JP5521467B2 - Method for stopping solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物型燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cells)の発電運転の停止方法に関し、特に発電セルを構成するカソードやアノード等の耐久性を損なうことなく完全停止までの時間短縮を図り得る固体酸化物型燃料電池の停止方法に係る。 The present invention relates to a method for stopping a power generation operation of a solid oxide fuel cell (SOFC), and in particular, shortens the time until a complete stop without impairing the durability of a cathode and an anode constituting the power generation cell. The present invention relates to a method for stopping a solid oxide fuel cell that can be realized.
従来より燃料電池として、固体酸化物を電解質に用いた固体酸化物型燃料電池が知られている。かかる固体酸化物型燃料電池においては、カソード(空気極)に空気(カソード空気)を、アノード(燃料極)に蒸気改質した燃料ガスをそれぞれ供給することにより、固体酸化物の電解質を間に挟んだカソード・アノード間で化学反応を生じさせ、その化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換されることになる。かかる発電運転ではカソード及びアノードが共にかなり高温になるため、発電運転を停止させるには、冷却のための処理を行って、ある程度降温させた上で完全停止させるようにしている。 Conventionally, as a fuel cell, a solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte is known. In such a solid oxide fuel cell, air (cathode air) is supplied to the cathode (air electrode), and vapor-modified fuel gas is supplied to the anode (fuel electrode), thereby interposing the electrolyte of the solid oxide. A chemical reaction occurs between the sandwiched cathode and anode, and the chemical energy is directly converted into electrical energy. In such a power generation operation, both the cathode and the anode are very hot. Therefore, in order to stop the power generation operation, a cooling process is performed and the temperature is lowered to some extent and then completely stopped.
停止時の処理としては、特に固体高分子型燃料電池(PEFC)を対象にして、改質器内での改質触媒の酸化を防止することで次回の起動の容易化を図り起動時間を短縮化することを目的として、運転停止時に改質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージし、その後、改質器内の改質触媒の温度がその改質触媒の酸化温度以下になった時点で、改質器内に空気を導入して改質器内の水蒸気をパージするようにする、ことが提案されている(例えば特許文献1参照)。 As a process at the time of stoppage, especially for the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), the oxidation of the reforming catalyst in the reformer is prevented to facilitate the next startup and shorten the startup time. When the operation is stopped, steam is circulated in the reformer system to purge the combustible gas, and then the temperature of the reforming catalyst in the reformer falls below the oxidation temperature of the reforming catalyst. At that time, it has been proposed to introduce air into the reformer to purge the steam in the reformer (see, for example, Patent Document 1).
又、リン酸型燃料電池(PAFC)を対象にして、運転停止中に電池本体を電気ヒータ等で加熱保温することを省略するために、運転停止に際しては、燃料ガス及び酸化ガスを停止して電池本体のアノード及びカソードを共にN2でパージし、次に、水蒸気をアノード及びカソードの双方に送って充満させ、この水蒸気を運転停止時の電池温度で飽和状態となる蒸気圧で封入する、ことが提案されている(例えば特許文献2参照)。 Also, for phosphoric acid fuel cells (PAFC), the fuel gas and oxidizing gas must be stopped when the operation is stopped in order to omit heating and keeping the battery body with an electric heater or the like during the operation stop. Purging both the anode and cathode of the battery body with N2, then filling and filling the water vapor to both the anode and cathode, and filling the water vapor with a vapor pressure that saturates at the battery temperature at shutdown. Has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
さらに、固体高分子型燃料電池(PEFC)に付設されている改質器の停止方法として、改質触媒の酸化防止のために、停止に伴い改質触媒を降温させる際に、改質器内の原料ガスを水蒸気でパージし、その後、所定温度まで低下したら、改質器内に原料ガスを導入して水蒸気をパージする、ことが提案されている(例えば特許文献3参照)。 Furthermore, as a method for stopping the reformer attached to the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), in order to prevent the reforming catalyst from being oxidized, It is proposed that the raw material gas is purged with water vapor and then the water vapor is purged by introducing the raw material gas into the reformer when the temperature is lowered to a predetermined temperature (see, for example, Patent Document 3).
ところで、固体酸化物型燃料電池ではその運転温度が固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池のそれに比して4倍から10倍という高温となる。例えば、固体酸化物型燃料電池の運転温度は一般に800〜1000℃であるのに対し、固体高分子型燃料電池では80〜100℃、リン酸型燃料電池では200℃程度といわれている。このため、固体酸化物型燃料電池では、他の型の燃料電池とは異なり、運転停止の際には所定温度まで冷却(クールダウン)させた上で完全停止させるという処理が要求されることになる。その処理においては、特にカソード及びアノードの両電極における熱歪に起因する損傷発生を確実に回避しつつも、冷却時間の短縮化を図る必要がある。 By the way, in the solid oxide fuel cell, the operating temperature is four to ten times higher than that of the solid polymer fuel cell or the phosphoric acid fuel cell. For example, the operating temperature of a solid oxide fuel cell is generally 800 to 1000 ° C., whereas it is said to be 80 to 100 ° C. for a solid polymer fuel cell and about 200 ° C. for a phosphoric acid fuel cell. For this reason, unlike other types of fuel cells, solid oxide fuel cells require processing that is completely stopped after being cooled (cooled down) to a predetermined temperature when the operation is stopped. Become. In the treatment, it is necessary to shorten the cooling time while surely avoiding the occurrence of damage due to thermal distortion particularly in both the cathode and anode electrodes.
そのような状況下において、運転停止時の停止方法としては例えば図5に示すような処理方法が考えられている。発電運転の停止処理に入ると、まず、カソード空気、燃料ガス及び水供給量を予め定めた値に変更する(ステップ101)。例えば燃料ガス流量として微量の2L/min、水供給流量として2cc/min、カソード空気流量として50L/minに変更する。これをカソードの温度がある所定の温度T1(例えば400℃)に低下するまで続け、温度T1まで低下すれば(ステップ102でYES)、アノード側への燃料ガス及び水の供給を停止する一方、カソード側にはカソード空気の供給を継続させる(ステップ103)。そして、カソードの温度が、改質器の触媒が酸化しない温度として設定した温度T2(例えば200℃)まで低下すれば(ステップ104でYES)、ポストパージに入り(ステップS105)、改質器を通してアノード側に対してもカソード側と同様量の空気を所定時間流し、全体を冷却・パージして完全停止させる。 Under such circumstances, for example, a processing method as shown in FIG. 5 is considered as a stopping method when the operation is stopped. In the power generation operation stop process, first, the cathode air, fuel gas, and water supply amounts are changed to predetermined values (step 101). For example, the fuel gas flow rate is changed to a very small amount of 2 L / min, the water supply flow rate is changed to 2 cc / min, and the cathode air flow rate is changed to 50 L / min. This is continued until the temperature of the cathode decreases to a certain temperature T1 (for example, 400 ° C.). If the temperature decreases to T1 (YES in step 102), the supply of fuel gas and water to the anode side is stopped, The cathode air is continuously supplied to the cathode side (step 103). When the temperature of the cathode falls to a temperature T2 (eg, 200 ° C.) set as a temperature at which the catalyst of the reformer does not oxidize (YES in step 104), a post-purge is entered (step S105), and the cathode passes through the reformer. The same amount of air as that on the cathode side is allowed to flow to the anode side for a predetermined time, and the whole is cooled and purged to completely stop.
このような停止方法では、次のような不都合がある。すなわち、冷却時間の短縮化という観点からは全く不十分である一方、運転停止のための処理に入っても微量の燃料ガスを供給し続けることから、エネルギーの浪費を招いたり、燃焼排ガス中のCO2が発生したりするという不都合を生じると考えられる。しかしながら、急激な冷却を図ろうとすると、カソード・アノード間の熱応力のバラツキを招くため損傷回避の要請の方を優先せざるを得ない上に、熱応力のバラツキ発生の回避法は特に冷却初期が困難なものとなる。 Such a stopping method has the following disadvantages. In other words, while it is quite insufficient from the viewpoint of shortening the cooling time, it continues to supply a small amount of fuel gas even after entering the process for shutdown, leading to waste of energy or in the combustion exhaust gas. This is considered to cause a disadvantage that CO 2 is generated. However, if rapid cooling is attempted, the thermal stress variation between the cathode and the anode is caused, so the request for avoiding damage must be given priority. In addition, the thermal stress variation avoidance method is particularly effective at the initial cooling stage. Is difficult.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体酸化物型燃料電池の運転停止時において、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を効率よく図り得る固体酸化物型燃料電池の停止方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to minimize the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode when the operation of the solid oxide fuel cell is stopped. An object of the present invention is to provide a method for stopping a solid oxide fuel cell, which can efficiently reduce the cooling time required for cooling while avoiding and suppressing it.
上記目的を達成するために、本発明では、固体酸化物よりなる電解質を挟んで一側のアノードに燃料ガスを供給する一方、他側のカソードに空気を供給することにより発電する電池本体と、この電池本体のカソードに対し空気を供給流量可変に供給するカソード空気供給回路と、上記アノードに対し水蒸気を供給流量可変に供給する水蒸気供給回路とを備えた固体酸化物型燃料電池を対象にして、上記電池本体の発電運転を停止する際の固体酸化物型燃料電池の停止方法おいて、次の特定事項を備えることとした。すなわち、停止処理の開始に伴い、上記アノードに対する燃料ガスの供給を停止して上記アノードに対し水蒸気を流す一方、上記カソードに対し空気を流すようにして冷却処理を行いつつ、上記アノードの温度及び上記カソードの温度の互いの変動を監視して、両温度値の温度差が一定値範囲内におさまるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御する。加えて、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量のそれぞれの初期値として、その水蒸気と上記アノードとの間の伝熱特性と、その空気と上記カソードとの間の伝熱特性とが互いに等しくなるレイノルズ数を割り出した上で、割り出したレイノルズ数に基づいて設定することとした(請求項1)。 In order to achieve the above object, in the present invention, a battery main body that generates power by supplying fuel gas to an anode on one side while sandwiching an electrolyte made of a solid oxide and supplying air to the cathode on the other side; A solid oxide fuel cell comprising a cathode air supply circuit for supplying air to the cathode of the battery body at a variable supply flow rate, and a water vapor supply circuit for supplying water vapor to the anode at a variable supply flow rate. The solid oxide fuel cell stopping method when stopping the power generation operation of the battery body includes the following specific items. That is, with the start of the stop process, the fuel gas supply to the anode is stopped and water vapor is supplied to the anode while air is supplied to the cathode while performing the cooling process, By monitoring each other's fluctuations in the temperature of the cathode, both the steam flow rate flowing to the anode and the air flow rate flowing to the cathode are both increased or decreased so that the temperature difference between the two temperature values falls within a certain range. you control. In addition, as initial values of the water vapor flow rate flowing through the anode and the air flow rate flowing through the cathode, the heat transfer characteristics between the water vapor and the anode, and the heat transfer characteristics between the air and the cathode, on but that indexing Reynolds number equal to each other, and with the set child based on the Reynolds number of indexing (claim 1).
この発明の場合、アノードに対し水蒸気を流す一方、カソードに対し空気を流すことによりそれぞれを冷却する際に、そのアノードに流す水蒸気流量及びカソードに流す空気流量をそれぞれ増減変更制御することにより、上記アノードの温度と上記カソードの温度との間の温度差が一定値範囲内におさまるようにされるため、冷却に伴うアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制し得ることになり、これにより、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれが確実に回避されることになる。しかも、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止させるため、燃料ガスの浪費を抑えたりCO2発生も無くしたりすることが可能となる上に、燃料ガスの燃焼がない分、冷却速度がより上昇し、これにより、冷却時間の短縮化が図られる。以上より、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を確実に図り得ることになる。その上、アノードに対し流す水蒸気によりアノードを冷却する際の水蒸気とアノードとの間の伝熱量と、カソードに流す空気によりカソードを冷却する際の空気とカソードの間の伝熱量とが互いに等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の各制御値の初期値が設定されるため、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制し得ることになる上に、冷却を効率的にかつ迅速に行い得ることになる。これにより、冷却時間の短縮化がより一層図られる。 In the case of the present invention, when the water vapor is flowed to the anode and the air is flowed to the cathode, respectively, the water vapor flow rate flowing to the anode and the air flow rate flowing to the cathode are controlled to increase / decrease, respectively. Since the temperature difference between the anode temperature and the cathode temperature is kept within a certain range, it is possible to avoid and suppress as much as possible the occurrence of thermal stress variation between the anode and cathode due to cooling. As a result, the possibility of occurrence of damage due to a thermal stress difference or the like is surely avoided. In addition, since the supply of the fuel gas is stopped when the operation stop process is started, it is possible to suppress the waste of the fuel gas and to eliminate the generation of CO 2, and to reduce the cooling rate by the amount of no combustion of the fuel gas. As a result, the cooling time is shortened. Thus, even while as much as possible avoid or suppress thermal stress variations occur between the anode and the cathode, ing to obtain aim to ensure the shortening of the cooling time required for cooling. In addition, the amount of heat transfer between the water vapor and the anode when the anode is cooled by the water vapor flowing to the anode is equal to the amount of heat transfer between the air and the cathode when the cathode is cooled by the air flowing to the cathode. Thus, since the initial value of each control value of the water vapor flow rate and the air flow rate is set, the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode during cooling can be avoided and suppressed as much as possible. Cooling can be performed efficiently and quickly. Thereby, the cooling time can be further shortened.
本発明の固体酸化物型燃料電池の停止方法においては、上記アノードの温度及び上記カソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにすることができる(請求項2)。このようにすることで、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を回避・抑制し得るという本発明の作用を、より一層高めることが可能となる。 In the method for stopping a solid oxide fuel cell according to the present invention, both the flow rate of water vapor flowing to the anode and the flow rate of air flowing to the cathode are set so that the temperature of the anode and the temperature of the cathode are substantially equal to each other. Each value can be controlled to increase or decrease (Claim 2). By doing so, it is possible to further enhance the action of the present invention that can prevent or suppress the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode during cooling.
加えて、上記アノードに対し空気を供給流量可変に供給する空気供給回路をさらに備えるようにし、上記アノードに対する水蒸気の供給と、カソードに対する空気の供給とによって上記アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、上記アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに上記空気供給回路からアノードに対し空気を供給して水蒸気をパージするようにすることができる(請求項3)。水蒸気の代わりに空気を流すことによりアノードの冷却をより一層効率よく促進させることが可能になる一方、一定の温度差範囲内に維持され、又は、実質的に等しい温度に維持されているアノード又はカソードの温度値が設定値まで低下しているため、特にアノードに対し冷却媒体として空気を流すように切り換えたとしても、アノードの酸化が防止されることになる。上記設定値としては、アノードに対し空気を流したとしてもアノードが酸化されることのない温度値を設定するようにすればよい。 In addition, an air supply circuit for supplying air to the anode in a variable supply flow rate is further provided, and the temperature value of the anode or the cathode is reduced to a set value by supplying water vapor to the anode and supplying air to the cathode. When lowered, the supply of water vapor to the anode can be stopped, and air can be purged by supplying air from the air supply circuit to the anode instead (claim 3 ). By allowing air to flow instead of water vapor, cooling of the anode can be facilitated more efficiently, while maintaining the anode within a certain temperature differential range or at a substantially equal temperature or Since the temperature value of the cathode is lowered to the set value, the anode is prevented from being oxidized even when the anode is switched to flow air as a cooling medium. The set value may be set to a temperature value at which the anode is not oxidized even when air is passed through the anode.
以上、説明したように、本発明の固体酸化物型燃料電池の停止方法によれば、アノードに対し水蒸気を流す一方、カソードに対し空気を流すことによりそれぞれを冷却する際に、そのアノードに流す水蒸気流量及びカソードに流す空気流量をそれぞれ増減変更制御することにより、上記アノードの温度と上記カソードの温度との間の温度差が一定値範囲内におさまるようにしているため、冷却に伴うアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制することができ、これにより、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれを確実に回避することができるようになる。しかも、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止しているため、燃料ガスの浪費を抑えたりCO2発生も無くしたりすることができる上に、燃料ガスの燃焼がない分、冷却速度をより上昇させて、冷却時間の短縮化を図ることができるようになる。以上より、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を確実に図ることができるようになる。その上、アノードに対し流す水蒸気によりアノードを冷却する際の水蒸気とアノードとの間の伝熱量と、カソードに流す空気によりカソードを冷却する際の空気とカソードとの間の伝熱量とが互いに等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の各制御値の初期値を設定することにより、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制することができる上に、冷却を効率的にかつ迅速に行うことができるようになる。これにより、冷却時間の短縮化をより一層図ることができるようなる。 As described above, according to the method for stopping a solid oxide fuel cell of the present invention, water vapor is flowed to the anode, while air is flowed to the cathode and each is cooled to flow to the anode. The temperature difference between the temperature of the anode and the temperature of the cathode is kept within a certain range by controlling the increase and decrease of the water vapor flow rate and the air flow rate to the cathode, respectively. It is possible to avoid and suppress the occurrence of thermal stress variation between the cathodes as much as possible, thereby reliably avoiding the possibility of occurrence of damage due to the thermal stress difference or the like. Moreover, since the supply of the fuel gas is stopped when the operation stop process is started, the waste of the fuel gas can be suppressed and the generation of CO 2 can be suppressed, and the cooling rate is reduced by the amount of no combustion of the fuel gas. As a result, the cooling time can be shortened. As described above, it is possible to reliably shorten the cooling time required for cooling while avoiding and suppressing the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode as much as possible. In addition, the amount of heat transfer between the water vapor and the anode when the anode is cooled by the water vapor flowing to the anode is equal to the amount of heat transfer between the air and the cathode when the cathode is cooled by the air flowing to the cathode. Thus, by setting the initial value of each control value of the water vapor flow rate and the air flow rate, it is possible to avoid and suppress the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode during cooling as much as possible. Cooling can be performed efficiently and quickly. As a result, the cooling time can be further shortened.
特に、請求項2によれば、アノードの温度及びカソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御することにより、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生の回避・抑制を、より一層確実に実現させることができる。 In particular, according to the second aspect of the present invention, both the steam flow rate and the air flow rate are controlled to increase / decrease so that the anode temperature and the cathode temperature are substantially equal to each other. It is possible to more reliably realize the avoidance and suppression of the occurrence of thermal stress variation between the cathodes.
請求項3によれば、アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに空気供給回路から空気を供給して水蒸気をパージすることで、アノードの冷却をより一層効率よく促進させることができる一方、アノードに対し冷却媒体として空気を流すように切り換えたとしても、アノードの酸化を防止することができるようになる。
According to claim 3, when the temperature value of the anode or the cathode is lowered to the set value, the supply of water vapor to the anode is stopped, and instead air is supplied from the air supply circuit to purge the water vapor. While cooling can be promoted more efficiently, oxidation of the anode can be prevented even if air is switched to flow as a cooling medium to the anode.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施形態に係る停止方法を適用する固体酸化物型燃料電池の一例を示す。同図中の符号1は電池本体であり、この電池本体1は円筒型のセル2と、改質器3と、空気用熱交換器4とを備えている。この電池本体1に対する燃料ガス・空気・水蒸気等の供給及び排ガスの排出は、いずれも予熱・蒸発器5を通して行われるようになってる。この予熱・蒸発器5に対し燃料ガス回路6、改質用空気供給回路7及びカソード空気供給回路8が通される一方、予熱用の熱源として電池本体1の側から排ガスが導入されて水供給処理回路9に導出され、排ガス中の水分回収により得た純水が予熱・蒸発器5内の燃料ガス回路6に戻されて水蒸気改質用の水蒸気に変換されるようになっている。なお、図1には原理的に図示した関係上1つのセル2のみを図示しているが、図示省略の複数のセルによりセルスタックとして構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a solid oxide fuel cell to which a stopping method according to an embodiment of the present invention is applied.
上記セル2は、小径円筒形状のアノード(燃料極)21と、この外周側を覆う大径円筒形状のカソード(空気極)22とが間に電解質23を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものであり、複数のセルが所定間隔ずつ隔てた状態で立設されてセルスタックが構成されている。つまり、カソード22が内部空間11に露出し、アノード21はカソード22等により内部空間11からは遮蔽されている。アノード21や、カソード22はいずれもNi等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質23は例えばYSZ(イットリウム安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されたものである。
The cell 2 is concentrically integrated with a small-diameter cylindrical anode (fuel electrode) 21 and a large-diameter cylindrical cathode (air electrode) 22 covering the outer peripheral side with an
セル2のアノード21の内周面により構成される内孔211は底室12に連通されており、底室12に対し改質器3から供給された燃料ガスが内孔211の下端から上端に向けて流されるようになっている。又、セル2の外周面がカソード22の外周面221により構成され、空気用熱交換器4から供給口13を通して内部空間11にカソード空気が噴出されることにより上記外周面221に対し供給されるようになっている。カソード22ではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質23を通り、アノード21では燃料ガスの水素と反応して水(水蒸気)を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード22側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。内孔211に供給された燃料ガスは内孔211を上方に向けて通過する間に上記反応に利用された後、内孔211の上端から排出されるオフガスが改質器バーナ31に導かれて燃焼用の燃料として利用されるようになっている。又、内部空間11に供給されたカソード空気は上方に排気され、改質器バーナ31からの燃焼排ガスと共に、排ガスとして予熱・蒸発器5に送られるようになっている。その際、上記排ガスは空気を加熱するための熱源として空気用熱交換器4を通過するようになっている。
An
上記セル2のアノード21及びカソード22の各温度(各電極表面温度;以下、「アノード温度」又は「カソード温度」ということもある)を検出・把握するために温度センサ24,25が設けられている。これら温度センサ24,25は、上記各表面温度を非接触式で検出するものや、あるいは、各電極表面近傍を流れる流体の温度を検出することでその電極表面温度を把握するものにより構成すればよい。
燃料ガス回路6には、元ガス電磁弁やガバナ等からなる調整弁61と、バッファータンク62、ガス流量センサ63、脱硫器64及び逆止弁65等とが介装され、予熱・蒸発器5に入る前に改質用空気供給回路7が合流するようになっている。改質用空気供給回路7には、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給する改質用空気ブロワ71と、バッファータンク72、改質空気用流量センサ73と及び逆止弁74等とが介装されている。そして、改質用空気供給回路7が合流された燃料ガス回路6には、予熱・蒸発器5内において、水供給処理回路9からの純水が供給され、この純水が予熱・蒸発器5において水蒸気に蒸発した状態で改質器3に送られるようになっている。カソード空気供給回路8には、改質用空気供給回路7と同様に、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給するカソード空気ブロワ81と、バッファータンク82及びカソード空気用流量センサ83等とが介装されている。
The
水供給処理回路9は、予熱・蒸発器5を通過した後の排ガスに含まれる水分の水回収、回収した凝縮水の精製及び精製後の純水の貯留、並びに、貯留した純水を水蒸気として再利用すべく上記予熱・蒸発器5への供給をそれぞれ行う回路である。図1に示す水供給処理回路9は例示であり、この水供給処理回路9には、排熱回収用熱交換器91と、この熱交換器91で集水された凝縮水を一時貯留する凝縮水タンク92と、フィルタ(例えばカーボンフィルタ)93と、給水ポンプ94と、純水に精製するための逆浸透膜(RO膜)やイオン交換膜等からなる水精製部95と、精製後の純水を貯留する純水タンク96と、純水タンク96の純水を予熱・蒸発器5側に供給するための純水ポンプ97と、その際の純水流量を検出する純水流量センサ98と、逆止弁99とが上流側から順に介装されている。この水供給処理回路9から予熱・蒸発器5に供給された純水は予熱・蒸発器5で蒸発されて水蒸気になって改質器3及び電池本体2のアノード21側に供給されることになる。このため、水供給処理回路9と予熱・蒸発器5とで水蒸気供給回路が構成されることになる。上記排熱回収用熱交換器91では、予熱・蒸発器5で顕熱回収された後の排ガスの潜熱回収を行うことにより例えば給湯水等を加熱する一方、その潜熱回収の際に排ガスに含まれる水分を凝縮させて水回収するようなっている。
The water
以上のシステムによる発電のための運転や、運転停止のための停止処理はコントローラ10により制御される。以下、図2及び図3を参照しつつ、停止処理について説明する。まず、両電極の温度検出と、この温度検出値に基づき各電極に流す冷却用の流体の流量初期値(FF値;フィード・フォワード値)の設定とを行う。すなわち、アノード温度Tw及びカソード温度Taを温度センサ24,25からの検出値に基づき検出し(ステップS1)、この温度検出値を用いて図4に示す関係テーブルに基づき水蒸気流量VwのFF値と、空気流量VaのFF値との設定を行い、各FF値による水蒸気をアノード21の側(内孔211)に、空気をカソード22の側(外表面221)にそれぞれ流す(ステップS2)。つまり、燃料ガス回路6による燃料ガスの供給を停止して、アノード21の側には水供給処理回路9からの純水の供給及び改質用空気供給回路7からの空気の供給に基づき水蒸気を供給し、カソード22の側にはそれまでと同様に空気を供給する。加えて、アノード21とカソード22との冷却度合が互いに同じ(均一)になるような水蒸気及び空気の各FF値を設定する。設定されたFF値の流量になるように、アノード21側への水蒸気であれば水供給処理回路9の純水ポンプ97の作動制御を純水流量センサ98に基づいて行い、カソード22側への空気であればカソード空気供給回路8のカソード空気ブロワ81の作動制御をカソード空気用流量センサ83に基づいて行う。
Operation for power generation by the above system and stop processing for operation stop are controlled by the
水蒸気流量VwのFF値と、空気流量VaのFF値との設定は、図4のレイノズル数Reの割り出しのための関係テーブルと、この関係テーブルから割り出されるレイノルズ数Reと、上記各FF値との関係について予め定めたFF値割り出しのための関係テーブルとを用いて次のようにして行う。まず、図4の関係テーブルは、縦軸に[h(熱伝達率)×A(表面積)]を、横軸にレイノルズ数Reをとり、種々の温度の空気と水蒸気との場合の特性を表したものである。縦軸のA(表面積)は、空気の場合であるとカソード22の外周面221の表面積であり、水蒸気の場合であるとアノード21の内孔211の内周面の表面積である。熱伝達率は単位時間・単位温度・単位面積当たりの伝熱量であるため、縦軸は、空気の場合であるとカソード22の外表面に空気を流した場合のカソード22への伝熱量を表し、水蒸気の場合であるとアノード21の内表面に水蒸気を流した場合のアノード21への伝熱量を表すことになる。従って、その時点のカソード温度Ta(カソード22の外表面近傍を流れる空気の温度を検出することにより把握)に対応する温度の空気による伝熱特性ライン(図4の破線)と、アノード温度Tw(アノード21の内表面近傍を流れる水蒸気の温度を検出することにより把握)に対応する温度の水蒸気による伝熱特性ライン(図4の実線)との交点が、空気とカソード22との間の伝熱量及び水蒸気とアノード21との間の伝熱量が互いに均一になるポイントを示すことになるため、このときのレイノルズ数Reを横軸から割り出す。例えば空気の温度(カソード温度Taが対応)が400℃で、水蒸気の温度(アノード温度Twが対応)が400℃の場合であると、そのときの双方の伝熱特性ラインの交点におけるレイノルズ数Reは「55」であると割り出すことができる。あとはFF値割り出しのための関係テーブルからレイノズル数が「55」の場合の水蒸気流量VwのFF値と、空気流量VaのFF値とを割り出して設定すればよい。
The setting of the FF value of the water vapor flow rate Vw and the FF value of the air flow rate Va includes the relationship table for calculating the Reynolds number Re in FIG. 4, the Reynolds number Re calculated from this relationship table, and the FF values described above. A relationship table for determining the FF value determined in advance is used as follows. First, the relationship table in FIG. 4 shows [h (heat transfer coefficient) × A (surface area)] on the vertical axis and Reynolds number Re on the horizontal axis, and shows the characteristics of air and water vapor at various temperatures. It is a thing. A (surface area) on the vertical axis is the surface area of the outer
図2に戻り、以上のFF値の水蒸気流量Vwと空気流量Vaとを流しながら、アノード温度Tw及びカソード温度Taの変動を監視する(ステップS3)。アノード温度Twがカソード温度Taよりも高い場合には(ステップS3でYES)、水蒸気流量Vwを相対的に増大させる。すなわち、現在の水蒸気流量Vwが最大値でなければ水蒸気流量Vwを増加させ、現在の水蒸気流量Vwが既に最大値で供給しているのであれば空気流量Vaを減少させる(ステップS4)。逆に、カソード温度Taがアノード温度Twよりも高い場合には(ステップS3でNO)、空気流量Vaを相対的に増大させる。すなわち、現在の空気流量Vaが最大値でなければ空気流量Vaを増加させ、現在の空気流量Vaが既に最大値で供給しているのであれば水蒸気流量Vwを減少させる(ステップS5)。このようにしてアノード21及びカソード22に対する冷却のための伝熱量が互いに均一になるように制御することで、アノード温度Tw及びカソード温度Taが互いにほぼ等しい温度になるまで、ステップS3〜S6を繰り返す(ステップS6でNO)。
Returning to FIG. 2, the fluctuations in the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are monitored while the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va having the above FF values are supplied (step S3). If the anode temperature Tw is higher than the cathode temperature Ta (YES in step S3), the water vapor flow rate Vw is relatively increased. That is, if the current water vapor flow rate Vw is not the maximum value, the water vapor flow rate Vw is increased, and if the current water vapor flow rate Vw is already supplied at the maximum value, the air flow rate Va is decreased (step S4). Conversely, when the cathode temperature Ta is higher than the anode temperature Tw (NO in step S3), the air flow rate Va is relatively increased. That is, if the current air flow rate Va is not the maximum value, the air flow rate Va is increased, and if the current air flow rate Va is already supplied at the maximum value, the water vapor flow rate Vw is decreased (step S5). By controlling the heat transfer amounts for cooling the
そして、アノード温度Tw及びカソード温度Taが互いにほぼ等しい温度になれば(ステップS6でYES)、水蒸気流量Vwと空気流量Vaとの増減変更を停止し、それまでの水蒸気流量Vw及び空気流量Vaの各値、つまりアノード温度Tw及びカソード温度Taが互いにほぼ等しい温度になった時点の水蒸気流量Vw及び空気流量Vaの各値での供給を維持する(ステップS7)。その水蒸気流量Vw及び空気流量Vaの各値での供給維持で、再度、アノード温度Tw及びカソード温度Taが互いにほぼ等しい温度を維持しているか否かを判定し(ステップS8)、互いに等しい温度に維持されていなければ、ステップS3に戻ってステップS3〜S7までを繰り返す(ステップS8でNO)。アノード温度Tw及びカソード温度Taが互いに等しい温度を維持していれば(ステップS8でYES)、カソード温度Ta(又はアノード温度Tw)が温度T2(アノード21又は改質器3の触媒が酸化しない温度として設定した温度、例えば200℃)まで低下するまで、その水蒸気流量Vw及び空気流量Vaの各値での供給を維持して冷却を継続させる(ステップS9でNO)。
When the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta become substantially equal to each other (YES in step S6), the change in increase / decrease between the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va is stopped, and the previous water vapor flow rate Vw and air flow rate Va are changed. The supply at each value of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va when the respective values, that is, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta become substantially equal to each other is maintained (step S7). By maintaining the supply at each value of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va, it is determined again whether or not the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are maintained substantially equal to each other (step S8). If not maintained, the process returns to step S3 and repeats steps S3 to S7 (NO in step S8). If the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are kept equal to each other (YES in step S8), the cathode temperature Ta (or the anode temperature Tw) is the temperature T2 (the temperature at which the catalyst of the
そして、カソード温度Ta(又はアノード温度Tw)が温度T2まで低下すれば(ステップS9でYES)、ポストパージに入る(ステップS10)。ポストパージは、カソード22側への空気の供給を継続させる一方、水供給処理回路9による純水供給を停止させ、改質用空気供給回路7の改質空気用ブロワ71を作動させてアノード21の側にも空気を供給する。例えば改質器空気流量として50L/min、カソード空気流量として50L/minを設定して所定のポストパージ時間だけ流す。このポストパージの終了により完全停止させる。
When the cathode temperature Ta (or the anode temperature Tw) decreases to the temperature T2 (YES in step S9), the post purge is started (step S10). In the post-purge, while the supply of air to the
以上の実施形態の場合には、アノード21及びカソード22の両者の温度降下が互いに同じになるように冷却のための流体を供給し、すなわち、アノード21には水蒸気を、カソード22には空気をそれぞれ供給して冷却させることができる。つまり、アノード21に対しては水蒸気を供給することで、改質器3の触媒のみならずアノード21の酸化を防止した状態で冷却用の媒体として水蒸気を流し、カソード22に対しては冷却用媒体として空気を流すようにした状態で、さらに、異なる流体を冷却用の媒体として流しつつも、又、アノード21及びカソード22が冷却対象の面積や容積等の相違を有していても、両者を互いに均一に冷却させることができる。これにより、冷却に伴うアノード21とカソード22との間の熱応力のバラツキ発生を確実に回避することができ、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれを確実に回避することができる。しかも、このように燃料電池を構成するアノード及びカソードの損傷発生を確実に回避した冷却を行いつつも、冷却媒体としての水蒸気及び空気の各流量値の効率的な割り出しに基づき、効率的にかつ迅速に冷却を行うことができるようになり、冷却時間の大幅な短縮化をも図ることができる。さらに、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止させるため、燃料ガスの浪費を抑えたりCO2発生も無くすことができる上に、燃料ガスの燃焼がないことから冷却速度の向上も見込むことができ、冷却時間の短縮化に一層寄与することになる。
In the case of the above embodiment, the cooling fluid is supplied so that the temperature drops of both the
<他の実施形態>
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、円筒型のセルを例示したが、これに限らず、板状のセルや、これを複数積層したタイプのセルスタックに対し本発明の停止方法を適用することができる。
<Other embodiments>
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Various other embodiments are included. That is, in the above-described embodiment, a cylindrical cell is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the stopping method of the present invention can be applied to a plate-shaped cell or a cell stack of a type in which a plurality of cells are stacked.
上記実施形態の停止方法では、アノード温度Twとカソード温度Taとが互いに等しくなるようにしているが(図2のステップS6又はステップS8参照)、これに限らず、アノード温度Twとカソード温度Taとの両者の温度差が所定の一定値範囲(例えば50℃未満)に納まるように水蒸気流量Vw及び空気流量Vaの増減変更を制御するようにしてもよい。 In the stopping method of the above embodiment, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are set to be equal to each other (see step S6 or step S8 in FIG. 2), but not limited thereto, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta The increase / decrease change of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va may be controlled so that the temperature difference between the two falls within a predetermined constant value range (for example, less than 50 ° C.).
1 電池本体
5 予熱・蒸発器(水蒸気供給回路)
7 改質用空気供給回路(空気供給回路)
8 カソード空気供給回路
9 水供給処理回路(水蒸気供給回路)
10 コントローラ
21 アノード
22 カソード
23 電解質
24,25 温度センサ
1
7 Air supply circuit for reforming (air supply circuit)
8 Cathode
10
Claims (3)
停止処理の開始に伴い、上記アノードに対する燃料ガスの供給を停止して上記アノードに対し水蒸気を流す一方、上記カソードに対し空気を流すようにして冷却処理を行いつつ、上記アノードの温度及び上記カソードの温度の互いの変動を監視し、両温度値の温度差が一定値範囲内におさまるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにし、かつ、
上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量のそれぞれの初期値として、その水蒸気と上記アノードとの間の伝熱特性と、その空気と上記カソードとの間の伝熱特性とが互いに等しくなるレイノルズ数を割り出した上で、割り出したレイノルズ数に基づいて設定する、
ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の停止方法。 Supplying fuel gas to the anode on one side with the electrolyte made of solid oxide, while supplying air to the cathode on the other side, and the supply flow rate of air to the cathode of this battery body is variable When stopping the power generation operation of the battery body for a solid oxide fuel cell including a cathode air supply circuit for supplying water to the anode and a water vapor supply circuit for supplying water vapor to the anode in a variable supply flow rate A method for stopping a solid oxide fuel cell, comprising:
Along with the start of the stop process, the supply of fuel gas to the anode is stopped and water vapor flows to the anode, while the cooling process is performed by flowing air to the cathode, the temperature of the anode and the cathode The flow rate of water vapor flowing to the anode and the flow rate of air flowing to the cathode are respectively controlled to increase / decrease so that the temperature difference between the two temperature values falls within a certain range. And
As initial values of the water vapor flow rate flowing through the anode and the air flow rate flowing through the cathode, the heat transfer characteristics between the water vapor and the anode and the heat transfer characteristics between the air and the cathode are equal to each other. the Reynolds number on you out split made, to be set on the basis of the Reynolds number of indexing,
Solid body oxide fuel cell how to stop, characterized in that.
上記アノードの温度及び上記カソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにする、固体酸化物型燃料電池の停止方法。 A method for stopping a solid oxide fuel cell according to claim 1,
Solid oxide type, wherein both the flow rate value of water vapor flowing to the anode and the flow rate of air flowing to the cathode are controlled to increase / decrease so that the temperature of the anode and the temperature of the cathode are substantially equal to each other How to stop the fuel cell.
上記アノードに対し空気を供給流量可変に供給する空気供給回路をさらに備え、上記アノードに対する水蒸気の供給と、カソードに対する空気の供給とによって上記アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、上記アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに上記空気供給回路からアノードに対し空気を供給して水蒸気をパージするようにする、固体酸化物型燃料電池の停止方法。 A method for stopping a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2 ,
An air supply circuit for supplying air to the anode at a variable supply flow rate, and when the temperature value of the anode or the cathode is lowered to a set value by the supply of water vapor to the anode and the supply of air to the cathode, A method for stopping a solid oxide fuel cell, wherein supply of water vapor to the anode is stopped, and instead, air is supplied from the air supply circuit to the anode to purge water vapor.
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