JP6394944B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
更に詳細には、本発明は、未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する燃料電池発電システムに関する。
なお、本発明の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池及び金属支持型固体酸化物形燃料電池が、複数の単セルが積層されて形成されたスタック構造を有するものなどであることが特に好ましい。
このような固体酸化物形燃料電池の一般的な製造方法としては、まず、支持体上に燃料極と電解質を積層し、次いで、共焼成することによって、ハーフセルを得る。しかる後、このハーフセル上に空気極を塗布し、次いで、ハーフセルと共に、空気雰囲気下、1000℃近くの温度で空気極を焼成し、フルセルを得る。
このような燃料極支持型の固体酸化物形燃料電池においては、支持体と燃料極の双方が、酸化ニッケル(NiO)やイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような酸化物からなるため、空気極を焼成する際に、支持体や燃料極と同一の空気雰囲気下で行うことができる。
上述のような製造方法で、フルセルを得てからスタッキングをし、更にシステムへ組み込むことが一般的である。この際、空気極を含め、各層を焼成してあるため、発電当初から性能をフルに発揮することができる。
金属支持型の固体酸化物形燃料電池のメリットとしては、支持体が金属であるため、燃料電池単セルの薄型化が容易になり、それに伴いシステムの小型化が実現できることを挙げることができる。
そのため、酸素の存在が必要となる空気極の焼成は、金属支持体(基板)/燃料極とは異なった、隔離した空気雰囲気下で行わなければならない。なお、空気極の焼成に際して、酸素がないと空気極材料中の酸素が抜けやすく、性能が低下する。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の燃料極への燃料供給流量及び燃料供給方向を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の空気極及び燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極及び燃料極の焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに未焼成の空気極への空気供給方向と未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
そのため、専用設備を用いることなく、製造コストを削減しつつ、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の空気極などを焼成し得る燃料電池発電システムを提供することができる。
まず、第1の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。図1は、本実施形態の燃料電池発電システム1の概略を示す構成図である。
図1に示すように、燃料電池発電システム1は、空気極11A及び燃料極11Bを備えた燃料電池11と、燃料電池11の空気極11Aに空気(酸化剤ガス)を供給する第1空気ブロワ12と、第1空気ブロワ12より供給される空気を加熱する空気加熱熱交換器13と、空気加熱熱交換器13より供給される空気の供給方向を切り替える切替弁14と、供給される燃料を改質して燃料電池11の燃料極11Bに改質燃料を供給する燃料改質器15と、燃料改質器15に炭化水素燃料等の燃料を供給する第1燃料ポンプ16と、を備えている。
また、制御装置28は、例えば、第1空気ブロワ12と協働して、空気供給流量制御装置として機能することができる。
更に、制御装置28は、例えば、切替弁14と協働して、更には温度計測装置25A,25Bと協働して、空気供給方向切替装置として機能することができる。
また、制御装置28は、例えば、制御効果判断装置として機能することもでき、例えば、温度計測装置25A,25Bと協働して、温度計測装置25A,25Bにより計測される空気出口温度や空気出口温度の上昇幅に基づいて、空気供給流量の増量制御による効果の有無を判断することができる。
そして、これら一定発電出力取出装置、空気供給流量制御装置、空気供給方向切替装置、制御効果判断装置などは協働して、空気極焼成装置Bとして機能することができる。
まず、燃料電池発電システム1は、燃焼バーナ21を駆動して燃料電池発電システム1の起動を行う。具体的には、図示しない電気ヒータ等により燃料電池11を加熱することにより、燃料電池11の運転温度を変化させ、かつ、燃料電池11の空気極11Aに供給する空気量、及び燃料極11Bに供給する燃料量を変化させて、出力電力の変化に対応させる。特に、焼成運転を開始する際には、初期的な処理動作として、第2空気ブロワ22を作動させ、かつ、第2燃料ポンプ23を作動させることにより、燃焼バーナ21に空気及び燃料を供給する。
そして、燃焼バーナ21にて空気と燃料とを燃焼させ、加熱された空気などの燃焼ガスを燃料電池11の空気極11Aに供給する。従って、燃料電池11は、燃焼バーナ21より供給される燃焼ガスにより昇温される。
図2に示すように、発電が開始されると、破線で示すように、セル内位置が空気入口から空気出口へ移行するにしたがって、セル温度が高めになるような分布をしている。
この理由としては、空気入口より暖まった空気が供給され、発電が開始され、発電と共に熱が発生すると、発熱した熱の全てが排気ガスに吸収されることはなく、セル自体の温度が上昇するためと考えられる。
燃料電池は、一定の発電出力が取り出されるように制御されているため、空気入口側の温度を低下させると、空気入口側における発電量も低下する。その代わり、空気出口側における発電量が増加し、全体の出力バランスを維持しようとする。なお、例えば、空気供給流量を増加させることにより、空気入口側の温度を低下させることができる。
その結果、図2において、実線で示すように、下流側で発電量が増加した分、空気出口側におけるセル温度が上昇する。セル温度が上昇すると、空気極の焼成温度(1000℃)付近まで温度を高めることができる。
図3に示すように、発電が開始されると、破線で示すように、セル内位置が空気入口から空気出口へ移行するにしたがって、セル温度が高めになるような分布をしている。
また、燃料電池は、一定の発電出力が取り出されるように制御されているため、空気入口側の温度を低下させると、空気入口側における発電量も低下する。その代わり、空気出口側における発電量が増加し、全体の出力バランスを維持しようとする。上述したように、例えば、空気供給流量を増加させることにより、空気入口側の温度を低下させることができる。
その結果、図3において、実線で示すように、下流側で発電量が増加した分、空気出口側におけるセル温度が上昇する。セル温度が上昇すると、空気極の焼成温度(1000℃)付近まで温度を高めることができる。
図4は、本実施形態の燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の一例を示すフローチャートである。
図4に示すように、焼成運転を開始するに当たり、工程1(図中においてはS1と記載する。以下同様。)においては、空気及び燃料を供給し、定格運転を開始して、工程2に進む。
また、工程2においては、空気供給流量を増加させ、発電量を高めるセル内位置を調整して、工程3に進む。
更に、工程3においては、空気出口温度が、所定の焼成温度に到達したか否かを判断する。所定の焼成温度に到達した場合には、工程4に進む。一方、所定の焼成温度に到達しない場合には、工程2に戻る。
また、工程4においては、発電を継続して、工程5に進む。
更に、工程5においては、所定の時間経過したか否かを判断する。所定の時間経過した場合には、工程6に進む。一方、所定の時間経過しない場合には、工程4に戻る。
また、工程6においては、空気供給方向の切替が必要か否かを判断する。本例の場合には、空気供給方向の切替を1回以上行う必要があるため、具体的には、空気供給方向の切替を1回行ったか否かを判断する。空気供給方向の切替が必要である場合には、工程7に進む。一方、空気供給方向の切替が必要でない場合には、焼成運転を終了する。
そして、工程7においては、空気供給方向を切り替えて、S1に戻る。
未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池として、金属基板を使用し、金属基板/燃料極/電解質からなるハーフセル上に、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)を主体とするペーストをスクリーン印刷し、更に、90℃で乾燥して、未焼成の空気極を形成し、スタックに組み込んだものを用いた。
図5に示すように、焼成温度によって、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)の適切な焼成時間は異なる。具体的には、焼成温度が850℃の場合には、5時間の焼成時間、焼成温度が900℃の場合には、3時間の焼成時間、焼成温度が950℃の場合には、2時間の焼成時間、焼成温度が1000℃の場合には、1時間の焼成時間、焼成温度が1100℃の場合には、30分間の焼成時間となる。なお、金属基板を使用する場合、焼成温度の上限は1000℃とすることが好ましい。
なお、図6は、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
なお、図7は、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが対向流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。
図8に示すように、焼成運転を開始するに当たり、工程1においては、空気及び燃料を供給し、定格運転を開始して、工程12に進む。
また、工程12においては、空気供給流量を増加させ、発電量を高めるセル内位置を調整して、工程13に進む。
更に、工程13においては、空気出口温度が、所定の焼成温度に到達したか否かを判断する。所定の焼成温度に到達した場合には、工程14に進む。一方、所定の焼成温度に到達しない場合には、工程12に戻る。
また、工程14においては、発電を継続して、工程15に進む。
更に、工程15においては、所定の時間経過したか否かを判断する。所定の時間経過した場合には、工程16に進む。一方、所定の時間経過しない場合には、工程14に戻る。
また、工程16においては、空気供給方向の切替が必要か否かを判断する。本例の場合には、空気供給方向の切替を5回以上行う必要があるため、具体的には、空気供給方向の切替を5回行ったか否かを判断する。空気供給方向の切替が必要である場合には、工程17に進む。一方、空気供給方向の切替が必要でない場合には、焼成運転を終了する。
そして、工程17においては、空気供給方向を切り替えて、S11に戻る。
なお、図9は、LSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を示すグラフである。また、図9には、図6で示したLSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3)を適用した未焼成の空気極を有する燃料電池発電システムにおいて、空気の供給方向と燃料の供給方向とが並流であるときの空気供給流量を増量制御した後のセル温度の分布状態を比較のために併せて示す。
次に、第2の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。図10は、本実施形態の燃料電池発電システム1Aの概略を示す構成図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図10に示すように、燃料電池発電システム1Aは、燃料電池11の空気極11Aの空気出口側における燃料電池11の電圧を計測する電圧計測装置26A,26Bを更に備え、電圧計測装置26A,26Bがそれぞれ制御装置28に接続されている構成が、上述した実施形態(燃料電池発電システム1)と相違する。
また、制御装置28は、例えば、第1空気ブロワ12と協働して、空気供給流量制御装置として機能することができる。
更に、制御装置28は、例えば、切替弁14と協働して、更には電圧計測装置26A,26Bと協働して、空気供給方向切替装置として機能することができる。
また、制御装置28は、例えば、制御効果判断装置として機能することもでき、例えば、温度計測装置25A,25Bと協働して、温度計測装置25A,25Bにより計測される空気出口温度や空気出口温度の上昇幅に基づいて、空気供給流量の増量制御による効果の有無を判断することができる。
そして、これら一定発電出力取出装置、空気供給流量制御装置、空気供給方向切替装置、制御効果判断装置などは協働して、空気極焼成装置B1として機能することができる。
図11は、本実施形態の燃料電池発電システムの焼成運転における処理動作の一例を示すフローチャートである。
図11に示すように、焼成運転を開始するに当たり、工程21においては、空気及び燃料を供給し、定格運転を開始して、工程22に進む。
また、工程22においては、空気供給流量を増加させ、発電量を高めるセル内位置を調整して、工程23に進む。
更に、工程23においては、空気出口温度が、所定の焼成温度に到達したか否かを判断する。所定の焼成温度に到達した場合には、工程24に進む。一方、所定の焼成温度に到達しない場合には、工程22に戻る。
また、工程24においては、発電を継続して、工程25に進む。
更に、工程25においては、所定の電圧に到達したか否かを判断する。所定の電圧に到達した場合には、工程26に進む。一方、所定の電圧に到達しない場合には、工程24に戻る。
また、工程26においては、空気供給方向の切替が必要か否かを判断する。本例の場合には、空気供給方向の切替を1回以上行う必要があるため、具体的には、空気供給方向の切替を1回行ったか否かを判断する。空気供給方向の切替が必要である場合には、工程27に進む。一方、空気供給方向の切替が必要でない場合には、焼成運転を終了する。
そして、工程27においては、空気供給方向を切り替えて、S21に戻る。
次に、第3の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。図12は、本実施形態の燃料電池発電システム1Bの概略を示す構成図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
図12に示すように、燃料電池発電システム1Bは、空気極11A及び燃料極11Bを備えた燃料電池11と、燃料電池11の空気極11Aに空気(酸化剤ガス)を供給する第1空気ブロワ12と、第1空気ブロワ12より供給される空気を加熱する空気加熱熱交換器13と、供給される改質燃料の供給方向を切り替える切替弁14と、供給される燃料を改質して燃料電池11の燃料極11Bに改質燃料を供給する燃料改質器15と、燃料改質器15に炭化水素燃料等の燃料を供給する第1燃料ポンプ16と、を備えている。
また、制御装置28は、例えば、第1燃料ポンプ16と協働して、燃料供給流量制御装置として機能することができる。
更に、制御装置28は、例えば、切替弁14と協働して、更には温度計測装置25C,25Dと協働して、燃料供給方向切替装置として機能することができる。
また、制御装置28は、例えば、制御効果判断装置として機能することもでき、例えば、温度計測装置25C,25Dと協働して、温度計測装置25C,25Dにより計測される燃料入口温度や燃料入口温度の上昇幅に基づいて、燃料供給流量の増量制御による効果の有無を判断することができる。
そして、これら一定発電出力取出装置、燃料供給流量制御装置、燃料供給方向切替装置、制御効果判断装置などは協働して、燃料極焼成装置B2として機能することができる。
次に、図示しないが、第4の実施形態に係る燃料電池発電システムについて詳細に説明する。
本実施形態の燃料電池発電システムは、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、空気極及び燃料極の焼成装置とを具備したものである。
そして、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池は、未焼成の空気極及び燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立するものである。
また、空気極及び燃料極の焼成装置は、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、未焼成の空気極への空気供給流量及び未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに未焼成の空気極への空気供給方向と未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整するものである。
なお、本実施形態の燃料電池発電システムの一例としては、図1又は図10でそれぞれ示した第1又は第2の実施形態の燃料電池発電システムにおいて、燃料電池が未焼成の空気極及び燃料極を有する場合を挙げることができる。
11 燃料電池
11A 空気極
11B 燃料極
12 第1空気ブロワ
13 空気加熱熱交換器
14 切替弁
15 燃料改質器
16 第1燃料ポンプ
17 改質器加熱熱交換器
18 燃料循環ブロワ
19 燃料流路圧力調整弁
20 排気流路圧力調整弁
21 燃焼バーナ
22 第2空気ブロワ
23 第2燃料ポンプ
24A,24B 空気排出逆流防止弁
24C,24D 燃料排出逆流防止弁
25A,25B,25C,25D 温度計測装置
26A,26B 電圧計測装置
28 制御装置
B,B1 空気極焼成装置
B2 燃料極焼成装置
C1,C2,C3,C11,C12,C13 合流部
L1,L2,L3,L5,L7,L9,L10,L11,L15,L17,L19 空気流路
L4,L6,L8,L12,L13,L14,L16,L18,L20 燃料流路
L5’,L6’,L15’,L16’ 分岐流路
Claims (12)
- 未焼成の空気極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、
上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、上記未焼成の空気極への空気供給流量及び空気供給方向を制御して、該未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極焼成装置と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 上記空気極焼成装置が、上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池から一定の発電出力を取り出す一定発電出力取出装置と、
上記未焼成の空気極への空気供給流量の増量制御を実行できる空気供給流量制御装置と、
上記未焼成の空気極への空気供給方向を切り替える空気供給方向切替装置と、
上記未焼成の空気極の空気出口側温度を計測する温度計測装置、上記未焼成の空気極の空気出口側における上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の電圧を計測する電圧計測装置、及び上記未焼成の空気極の空気出口側における上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の電流を計測する電流計測装置のうちの少なくとも1つと、
上記空気供給流量の増量制御による効果の有無を判断する制御効果判断装置と、を備えた
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の(n−1)回目の再設定値(nは正の整数であり、n=1の場合である0回目の再設定値は初期値を意味する。)から増量制御し、
上記制御効果判断装置が、上記空気供給流量の増量制御による効果が有ると判断したときには、上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の増量制御の後における空気供給流量をn回目の再設定値と規定して、n回目の再設定値である空気供給流量を所定時間保持する
ことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池発電システム。 - 上記制御効果判断装置が、上記空気供給流量の増量制御による効果の有無を上記温度計測装置により計測される空気出口温度、又は該空気出口温度の上昇幅に基づいて判断する
ことを特徴とする請求項2又は3に記載の燃料電池発電システム。 - 上記空気供給流量の上限値は、予め設定される空気極供給空気量の最大許容値a、及び上記温度計測装置により計測される空気出口温度が上記金属支持型固体酸化物形燃料電池の動作上限温度以下となる空気供給流量の最大許容値bのうち小さい方であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。
- 上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の(n−1)回目の再設定値(nは正の整数であり、n=1の場合である0回目の再設定値は初期値を意味する。)から増量制御した後であって、かつ、上記空気供給方向切替装置が、上記温度計測装置により計測される空気出口温度が所定の焼成温度に到達後、所定の時間経過したと判断したときに、上記未焼成の空気極への空気供給方向を切り替える
ことを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 - 上記所定の時間は、予め設定される上記未焼成の空気極の焼成温度と焼成時間との相関関係により決定されることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池発電システム。
- 上記空気供給流量制御装置が、上記空気供給流量の(n−1)回目の再設定値(nは正の整数であり、n=1の場合である0回目の再設定値は初期値を意味する。)から増量制御した後であって、かつ、上記空気供給方向切替装置が、上記電圧計測装置により計測される上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の電圧が所定の電圧又は該所定の電圧の上昇幅に到達したと判断したときに、上記未焼成の空気極への空気供給方向を切り替える
ことを特徴とする請求項2〜7のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 - 上記所定の時間は、予め設定される電圧と焼成時間との相関関係により決定されることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池発電システム。
- 上記空気供給方向切替装置が、上記未焼成の空気極への空気供給方向を複数回切り替えることを特徴とする請求項2〜9のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。
- 未焼成の燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、
上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、上記未焼成の燃料極への燃料供給流量及び燃料供給方向を制御して、該未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極焼成装置と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 未焼成の空気極及び燃料極を焼成することにより、金属基板、燃料極、電解質及び空気極を備え、これらがこの順で積層された状態で配置されている金属支持型固体酸化物形燃料電池として成立する未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池と、
上記未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の焼成運転に当たり、上記未焼成の空気極への空気供給流量及び上記未焼成の燃料極への燃料供給流量並びに上記未焼成の空気極への空気供給方向と上記未焼成の燃料極への燃料供給方向の相対的な関係を制御して、該未完成の金属支持型固体酸化物形燃料電池の発電量を高めるセル内位置を調整する空気極及び燃料極の焼成装置と、を具備した
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
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