JP6023917B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明者は「背景技術」にて記載した特許文献1に係るSOFCの起動時に実施するシーケンス制御に関して鋭意研究したところ、以下の知見を得た。まず、特許文献1に係るSOFCの、起動時に実施するシーケンス制御について説明する。
(固体酸化物形燃料電池の構成)
図1は、本発明の実施の形態1における固体酸化物形燃料電池(SOFC)の全体構成を示す模式図である。なお、図1では、発明をより明確に説明するため、燃料電池モジュール1において原料、改質ガス、改質用空気、改質用水、および発電用空気の流通経路については特には明記していない。
次に、上記した構成を有する実施の形態1に係るSOFCの起動時の主な動作処理について説明する。まず、起動時には、原料と発電用空気とが燃焼室5に供給される。具体的には、補機ユニット2の原料供給部10が、都市ガス(13A)等の原料を、原料流量制御部14を介して燃料電池モジュール1内に供給する。燃料電池モジュール1内に供給された原料は、改質部6を通過した後、燃料電池セル3それぞれを流通し、各燃料電池セル3の上方端部の出口部3aから燃焼室5へと噴出する。一方、補機ユニット2の発電用空気供給部12が、発電用空気を、発電用空気流量制御部16を介して燃料電池モジュール1内に供給する。燃料電池モジュール1内に供給された発電用空気は、空気予熱部7を流通し複数の燃料電池セル3それぞれへと送出させられる。そして、発電用空気は、各燃料電池セル3の上方端部の出口部3a側から燃焼室5へと送出される。
ここで、以下において実施の形態1に係るSOFCのように着火時に改質用空気の供給を停止させる構成と、従来のように着火時にも改質用空気の供給を停止させない構成とを比較し、一酸化炭素の発生について説明する。
実施の形態1に係るSOFCでは、図2に示すように着火後に再度、供給する改質用空気は、改質部6が所望の温度まで加熱された時点で所定流量、燃料電池モジュール1へ供給される構成であった。しかしながら、図3に示すように単位時間当たりの流量が所定流量以下となる範囲内で、かつ、例えば、単調増加するように燃料電池モジュール1へ徐々に供給するように構成されてもよい。図3は、本発明の実施の形態1の変形例1に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の起動時の作動の一例を示すタイムチャートである。図3は、図2と同様に、着火の前後と改質部6においてオートサーマル改質反応が実施されるまでの期間について示しており、プリパージを実施する期間、着火を行う期間、着火により原料が燃焼する期間、部分酸化改質反応〜オートサーマル改質反応を進行させる期間に区別することができる。
上記した実施の形態1に係るSOFCおよび変形例1に係るSOFCでは、SOFCの起動時、特に着火前後と改質部6で部分酸化改質反応を進行させる期間において、改質用空気の供給タイミングを工夫することで一酸化炭素の発生を抑制する構成について説明した。
次に、図5を参照して、上記した構成を有する実施の形態2に係るSOFCにおいて、改質部6に供給する改質用水の増量を行うタイミングについて説明する。図5は、本発明の実施の形態2に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の起動時に系外へ排出されるCO濃度と排ガス浄化部9の入口部分の温度(入口温度)との関係を示すグラフである。図5において、グラフの横軸は時間(t)、左側の縦軸は系外に排出されるCO濃度(C)、右側の縦軸は排ガス浄化部9の入口温度(T)を示している。
次に、実施の形態3に係るSOFCとして、改質器(被加熱体)6の温度変化に基づき、スタック4の温度変化を把握するとともに、燃焼室5において着火部8により原料に着火されたか否かに関する判定である着火判定処理を行う構成を有するSOFCについて図6および図7を参照して説明する。図6は、本発明の実施の形態3に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の全体構成を示す模式図である。図1および図4と同様に、発明をより明確に説明するため、燃料電池モジュール1において原料、改質ガス(燃料)、改質用ガス、改質用水、および発電用空気の流通経路については特には明記していない。また、図7は、実施の形態3に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の起動時における改質部6およびスタック4それぞれの温度特性を示すグラフである。
実施の形態3に係るSOFCは、改質部6の温度を温度検知センサ18の検知対象とし、温度検知センサ18の検知結果に基づき、主制御部19が原料供給後の改質部6の所定時間における温度変化を把握する。そして、主制御部19が把握した温度変化に基づき着火部8による原料への着火判断を行なうように構成されている。例えば、主制御部19は、原料供給後、所定時間(例えば、20秒)以内に、所定温度(例えば、15℃)以上、改質部6の外壁温度が増加したと判定した場合、燃焼室5において原料に着火したと判断する。一方、主制御部19は、所定時間(例えば、20秒)以内に、改質部6の外壁温度が所定温度(例えば、15℃)未満しか増加しなかった場合、未着火と判断する。
実施の形態3に係るSOFCでは、上記したように、温度変化に対する応答性が高い改質部6の外壁温度を利用して、スタック温度を把握したり、燃焼室5における着火部8による原料の着火判定を行ったりする構成であった。実施の形態3の変形例1に係るSOFCは、上記した改質部6の外壁温度とスタック温度との対応関係を利用して、スタック温度が所定の温度範囲、例えば、耐久限界範囲内となるように管理するように構成する。なお、耐久限界範囲とは、スタック耐久上限温度からスタック耐久下限温度までの範囲を示しており、スタック4が劣化しない範囲として定められている温度範囲である。実機として燃料電池セル3の長寿命化を確保するためには、定格出力で発電が継続されている時のように燃料電池モジュール1が熱的に安定状態となっている場合において、スタック温度が耐久限界範囲内となるように作動させることが重要となる。
次に、実施の形態3の変形例1に係るSOFCにおける、改質部6の外壁温度の制御方法について説明する。
ところで、本発明者は、被加熱体である改質部6の外壁温度と燃焼排ガス中のCO濃度との間にも相関があることを見出した。すなわち、改質部6の外壁温度と、燃焼排ガス中に含まれるCO濃度との関係について検討した。その結果、SOFCの燃焼室5に供給される発電用空気の空気比を増加させると、改質部6の外壁温度は低下するが、改質ガスと発電用空気との拡散が促進されて燃焼排ガス中のCO濃度が低下する。一方、SOFCの燃焼室5に供給される発電用空気の空気比を低下させると、改質部6の外壁温度は増加するが、改質ガスと発電用空気との拡散反応が不十分になって燃焼排ガス中のCO濃度が増加することが分かった。このため、この改質部6の外壁温度と、燃焼排ガス中のCO濃度との関係に基づき、燃焼排ガスの一酸化炭素濃度が所定値(例えば、150ppm)以下になるように改質部6の外壁温度を制御することができることが分かった。
次に、実施の形態3の変形例3に係るSOFCについて説明する。実施の形態3の変形例3に係るSOFCは、実施の形態3の変形例1と変形例2とを組み合わせた構成となっており、発電量に応じた改質部6の外壁温度と、スタック温度と、燃焼排ガス中のCO濃度との対応関係から、発電量に応じてスタック温度が耐久限界範囲内となり、かつ燃焼排ガス中のCO濃度が所定値以下になるように改質部6の外壁温度を制御するように構成する。
2 補機ユニット
3 燃料電池セル
3a 出口部
4 スタック
5 燃焼室
6 改質部
7 空気予熱部
8 着火部
9 排ガス浄化部
10 原料供給部
11 改質用空気供給部
12 発電用空気供給部
13 水供給部
14 原料流量制御部
15 改質用空気流量制御部
16 発電用空気流量制御部
17 水流量制御部
18 温度検知センサ
19 主制御部
20 排ガス出口部
21 浄化部用温度検知センサ
30 記憶装置
30 記憶部
31 テーブル情報
Claims (3)
- 原料を改質した改質ガスと発電用空気とを反応させて発電する燃料電池セルスタックと、該原料を改質して該改質ガスを生成する改質部と、起動時に該原料に着火させる着火部と、該着火部により着火された原料が発電用空気とともに燃焼させられる空間である燃焼部と、を有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに原料を供給する原料供給部と、
前記燃料電池モジュールに発電用空気を供給する発電用空気供給部と、
前記改質部に改質用空気を供給する改質用空気供給部と、
前記改質部に改質用水を供給する水供給部と、を備え、
起動時において前記原料供給部が原料を、前記発電用空気供給部が前記発電用空気をそれぞれ前記燃焼部に供給し、かつ、改質用空気供給部が前記改質用空気の供給を停止させた状態で、前記着火部により原料が着火された後、前記改質用空気供給部が前記改質用空気を前記燃焼部に供給する固体酸化物形燃料電池。 - 前記改質用空気供給部は、着火後において、前記改質用空気を、単位時間当たり所定流量以下となる範囲内で増加させかつ、単位時間当たりの該改質用空気の流量の変化率を示す傾きの大きさが所定の範囲内となるように、前記燃焼部に供給する請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。
- 着火前においてプリパージとして前記発電用空気供給部が前記発電用空気を、前記改質用空気供給部が前記改質用空気をそれぞれ供給した後、該改質用空気供給部は前記改質用空気の供給を停止させる一方、前記原料供給部が前記原料の供給を開始し、前記燃焼部において前記着火部が前記原料を着火させ、前記発電用空気と共に燃焼させる請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池。
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