JP6172616B2 - 固体酸化物型燃料電池システム - Google Patents
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Description
また、このように構成された本発明によれば、緊急排出手段が発電室内の自然対流の促進により発電室内の気体の排出するので、発電室内の気体を強制的に排出するための動力を使用することなく、気体の排出を促進することができる。
このように構成された本発明によれば、商用電源の供給が喪失されていない第2緊急停止の場合には、緊急排出手段を使用せず、空気供給装置の作動のみで流出した燃料ガスを確実に排気することができる。
このように構成された本発明によれば、緊急排出手段が常開型バルブにより構成されているので、簡単な構成により確実に緊急排出手段を作動させることができる。
このように構成された本発明によれば、空気の供給に通常使用されている空気供給系統の一部をバイパスするだけで、大気から発電室内に空気を取り込む流路抵抗を低下させることができ、簡単な構造で緊急排出手段を構成することができる。
このように構成された本発明によれば、外気を発電室の下方から流入させ、温度の高い発電室内の気体を上部の排気ポートから排出するので、自然対流により効率的に燃料を排出することができる。
このように構成された本発明によれば、常開型バルブが開放された際に、発電室内の気体が常開型バルブを逆流して外気に排出されることがなく、高温の気体が通常の排気経路ではない出口から外気に排出されるのを防止することができる。
このように構成された本発明によれば、燃料極側から空気極側へ流出する燃料の流量を、排気ポートを通って外気に排出される気体の流量よりも少なくすることができ、流出した燃料が発電室内に充満するのを防止することができる。
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システム(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システム(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システム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システム(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、発電用の空気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、改質用の空気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)
図1に示すように、発電用の空気は、空気供給源40から逆止弁42、発電用空気流量調整ユニット45を介して燃料電池モジュール2の発電室10内に供給される。一方、常開型バルブ46は、空気供給源40と発電室10を直接連通させる管路の途中に設けられており、これが開放されると、空気供給系統のうちの逆止弁42及び発電用空気流量調整ユニット45がバイパスされ、空気供給源40である外気と発電室10が直接連通される。これにより、大気から発電室10内に空気を取り込む流路の流路抵抗が低下される。なお、空気供給源40と常開型バルブ46の間には空気フィルター(図示せず)等が設けられており、常開型バルブ46が開放された状態においても、空気供給源40と発電室10との間には所定の流路抵抗が存在する。常開型バルブ46は、所謂ノーマルオープン型のバルブであり、これを作動させる電源が喪失されると開放された状態となる。固体酸化物型燃料電池システム1の通常動作中は、常開型バルブ46は常に閉鎖された状態にあり、緊急停止により常開型バルブ46への給電が不可能な状態となると自動的に開放される。即ち、常開型バルブ46は、給電が途切れると、制御部110からの制御信号を受けることなく自律的に開放される。
図13は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム1における緊急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、何れの緊急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システム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システム1において、第1緊急停止モード(図13のステップS2)により停止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は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム1において、第2緊急停止モード(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。
上述した本発明の実施形態においては、緊急停止により制御部110の作動が停止された状態において、発電室10内の気体の排出を促進する緊急排出手段として常開型バルブ46が使用されていた。本変形例においては、緊急排出手段として、蓄電池により作動される排出用ファンが使用されている点が上述した実施形態とは異なり、その他の構成は上述した実施形態と同様である。
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(排気ポート)
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
42 逆止弁
44 改質用空気流量調整ユニット(改質用の空気供給装置)
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用の空気供給装置)
46 常開型バルブ(緊急排出手段)
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
77a 吹出口(空気流入ポート)
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(細管)
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
200 本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池システム
202 排出用ファン(緊急排出手段)
202a 蓄電池
204 排出用ファン(緊急排出手段)
204a 蓄電池
Claims (9)
- 燃料を水蒸気改質して生成した水素と空気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システムであって、
発電室内に燃料電池セルスタックを収容し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空気極側に空気を供給する空気供給装置と、
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し、改質された燃料を上記燃料電池セルスタックの燃料極側に供給する改質器と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、上記空気供給装置、及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しの制御を実行するようにプログラムされたコントローラと、
緊急停止により上記コントローラの作動が停止された状態において、上記発電室内の気体の排出を促進する緊急排出手段と、を有し、
上記緊急排出手段は、上記発電室の内部と大気の間を連通させ、上記発電室内の自然対流を促進することにより上記発電室内の気体の排出を促進することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。 - 上記緊急停止は、燃料の供給及び商用電源の供給が停止された場合における第1緊急停止、及び燃料の供給のみ停止された場合における第2緊急停止を含み、上記コントローラは、上記第2緊急停止においては、上記燃料供給装置による燃料供給及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行した後、上記空気供給装置を所定時間作動させるようにプログラムされ、上記第1緊急停止の場合には、上記コントローラの作動停止により燃料供給及び電力の取り出しが停止した後、上記緊急排出手段が自律的に上記発電室内の気体の排出を促進する請求項1記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 上記緊急排出手段は、上記第2緊急停止の場合には作動されない請求項2記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 上記緊急排出手段は、商用電源の供給が停止されると自動的に開放される常開型バルブにより構成され、この常開型バルブが開放されることにより、大気から上記発電室内に空気を取り込む流路の流路抵抗が低下される請求項1記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 上記常開型バルブは、大気から上記空気供給装置を介して上記発電室内に空気を供給する空気供給系統の少なくとも一部をバイパスするように設けられている請求項4記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 発電運転時において上記発電室内の気体を排出する排気ポートが、上記発電室の上部に設けられ、上記常開型バルブを通過した外気が流入する空気流入ポートは、上記発電室の上記排気ポートよりも下方に設けられている請求項5記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 大気から上記常開型バルブを介して上記発電室に至る流路の流路抵抗は、上記常開型バルブが開放されたとき、自然対流により上記発電室内の気体が上記排気ポートから排出され、外気が上記空気流入ポートから上記発電室内に吸入されるように設定されている請求項6記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 上記発電室内の気体を上記排気ポートを介して外気に排出する流路の流路抵抗は、上記燃料電池セルスタックの燃料極側から空気極側に至る流路の流路抵抗よりも小さく構成されている請求項7記載の固体酸化物型燃料電池システム。
- 上記燃料電池セルスタックは複数の燃料電池セルユニットから構成され、上記各燃料電池セルユニットの上端には燃料極側と空気極側を連通させる細管が設けられ、この細管は、出口が上記排気ポートに近接するように、上方に向けて延びている請求項8記載の固体酸化物型燃料電池システム。
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