JP6632911B2 - 燃料電池及び燃料電池複合発電システム並びに燃料電池の停止方法 - Google Patents
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Description
これに対しては、都市ガスや代替ガス(例えば水素)を供給できる予備設備を備えておけばよいが、予備設備を追加設置するには、コストが増大する。さらには、予備設備が大型化した場合や予備とする代替ガスの種類によっては設置場所の法令ないし基準に合致しない場合がある。したがって、燃料ガス源からの燃料ガスの供給が停止された場合に、設置の自由度が高い簡便な設備によって燃料電池を適切に停止できることが望まれる。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、前記燃料極出口の排燃料ガスの圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給する制御部とを備えていることを特徴とする。
また、燃料ガスの供給停止を検知する前の通常運転で用いていた燃料ガスをそのまま停止動作で使用することができるので、例えば水素等の代替ガスを使用する必要がなくなり、水素ガスといった代替ガスに対する使用制限等がある設置場所(例えば一般家庭)に対しても適用することができる。
燃料電池としては、例えば固体酸化物形燃料電池が挙げられる。
水の供給量としては、S/C(燃料ガス中の炭素量に対する水蒸気素量の比)が3.5以上になるように調整することが好ましい。
所定温度は、具体的には、燃料ガスが都市ガスとされている場合、400℃〜600℃、好ましくは500℃とされる。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
SOFCに利用できる燃料ガスは、水素(H2)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどを燃料として運転される。
本実施形態での燃料ガスは、都市ガスなどのメタンを主成分とする燃料ガスを用いたものである。
複合発電システム10は、燃料電池(SOFC)及び燃料電池から排出される燃料ガスである排燃料ガスの一部を用いて運転される内燃機関を組み合わせて発電を行う。なお、SOFC複合発電システム10は、制御部15により常時監視が行われている。
SOFCモジュール12は、圧力容器14内の圧力を計測する圧力センサ15A及び圧力容器14内の温度(発電室温度)を計測する温度センサ15Bを備えている。これらセンサ15A,15Bの出力は、制御部15へと送られる。
圧力容器14内には、図2を用いて説明したように、SOFCカートリッジ(燃料電池本体)203が設けられている。SOFCカートリッジ203には、燃料ガス供給管24と、燃料ガス排出管30と、空気供給管40と、空気排出管41とが接続されている。
なお、燃料ガスバッファタンク27の容積は、SOFCの出力あたり、25×10-3m3/kW以上50×10-3m3/kW以下とされ、好ましくは40×10-3m3/kWとされる。25×10-3m3/kWより小さいと、燃料ガスの供給圧力を最低供給圧力(本実施形態では0.2MPa)より高い圧力で供給することが出来なくなる。また、50×10-3m3/kWより大きいとSOFCのサイズに対して燃料ガスバッファタンクの大きさに配慮が必要になる。
上水供給管39から上水が燃料ガス再循環管32内にスプレーされることによって、燃料ガス再循環管を通過する排燃料ガスの顕熱で上水が気化して水蒸気となり、燃料ガス供給管24を通りSOFCモジュール12へと水(水蒸気)が供給される。
燃料ガスベント弁42a及び燃料ガス均圧弁43aの開度は、制御部15によって制御される。
空気供給管40には、空気流量を調整する供給空気流量調整弁40aが設けられている。また、空気供給管40に対して、再生熱交換器45及び供給空気流量調整弁40aをバイパスするように、供給空気バイパス管46が接続されている。供給空気バイパス管46には、供給空気バイパス流量調整弁46aが設けられている。
供給空気流量調整弁40a及び供給空気バイパス流量調整弁46aの開度は、制御部15によって制御される。
また、空気排出管41には、A点にてSOFCモジュールバイパス管53が接続されている。SOFCモジュールバイパス管53の上流側は、空気供給管40に接続されており、SOFCモジュール内へ供給する空気の流量の一部をA点より燃焼器20へとバイパスすることで調整できるようになっている。SOFCモジュールバイパス管53には、SOFCモジュールバイパス流量調整弁53aが設けられている。SOFCモジュールバイパス流量調整弁53aの開度は、制御部15によって制御される。
タービン22の回転出力は、空気圧縮機18に伝達されるとともに、タービン側発電機58へと導かれる。タービン側発電機58で発電された電力は、開閉器57を介して電力系統へと供給される。
制御部15は、図示しない燃料ガス供給停止検知部によって停電等の検出や都市ガス流量の検出が行われ、都市ガスの供給停止を検知すると、時刻t0にてトリップ動作に入る。トリップ動作に入ると、SOFCモジュール12による発電出力を0とする。また、マイクロガスタービン装置16も停止させ、マイクロガスタービン装置16の発電出力を0とするとともに、燃焼器20への排燃料ガスと排空気の供給が停止され、空気圧縮機18による圧縮空気のSOFCモジュール12への供給も停止される。
このようにして、燃料ガス供給管24内の圧力は迅速に減少させられ、SOFCモジュール12内の燃料極側の圧力を示す図5のモジュール圧力のグラフに示されているように、時刻t0において迅速に低下させられる。このとき、後述の時刻t1までの間は、燃料ガス供給管24に残留する都市ガスがSOFCモジュール12に供給され続ける。
また、図5に示すように、制御部15の指令により、マイクロガスタービン装置16の空気圧縮機18による圧縮空気のSOFCモジュール12への供給が停止されることに対応して、SOFCモジュール12への空気の供給量を減少させ、停止する。後述するようにSOFCモジュール12の空気極の圧力低下分を補う小流量の空気の供給は、空気タンク48からの冷却用空気により行われる。
また、制御部15の指令により、上水供給ポンプ39bを起動して、上水タンク39aから燃料ガス再循環管32内に水をスプレーする。これにより、水(水蒸気)が燃料ガス供給管24を介してSOFCモジュール12の燃料極側に導かれる。これにより、燃料ガス供給管24内に残っている都市ガスとともに改質反応によって吸熱するとともに、燃料極側を還元雰囲気に維持する。
上水供給ポンプ39bからの水の供給量としては、SOFCモジュール12が発電している通常運転時よりも低減させても良いが、S/C(燃料ガス中の炭素量に対する水蒸気素量の比)が3.5以上になるように調整することが好ましい。
このとき、図5に示すように、上水供給ポンプ39bから水の供給が継続されており、燃料ガスバッファタンク27から供給される都市ガスの内部改質反応に供与される。また、空気極側よりも所定の圧力分だけ高く維持される燃料極側の燃料が、空気極側へと微量分が流入する場合がある。すると空気極側の空気が反応して消費されて、圧力が低下する場合があるので、圧力低下分を補うよう、小流量の空気の供給を空気タンク48から冷却用空気がSOFCモジュール12の空気極側に供給されている。したがって、SOFCモジュール12内では、都市ガスの改質による吸熱反応が継続するとともに、燃料極側を還元雰囲気に維持することができる。
以上により、SOFCモジュール内の発電室温度(例えば図4の温度センサ15Bが示す温度)が徐々に低下し出す。
時刻t2以降は、燃料ガス供給管24に供給するガスを窒素ガスに切り換えた後は、そのまま窒素ガスを流し続け、時刻t3にて所定温度に到達するまで冷却が行われる。
V=V’×(T+273)/273×1.1013×((P−M)−x)・・・(1)
上式において、V’は必要燃料ガス量、Tは燃料ガスバッファタンク27の温度(℃)、Pは燃料ガスバッファタンク27の設計圧力、圧力のMはマージン、xはトリップ後の燃料ガス供給管24内の減圧後の供給圧力である。
燃料ガス供給源25からの都市ガスの供給が停止されると、燃料ガスバッファタンク27内に貯留された都市ガスが、燃料ガス供給管24を通りSOFCモジュール12の燃料極へと供給される。これにより、都市ガス供給が停止した後であってもSOFCの停止動作に支障を来すことがない。さらに、都市ガスの供給停止を検知した場合に、燃料ガス供給管24内の燃料ガスを外部に排出してSOFCモジュール12の圧力を低下させ、燃料ガス圧力を低下させることとしたので、燃料ガスバッファタンク27内の圧力が、低下させた燃料ガス圧力となるまで燃料ガスバッファタンク27内の都市ガスを燃料ガス供給管24に供給することができる。これにより、燃料ガス供給管24内の圧力を低下させない場合に比べて、多くの都市ガスを燃料ガス供給管24に供給することができるので、燃料ガスバッファタンク27の容量を可及的に小さくすることができる。したがって、燃料ガスバッファタンク27の設置場所の自由度が広がる。
また、燃料ガスの供給停止を検知する前の通常運転で用いていた都市ガスをそのままトリップ後の停止動作で使用することができるので、例えば水素等の代替ガスを使用する必要がなくなり、水素ガスといった代替ガスに対する使用制限等がある設置場所(例えば一般家庭)に対しても適用することができる。
さらに、燃料ガス供給源25からの都市ガスの供給が一時的に停止され、その後、都市ガスの供給が復旧した際は、SOFCモジュール12の積極的な冷却を行っていないために発電室温度の低下は少ない状態にあり、比較的短い時間で再起動が可能である。
本実施形態は、以下のように変形することができる。すなわち、上述の実施形態では、図5に示したように、燃料ガスバッファタンク27から供給される都市ガスの流量を段階的に減少させることとした。本変形例では、これをさらに進めて、SOFCモジュール12の発電室温度に応じて燃料ガスバッファタンク27から供給する都市ガス流量を変化させる。具体的には、温度センサ15B(図4参照)の計測値を発電室温度として制御部15で取得する。そして、発電室温度と必要な都市ガス流量との関係を事前の試験によりデータ取得しておき、制御部15に参照値として組込んでおく。停止動作時には、温度センサ15Bで検出された発電室温度に従って、制御部15にて発電室温度に従った都市ガス流量を参照し、停止時流量調整弁34を制御して必要十分な都市ガス量を供給する。これにより、燃料ガスバッファタンク27の都市ガスの保有量が最適化され、燃料ガスバッファタンク27の容量をさらにコンパクトにすることができる。
12 SOFCモジュール(燃料電池)
14 圧力容器
15 制御部
16 マイクロガスタービン装置(ガスタービン装置)
17 非常用発電機
18 空気圧縮機
24 燃料ガス供給管(燃料ガス供給系統)
24a 燃料ガス供給枝管(燃料ガス供給系統)
25 燃料ガス供給源
26 燃料ガス圧縮機
27 燃料ガスバッファタンク
28 脱硫器
29 燃料ガス流量調整弁
30 燃料ガス排出管
30a 燃料ガス排出枝管
31 停止時燃料ガス供給管
32 燃料ガス再循環管
33 MGT用流量調整弁
34 停止時流量調整弁
36 再循環ブロワ
37 窒素ガス供給管
38 窒素ガス流量調整弁
39 上水供給管(水供給部)
39a 上水タンク
39b 上水供給ポンプ(水供給部)
40 空気供給管
40a 供給空気流量調整弁
41 空気排出管
42 燃料ガスベント管(燃料ガス圧力低下手段)
42a 燃料ガスベント弁(燃料ガス圧力低下手段)
43 燃料ガス均圧ベント管(燃料ガス圧力低下手段)
43a 燃料ガス均圧弁(燃料ガス圧力低下手段)
44 触媒燃焼器
45 再生熱交換器
46 供給空気バイパス管
46a 供給空気バイパス流量調整弁
47 冷却用空気供給管
47a 冷却用空気流量調整弁
48 空気タンク
49 冷却用空気圧縮機
51 非常用空気供給管
52 非常用空気圧縮機
53 SOFCモジュールバイパス管
53a SOFCモジュールバイパス流量調整弁
54 排空気ベント管
54a 排空気ベント弁
55 燃焼ガス排出管
56 空気均圧管
56a 空気均圧弁
57 開閉器
58 タービン側発電機
Claims (8)
- 燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、
燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、
該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、
前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、
前記燃料極出口の排燃料ガスの圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、
前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給する制御部と、
を備えていることを特徴とする燃料電池。 - 前記空気極出口の排酸化性ガスの圧力を低下させる空気圧力低下手段と、
前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスの差圧を所定値内に保持しながら、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスを排出する均圧化手段とを備え、
前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段と前記空気圧力低下手段は、前記均圧化手段を用いて前記燃料電池本体の圧力を低下させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。 - 前記燃料ガスバッファタンクから供給される燃料ガスの流量を制御する流量制御弁と、
前記燃料電池本体の温度を計測する温度センサと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料ガス供給停止検知部によって燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記温度センサによって計測された前記燃料電池本体の温度変化に応じて、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 - 前記燃料ガス供給系統に水を供給する水供給部を備え、
前記制御部は、前記燃料ガス供給停止検知部によって燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記水供給部から前記燃料ガス供給系統に水を供給することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池。 - 前記燃料ガス供給系統に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、前記燃料ガスバッファタンクから前記燃料ガス供給系統への燃料ガスの供給を、前記不活性ガス供給部から前記燃料ガス供給系統への不活性ガスの供給に切り換えることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池。 - 前記所定温度は、水による燃料ガスの改質が可能であり、かつ、不活性ガスによる前記燃料極の劣化を回避できる温度とされていることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。
- 請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池本体から導かれた排燃料ガスを燃焼することによって動作するガスタービン装置と、
該ガスタービン装置によって駆動される発電機と、
を備えていることを特徴とする燃料電池複合発電システム。 - 燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、
燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、
該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、
前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、
前記燃料極出口の排燃料ガス圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、
前記燃料ガス供給系統に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
を備えた燃料電池の停止方法であって、
前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給し、
前記燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、前記燃料ガスバッファタンクから前記燃料ガス供給系統への燃料ガスの供給を、不活性ガス供給部から前記燃料ガス供給系統への不活性ガスの供給に切り換えることを特徴とする燃料電池の停止方法。
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