実施形態と同様の構成、方法については同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の発電装置300は、発電部354に円筒型のチューブセルを用いている点で上述した第1実施形態と相違している。図16,17に示すように、発電部354は、その軸方向と加熱炉11の長さ方向とを一致させた状態で加熱炉11内に配置された2重管構造のものである。具体的には、図17に示すように、固体電解質膜301と、固体電解質膜301の内表面全域に亘って形成された燃料極302と、固体電解質膜301の外表面全域を覆うように形成された空気極304と、空気極304の径方向外側に隙間を有した状態で径方向外側を覆うように設けられた外筒部305とを備えている。すなわち、固体電解質膜301の全周の内側に燃料極302、全周の外側に空気極304が積層された発電体306を構成している。そして、空気極304で発生した酸素イオンが固体電解質膜301を透過して、燃料極302まで到達するようになっている。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 16 is a schematic configuration diagram of a power generation device according to the fourth embodiment, and FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view of a power generation unit. In the following description, the same configurations and methods as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
The
この場合、外筒部305の内側空間は空気極304において酸化剤ガスを反応させる第1反応室310を構成するとともに、内側空間は燃料極302において燃料ガスを反応させる第2反応室311を構成している。また、第2反応室311の一端側には、第2反応室311に向けて液体燃料を噴霧するためのインジェクター55が連結されている。すなわち、発電部354の一端側は、加熱炉11の長手方向における一端側の端面から外部に突出した状態となっており、発電部354の一端側から他端側にかけて発電部354の長さ方向に沿って徐々に高温になるような温度勾配が形成される。
In this case, the inner space of the outer
この場合、DOモード時には、第2反応室311の内側からインジェクター55により液体燃料を噴霧するとともに、第1反応室310に酸化剤ガスを供給する。そして、第1反応室310に供給された酸化剤ガスは、第1反応室310の空気極304において触媒反応により酸素イオンとなる。一方、第2反応室311に供給された液体燃料は、発電部354の長さ方向に沿って形成された温度勾配により、液柱状態から液滴状態を経て燃料ガス化されることになる。そして、空気極304で発生した酸素イオンが、固体電解質膜301を透過して燃料極302まで移動する。その結果、燃料極302において酸素イオンが燃料ガスと反応する際に、電子を放出することで発電が行われる。
これに対して、DCモード時には、上述した第1実施形態と同様に第2反応室311内において未反応の燃料ガス等の炭化により炭素が析出した場合に、燃料側バルブ27を閉塞して第2反応室311内を密閉状態にする。これにより、第2反応室311内に析出した炭素が酸化する際に、発電を行うことができる。
In this case, in the DO mode, liquid fuel is sprayed from the inside of the
On the other hand, in the DC mode, when carbon deposits due to carbonization of unreacted fuel gas or the like in the
ここで、図18は、本実施形態の発電部354にガス燃料を供給した場合における、発電部354の長さ方向の位置に対する第2反応室311内の燃料濃度、及び発電部354内の温度を示すグラフであり、図19は発電部354の長さ方向の位置に対する電気変換効率及び出力を示すグラフである。
図18に示すように、燃料としてガス燃料を発電部354に供給した場合には、発電部354の一端側から随時発電が行われ、一端側から他端側にかけて燃料濃度が減少する一方、発電により発電部354内の温度が上昇していることがわかる。また、図19に示すように、発電部354の一端側から他端側にかけて発電出力が徐々に低下していることがわかる。ガス燃料を用いた場合には、燃料が発電に供されることで、発電部354の一端側から他端側にかけて燃料が希薄になるため、出力低下に繋がるものと考えられる。
Here, FIG. 18 shows the fuel concentration in the
As shown in FIG. 18, when gas fuel is supplied as fuel to the
これに対して、本実施形態では、燃料として液体燃料を用いているため、インジェクター55による噴霧圧や噴霧時間等のパラメータを調整することで、液柱区間、液滴区間、ガス化区間の調整を行うことができる。すなわち、噴霧毎にガス化されるタイミング(ガス化区間)を変更することで、発電部354の長さ方向に亘って燃料濃度、温度、出力等が均一な空間を維持することができる。
また、本実施形態においても、上述した第1実施形態と同様に液体燃料の気化時における圧力膨張によって、燃料ガスの流速が液体燃料時比べて上昇する。そのため、燃料ガスを燃料極302まで送出するためのポンプ等を用いる必要がないので、製造コスト及びメンテナンス負荷の削減、並びに装置の小型軽量化が可能になる。そして、チューブセルのように軸方向に長い発電部354を有する場合であっても、燃料ガスを発電部354の他端側まで行き届かせることができ、発電部354の全面に亘って均一に燃料ガスを供給することができる。
On the other hand, in this embodiment, since liquid fuel is used as the fuel, adjustment of parameters such as spray pressure and spray time by the
Also in the present embodiment, as in the first embodiment described above, the flow rate of the fuel gas increases as compared with the liquid fuel due to the pressure expansion during the vaporization of the liquid fuel. Therefore, there is no need to use a pump or the like for sending the fuel gas to the
図20は、本実施形態の発電部354に液体燃料を供給した場合における、発電部354の長さ方向の位置に対する第2反応室311内の燃料濃度、及び発電部354内の温度を示すグラフであり、図21は発電部354の長さ方向の位置に対する電気変換効率及び出力を示すグラフである。なお、図20,21では、ガス化区間の異なる2種類の噴霧パターンで液体燃料を噴霧した場合について示している。
図20に示すように、燃料として液体燃料を発電部354に供給した場合には、J地点及びK地点で燃料濃度が急増していることがわかる。すなわち、2種類の噴霧パターンで噴霧された液体燃料が、J地点及びK地点の2箇所で燃料ガス化することになる。そのため、発電部354の長さ方向における出力がガス燃料を用いた場合に比べて、発電部354の長さ方向に亘って均一となる。具体的には、J地点で燃料ガス化した燃料ガスは、K地点に至るまでの間で発電に供されるが、K地点で再び燃料ガス化した燃料ガスが供給されるので、K地点から発電部354の他端に至るまでの間も効率的に発電が行われる。また、K地点で再び燃料ガス化するためには気化熱が必要となるので、この際に発電部354内が冷却される。その結果、発電部354内の温度も長さ方向に亘って略均一に保たれる。さらに、図21に示すように、上述したように発電部354内の燃料濃度が均一に保たれるため、発電部354の長さ方向における出力がガス燃料を用いた場合に比べて均一となる。
FIG. 20 is a graph showing the fuel concentration in the
As shown in FIG. 20, when liquid fuel is supplied to the
この構成によれば、発電部354にチューブセルを用いた場合であっても、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。また、上述したようにインジェクター55により発電部354内に液体燃料を供給することで、発電部354の長さ方向に亘って略均一に発電が行われることになる。これにより、発電効率を向上させることができるとともに、発電体306が局所的に劣化することを防止できる。また、円板状のSOFCに比べて強度が高いため、急激な昇温・降温によりサーマルショックが生じた場合であっても、発電部354の割れ等を防ぐことができる。
なお、本実施形態では、チューブセルの全面に亘ってSOFCの固体電解質膜301を形成する場合について説明したが、これに限らず、固体電解質膜301を周方向に沿って分割したり、軸方向に沿って分割したりして、それらを直列接続するようにしてもよい。
According to this structure, even if it is a case where a tube cell is used for the electric
In this embodiment, the SOFC
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
また、第1実施形態において、DOモードとDCモードとの切替タイミング、すなわち炭素の析出量を電圧に基づいて判断する場合について説明したが、これに限られず、第2反応室22内の温度等、熱自立の状態から平衡状態が保たれなくなった時点に基づいて判断することも可能である。
さらに、ガス燃料を直接第2反応室に供給して上述した発電装置で発電を行うことも可能である。
また、各実施形態において、液体燃料の連続噴霧、パルス噴霧の双方が可能である。
It should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes those in which various modifications are made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. In other words, the configuration described in the above-described embodiment is merely an example, and can be changed as appropriate.
In the first embodiment, the switching timing between the DO mode and the DC mode, that is, the case where the amount of carbon deposition is determined based on the voltage has been described. However, the present invention is not limited to this, and the temperature in the
Furthermore, it is also possible to supply gas fuel directly to the second reaction chamber and generate power with the above-described power generation apparatus.
In each embodiment, both continuous spraying and pulse spraying of liquid fuel are possible.
1,100,200,300…発電装置 7,302…燃料極(他方の電極) 8,304…空気極(一方の電極) 11…加熱炉 10,306…発電体 22,222…第2反応室 42,242…第1反応室 55…インジェクター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,100,200,300 ... Electric power generation apparatus 7,302 ... Fuel electrode (the other electrode) 8,304 ... Air electrode (one electrode) 11 ... Heating furnace 10,306 ... Electric power generation body 22,222 ... Second reaction chamber 42,242 ...
Claims (5)
前記発電体の他方の電極に燃料ガスを供給し、該他方の電極において前記燃料ガスを反応させる第2反応室と、
前記第1反応室及び前記第2反応室を、温度制御可能な加熱炉内に設け、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとが前記発電体で反応する際に発電される発電装置であって、
前記第2反応室に、前記他方の電極に向けて液体燃料を噴射するインジェクターを接続し、
該インジェクターから噴射される前記液体燃料を前記加熱炉の温度制御により燃料ガス化させるガス化区間を、前記第2反応室に設定したことを特徴とする発電装置。 A first reaction chamber for supplying an oxidant gas to one electrode of the power generator of the solid oxide fuel cell, and causing the oxidant gas to react at the one electrode;
A second reaction chamber for supplying a fuel gas to the other electrode of the power generation body and reacting the fuel gas at the other electrode;
The first reaction chamber and the second reaction chamber are provided in a temperature-controllable heating furnace, and a power generator that generates electric power when the oxidant gas and the fuel gas react with each other in the power generator,
The second reaction chamber, connects the injector for injecting liquids fuel toward the other electrode,
A power generation apparatus, wherein a gasification section in which the liquid fuel injected from the injector is gasified by controlling the temperature of the heating furnace is set in the second reaction chamber.
前記燃料ガスのうち、固体炭素以外の成分を燃料源として、前記酸化剤ガスと反応させることにより発電を行う燃料ガス消費モードを有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の発電装置。 The fuel gas is a dry hydrocarbon fuel containing no water vapor,
3. The power generator according to claim 1, further comprising: a fuel gas consumption mode in which power generation is performed by reacting the fuel gas with a component other than solid carbon as a fuel source and the oxidant gas. 4. .
前記燃料ガスの炭化により前記第2反応室内に析出した固体炭素を燃料源として消費するべく、前記第2反応室内を閉塞した状態で、前記加熱炉の温度を所定温度に制御する析出炭素消費モードを有することを特徴とする請求項1または請求項2記載の発電装置。 The fuel gas is a fuel gas containing solid carbon,
A precipitated carbon consumption mode in which the temperature of the heating furnace is controlled to a predetermined temperature in a state where the second reaction chamber is closed in order to consume solid carbon precipitated in the second reaction chamber as a fuel source by carbonization of the fuel gas. The power generation device according to claim 1, further comprising:
前記燃料ガスの炭化により前記第2反応室内に、固体炭素が所定値以上析出したか否かを判断するための炭素析出判断手段と、
前記炭素析出判断手段の判断結果に基づいて、発電モードの切替制御を行う制御部とを備え、
前記制御部は、
前記炭素析出判断手段により固体炭素の析出量が所定値未満と判断された場合に、前記燃料ガスのうち、固体炭素以外の成分を燃料源として発電を行う燃料ガス消費モードと、
固体炭素の析出量が所定値以上と判断された場合に、前記第2反応室内に析出した固体炭素を燃料源として発電を行う析出炭素消費モードとを切り替えることを特徴とする請求項1または請求項2記載の発電装置。 The fuel gas is a fuel gas containing solid carbon,
Carbon deposition judgment means for judging whether or not solid carbon is deposited in the second reaction chamber by a carbonization of the fuel gas in a predetermined value or more;
Based on the determination result of the carbon deposition determination means, comprising a control unit that performs switching control of the power generation mode,
The controller is
A fuel gas consumption mode in which power generation is performed using a component other than solid carbon as a fuel source in the fuel gas when the carbon deposition determination means determines that the amount of solid carbon deposited is less than a predetermined value;
2. The precipitated carbon consumption mode in which power generation is performed using solid carbon deposited in the second reaction chamber as a fuel source when the amount of solid carbon deposited is determined to be equal to or greater than a predetermined value. Item 3. The power generation device according to Item 2.
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