JP6094737B2 - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents
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Description
特開2010−27579号公報(特許文献2)には、燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、緊急停止時において、改質器に燃料を供給する送出ポンプ、水蒸気改質用の水を供給する改質水ポンプ、及びセルスタックの空気極側に空気を送る空気ブロアを停止させる。その後、緊急停止時作動制御により送出ポンプ及び改質水ポンプが再び作動されると、燃料供給源からの燃料ガスの供給が遮断された状態であっても、吸着器に吸着されていた燃料ガスが改質器に送られ、改質水ポンプから供給された水により、水蒸気改質が行われる。これにより、燃料ガスの供給が遮断された後も、所定期間に亘ってセルスタックの燃料極に改質燃料が供給され、空気が逆流することによる燃料極の酸化が防止される。
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、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器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内のケース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。
改質器導入管62は、改質器20の一端の側壁面から延びる円管であり、90゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース8の上端面を貫通している。なお、改質器導入管62は、改質器20に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管62の上端には、T字管62aが接続されており、このT字管62aの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管63aはT字管62aの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管63bはT字管62aの他方の側端から水平方向に延びた後、U字型に屈曲され、水供給用配管63aと同様の方向に、概ね水平に延びている。
また、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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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は、8本ずつ2列に並べて配置されている。各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板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。また、制御部110には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。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。
図7は改質器20の斜視図であり、図8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9は、改質器20内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
なお、本実施形態においては、蒸発部、混合部、改質部が一体に構成され、1つの改質器を形成しているが、変形例として、改質部のみを備えた改質器を設け、この上流側に隣接して混合部、蒸発室を設けることもできる。
また、混合部20bと改質部20cの間には、混合/改質部隔壁20fが設けられ、この混合/改質部隔壁20fには多数の連通孔20gを設けることにより狭小流路が形成されている。混合部20b内において混合された燃料ガス等は、これらの連通孔20gを通って改質部20cに流入する。
整流板21は、ケース8の天井面と改質器20の間に、水平に配置された板材である。この整流板21は、燃焼室18から上方に流れる気体の流れを整え、空気用熱交換器22の入り口(図2の連通開口8a)に導くように構成されている。燃焼室18から上方へ向かう発電用空気及び燃焼ガスは、整流板21の中央に設けられた開口部21aを通って整流板21の上側に流入し、整流板21の上面とケース8の天井面の間の排気通路21bを図2における左方向に流れ、空気用熱交換器22の入り口に導かれる。また、図11に示すように、開口部21aは、改質器20の改質部20cの上方に設けられており、開口部21aを通って上昇した気体は、蒸発部20aとは反対側の、図2、図11における左側の排気通路21bに流れる。このため、蒸発部20aの上方の空間(図2、図11における右側)は、改質部20cの上方の空間よりも排気の流れが遅く、排気の流れが淀む気体滞留空間21cとして作用する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管63b、T字管62a、改質器導入管62を介して改質器20の蒸発部20aに導入されると共に、純水は、水供給用配管63a、T字管62a、改質器導入管62を介して蒸発部20aに導入される。従って、供給された燃料及び水はT字管62aにおいて合流され、改質器導入管62を通って蒸発部20aに導入される。発電運転中においては、蒸発部20aは高温に加熱されているため、蒸発部20aに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部20b内で混合され、改質器20の改質部20cに流入する。水蒸気と共に改質部20cに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部20cにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管64を通って下方に下り、分散室であるマニホールド66に流入する。
図12は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図12の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
まず、図12の時刻t0において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部110が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に導入され、空気用熱交換器22、発電用空気供給路77を経て発電室10内に流入する。また、制御部110は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット44に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール2内に導入された改質用空気は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セルユニット16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t0においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器20内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図12の時刻t0において開始される発電用空気の供給量は約100L/minであり、改質用空気の供給量は約10.0L/minである。
CmHn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部20b内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
CmHn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
まず、図26を参照して、従来の固体酸化物型燃料電池におけるシャットダウン停止時の挙動を説明する。図26は、従来の固体酸化物型燃料電池の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。
図13は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1における停止モードの選択を行う停止判断のフローチャートである。図13のフローチャートは、所定の条件に基づいて、何れの停止モードを選択するかを判断するためのフローチャートであり、固体酸化物型燃料電池1の運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。
図14は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1において、停止モード1(図13のステップS2)が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図15は停止モード1が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。
図16は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1において、停止モード2(図13のステップS4)が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図17は停止モード2が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。
図18は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1において、停止モード3(図13のステップS6)が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図19はシャットダウン停止直後を拡大して示すタイムチャートである。図20は停止モード3が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。図22は停止モード3の変形例を示すタイムチャートである。
図21は、停止前処理における水供給のフローチャートであり、固体酸化物型燃料電池1の運転中において、シャットダウン停止回路110aにより所定の時間間隔で繰り返し実行される。まず、図21のステップS11において、停止前処理が開始されるか否かが判断される。停止前処理が開始された場合には、ステップS12に進み、開始されていない場合には、図21のフローチャートの1回の処理を終了する。
図22に示す変形例では、第2の温度降下工程における発電用空気の供給の仕方が図19とは異なる。図22に示すように、本変形例においては、時刻t303でシャットダウン停止が行われた後、時刻t304まで発電用空気が最大量で供給される。時刻t304においては、発電用空気の供給量が段階的に減少され、減少された供給量が時刻t305まで継続される。好ましくは、時刻t303〜時刻t304の間は約2〜5分に設定し、時刻t304〜t305の間は約2〜20分に設定する。
図23は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池1において、停止モード4(図13のステップS8)が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図24は停止モード4が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。
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 ケース
8a 連通開口
8b 下がり壁
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(蒸発室)
20b 混合部(圧力変動吸収手段)
20c 改質部
20d 蒸発/混合部隔壁
20e 隔壁開口
20f 混合/改質部隔壁(圧力変動吸収手段)
20g 連通孔(狭小流路)
21 整流板(隔壁)
21a 開口部
21b 排気通路
21c 気体滞留空間
21d 縦壁
22 空気用熱交換器(熱交換器)
23 蒸発室用断熱材(内部断熱材)
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
39 バルブ
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット(改質用の酸化剤ガス供給装置)
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用の酸化剤ガス供給装置)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置(排熱回収用の熱交換器)
52 制御ボックス
54 インバータ
62 改質器導入管(水導入管、予熱部、結露部)
62a T字管(結露部)
63a 水供給用配管
63b 燃料ガス供給用配管
64 燃料ガス供給管
64c 圧力変動抑制用流路抵抗部
66 マニホールド(分散室)
76 空気導入管
76a 吹出口
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
85 排気バルブ
86 内側電極端子(キャップ)
98 燃料ガス流路細管(流入側流路抵抗部、流出側流路抵抗部、絞り流路、加速部)
110 制御部(コントローラ)
110a シャットダウン停止回路
110b 圧力保持制御回路
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(需要電力検出手段)
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ
150 外気温度センサ
Claims (15)
- 燃料を水蒸気改質して生成した水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電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、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、
上記燃料電池モジュールに水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
上記燃料電池セルスタックの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
上記燃料電池モジュール内に配置され、上記燃料供給装置から供給された燃料を、上記水供給装置から供給された水を使用して水蒸気改質する改質器と、
上記燃料供給装置から上記改質器、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の燃料極を通って上記燃料電池モジュールの外部へ燃料/排気ガスを導く燃料/排気ガス通路と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、上記酸化剤ガス供給装置、及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、
上記コントローラは、燃料供給及び発電を停止させる緊急停止モード及び通常停止モードによる停止を実行するシャットダウン停止回路を備え、
上記燃料/排気ガス通路は、上記シャットダウン停止回路により燃料供給及び発電が停止された後、上記燃料極の温度が、上記燃料極が酸化されるリスクが低下する所定の酸化抑制温度に低下するまで、上記燃料電池モジュール内の上記燃料極側の圧力を大気圧よりも高く維持すると共に、上記燃料極側の圧力を上記酸化剤ガス極側の圧力よりも高く維持する流路抵抗部を備え、この流路抵抗部は機械的圧力保持手段として機能するように構成され、
上記シャットダウン停止回路は、上記燃料極の温度が上記酸化抑制温度に低下した後、上記燃料極側の温度低下に伴って発生する、上記燃料極側の圧力低下を抑制するように、上記燃料極側の圧力を高める圧力保持制御回路を有し、
上記シャットダウン停止回路は、上記緊急停止モードによる停止の場合には、上記圧力保持制御回路による制御を実行しないことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 - 上記通常停止モードは、予め予定された時機に停止を実行するプログラム停止モードを含み、上記シャットダウン停止回路は、上記プログラム停止モードによる停止の場合には、上記圧力保持制御回路による制御を実行する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記通常停止モードは、使用者の操作に基づいて停止を実行するスイッチ停止モードを含み、上記シャットダウン停止回路は、上記スイッチ停止モードによる停止の場合には、上記圧力保持制御回路による制御を実行しない請求項2記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記機械的圧力保持手段は、燃料供給及び発電が停止された後、上記燃料極側の圧力が、上記酸化剤ガス極側の圧力よりも高い圧力を維持しながら低下し、上記燃料極の温度が上記酸化抑制温度に低下した時点においても、大気圧よりも高い圧力に維持されるように構成されている請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記機械的圧力保持手段は、上記各燃料電池セルユニットの燃料極側と酸化剤ガス極側を連通させる流出側流路抵抗部を有し、この流出側流路抵抗部の流路抵抗は、燃料供給及び発電が停止された後の上記燃料極側の圧力低下が、上記酸化剤ガス極側の圧力低下よりも緩やかになるように設定されている請求項4記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記シャットダウン停止回路は、上記通常停止モードによる停止の場合には、燃料供給及び発電が停止された直後に、上記燃料電池セルスタックの上記酸化剤ガス極側の温度を低下させる温度降下制御を実行する一方、上記緊急停止モードによる停止の場合には、上記温度降下制御を実行しない請求項3記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記温度降下制御は第1の温度降下工程及び第2の温度降下工程から構成され、上記シャットダウン停止回路は、上記プログラム停止モードによる停止の場合には上記第1及び第2の温度降下工程を実行し、上記スイッチ停止モードによる停止の場合には上記第2の温度降下工程のみを実行し、上記緊急停止モードによる停止の場合には上記温度降下制御を実行しない請求項6記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記温度降下制御は第1の温度降下工程及び第2の温度降下工程から構成され、上記シャットダウン停止回路は、上記プログラム停止モードによる停止の場合には上記第1及び第2の温度降下工程を実行し、上記スイッチ停止モードによる停止の場合には、上記プログラム停止モードの場合よりも短時間の上記第1の温度降下工程を実行した後、上記第2の温度降下工程を実行し、上記緊急停止モードによる停止の場合には上記温度降下制御を実行しない請求項6記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記シャットダウン停止回路は、燃料供給及び発電を停止させた後、上記圧力保持制御回路による制御が開始されるまでは、上記燃料供給装置、及び上記水供給装置を停止させる請求項4記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記第2の温度降下工程において、上記シャットダウン停止回路は、燃料供給及び発電を停止させた直後に上記酸化剤ガス供給装置を所定の排熱時間作動させ、上記燃料電池モジュール内の上記酸化剤ガス極側に滞留している酸化剤ガスを排出する請求項7又は8記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記第1の温度降下工程において、上記シャットダウン停止回路は、燃料供給及び発電を停止させる直前に、発電量を一定値に低下させると共に、上記酸化剤ガス供給装置による酸化剤ガス供給量を増加させる請求項7又は8記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記圧力保持制御回路は、上記燃料極の温度が上記酸化抑制温度に低下した後、上記水供給装置を作動させることにより、上記改質器内で水を蒸発させ、蒸発された水蒸気の圧力によって上記各燃料電池セルユニットの上記燃料極側の圧力低下を抑制することにより、上記燃料極側への酸化剤ガスの流入を抑制する請求項4記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記燃料極は、上記各燃料電池セルユニットの上端部を除く内壁面に形成され、上記各燃料電池セルユニットの上端にはキャップが取り付けられ、上記流出側流路抵抗部は、上記キャップから上方に延びるように設けられた細長い細管により構成され、上記細管及び上記各燃料電池セルユニット上端部の、上記燃料極が形成されていない部分は、上記細管の上端から侵入した酸化剤ガスが上記燃料極を酸化させるのを防止するバッファ部として機能する請求項5記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記圧力保持制御回路は、上記燃料極の温度が上記酸化抑制温度に低下した後、上記水供給装置を作動させることにより、上記改質器内で水を蒸発させ、蒸発された水蒸気の圧力によって上記各燃料電池セルユニットの上記燃料極側の圧力低下を抑制する圧力保持制御を実行し、上記シャットダウン停止回路は、上記第1の温度降下工程において、上記圧力保持制御中に供給するための水を上記燃料電池モジュールの排気から生成する供給水確保工程を実行する請求項7記載の固体酸化物型燃料電池。
- 上記シャットダウン停止回路は、上記燃料供給装置への燃料の供給が停止された場合には上記緊急停止モードを実行し、上記スイッチ停止モードによる停止の場合には、上記温度降下制御を実行すると共に、上記圧力保持制御回路による制御を実行せず、上記プログラム停止モードによる停止の場合には、上記温度降下制御及び上記圧力保持制御回路による制御を実行する請求項6記載の固体酸化物型燃料電池。
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