JP6922016B1 - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその起動方法の第1実施形態について、図面を参照して説明する。
固体酸化物形燃料電池の燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、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、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnO3で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは,酸素を略15%〜30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
つぎに、共焼結された基体管103上に、空気極113のスラリーの膜が形成された基体管103が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に1100℃〜1250℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管103〜インターコネクタ107を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
図4は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム310の概略構成を示した概略構成図である。図4に示すように、燃料電池システム310は、ターボチャージャ411、及びSOFC313を備えている。SOFC313は、図示しないSOFCモジュールが1つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「SOFC」と記載する。この燃料電池システム310は、SOFC313により発電を行っている。そして、燃料電池システム310は、制御装置20によって制御が行われている。
SOFC313は、空気極113に酸化性ガスA2が供給され、燃料極109に燃料ガスL1が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の電力へと変換されて、電力需要先へ供給される。
なお、制御弁457は、起動用加熱器458へ供給する酸化性ガスの流量を調整し、SOFC313へ供給する酸化性ガスの温度を制御する。
また、燃料ガスL1は、制御弁460を介して空気極113へも供給される。制御弁460は、例えばSOFC313の起動時に起動用空気加熱ライン455における制御弁457の下流側から空気極113へ燃料ガスL1が供給され、触媒燃焼により発電室温度が昇温される際の、空気極113へ供給する燃料ガスL1の流量を制御する。
図5に示すように、制御装置20は、コンピュータシステム(計算機システム)であり、例えば、CPU11と、CPU11が実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)12と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)13と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)14と、ネットワーク等に接続するための通信部15とを備えている。なお、大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ(SSD)を用いることとしてもよい。これら各部は、バス18を介して接続されている。
具体的には、制御弁443、制御弁453、ブロー弁445、制御弁335、制御弁456、及び調整弁347が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図7では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。すなわち、燃料極109側には窒素が制御弁443が開にあることで通気される。そして、ブロワ452が起動され、起動用空気が制御弁453と制御弁335が開にあることで空気極113側へ供給されて通気される。これによってSOFC313がパージされる。また、制御弁456が開となることによって、起動用空気がSOFC313をバイパスして起動用加熱器458を介して触媒燃焼器422へ通気される。これによって、タービン423が起動用空気によって回転を開始する。また、タービン423の回転に伴い同軸で接続された圧縮機421が回転を開始する。圧縮機421では酸化性ガスを圧縮し、圧縮された酸化性ガスはブロー弁445が開にあることで酸化性ガスブローライン444を通じて系外へ排出される。系外へ排出されることによって圧縮機421のサージングが防止される。サージングとは、圧縮機421の出口の圧力が上昇して圧縮機421が失速したり、圧縮空気が逆流したりする等の異常状態である。なお、燃料極109と空気極113との差圧制御は調整弁347によって行われる。
具体的には、制御弁342、制御弁453、ブロー弁445、制御弁335、制御弁456、制御弁459、及び調整弁347が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図8では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。また、制御弁457は状況に応じて開状態としてもよい。すなわち、パージ完了後、制御弁456を絞り、制御弁335を開くことによって、SOFC313をバイパスして触媒燃焼器422へ供給する起動用空気の流量を減少させ、SOFC313へ供給する起動用空気を増加させる。また、燃料極109側では、制御弁443を閉じて窒素の供給を停止し、制御弁342を開くことによって燃料ガスL1の供給を開始する。なお、この段階では、触媒燃焼器422は着火しておらず、燃焼がされずに触媒燃焼器422を通過したガスはタービン423を介して燃焼排ガスライン329から系外へ排出される。燃料極109と空気極113との差圧制御は調整弁347によって行われる。そして、制御弁459から燃料ガスL1の一部を供給して起動用加熱器458を着火し、起動用空気を昇温する。これによって、タービン423の入口温度が上昇し、系内圧力が上昇する。
具体的には、制御弁342、制御弁453、ブロー弁445、制御弁335、制御弁456、制御弁459、制御弁352、及び調整弁347が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図9では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。すなわち、触媒燃焼器422へは、制御弁456を少し開いた状態(起動用空気量の約20%)で送られる約400℃〜500℃程度の起動用空気と、制御弁457を経由してSOFC313から送られる起動用空気とが混合して供給される。これによって触媒燃焼器422の温度が上昇する。触媒燃焼器422の入口温度が規定温度(例えば300℃〜400℃)に達すると、触媒燃焼器422へ制御弁352を介して燃料ガスL1が供給される。なお、燃料ガスL1を投入する際には、制御弁352は規定開度で一旦保持し、触媒燃焼器422の出口温度の上昇をみることで着火が確認される。そして、制御弁352は、触媒燃焼器422の出口温度に応じて開度制御(燃料ガスL1の流量制御)が行われる。
具体的には、制御弁342、制御弁453、制御弁335、制御弁456、制御弁459、制御弁352、及び調整弁347が開状態となり、他の弁は閉状態となる。図10では、開状態の弁を「〇」で囲んでいる。なお、ブロー弁445は閉方向へ制御され、制御弁451は開方向に制御がされる。すなわち、ターボチャージャ411の自立可能要件が満たされる場合に、ブロー弁445を徐々に閉としていき、制御弁451を徐々に開としていく。自立可能要件とは、ターボチャージャ411の回転数が所定値以上となり、タービン423へ供給される燃焼ガスGの温度(触媒燃焼器422の出口温度)が所定温度以上となった場合である。すなわち、図6に示すようにブロー弁445と制御弁451はクロス制御が行われる。これによって、系外へ排出する酸化性ガスの流量を減少させる。なお、クロス制御を行っている状態では、圧縮機421の出口側の圧力の方が接続部P1の圧力よりも高い状態が保たれる。クロス制御が終了してブロー弁445が全閉となり、制御弁451が所定開度(例えば全開)となると、制御弁453が閉となり、ブロワ452が停止されて起動用空気の供給が終了する。なお、ターボチャージャ411の回転数の上昇と、触媒燃焼器422の出口温度の上昇とに合わせて起動用空気の供給量が増加されることが好ましい。これによって、圧縮機421で圧縮した酸化性ガスによってタービン423が回って圧縮機421が回転駆動されるため、ターボチャージャ411は自立運転状態となる。
具体的には、ターボチャージャ411の自立後に、SOFC313の入口燃料温度が規定温度以上、かつSOFC313の発電室215の温度が規定温度以上となった場合に、燃料極系統のガス条件を停止時もしくはパージ時のガスから切替える(ST1)。
また、SOFC313の発電室215の燃焼を開始する(ST2)。具体的には、発電室215の温度(例えば、複数の計測箇所のうち最高温度)が規定温度に到達した場合、制御弁460を開き小流量の燃料ガスL1を空気極113へ供給して発電室215の燃焼を開始し、SOFC313の発電室215を更に昇温する。空気と燃料ガスL1とが流入した空気極113では、空気極113の触媒作用によって燃料ガスL1が空気極113で触媒燃焼し、この発熱を用いて空気極113を上昇させる。
また、起動用加熱器458を停止する(ST3)。具体的には、空気極113側の入口の酸化性ガスの温度が規定温度に到達することで(または発電室215の温度が規定温度に達することで)、制御弁457の開度が閉方向に制御されて、起動用加熱器458へ供給される空気流量が起動用加熱器458の使用下限に到達まで減少した場合に、起動用加熱器458を停止させる。すなわち、ターボチャージャの自立後において、空気極113へ供給される酸化性ガスの温度または発電室215の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器458で加熱した空気がSOFC313へ供給されて昇温が行われる。
次に、本開示の第2実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について説明する。
本実施形態では、制御弁451及びブロー弁445の制御が異なる場合を説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について、第1実施形態と異なる点について主に説明する。
次に、本開示の第3実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について説明する。
本実施形態では、異なる位置に起動用のブロワを設ける場合について説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について、第1実施形態と異なる点について主に説明する。
次に、本開示の第4実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について説明する。
上述した第3実施形態と異なる位置に起動用ブロワ(起動用送風機)474を設ける場合について説明する。以下、本実施形態に係る燃料電池システム及びその起動方法について、第3実施形態と異なる点について主に説明する。
本開示に係る燃料電池システム(310)は、空気極(113)と燃料極(109)を有する燃料電池(313)と、前記燃料電池(313)から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン(423)及び前記タービン(423)により駆動される圧縮機(421)を有するターボチャージャ(411)と、前記圧縮機(421)で圧縮した酸化性ガスを前記空気極(113)へ供給する酸化性ガス供給ライン(331)と、前記酸化性ガス供給ライン(331)に設けられた制御弁(451)と、前記酸化性ガス供給ライン(331)における前記制御弁(451)の上流側に一端が接続されており、ブロー弁(445)によって酸化性ガスを系外排出するするブローライン(444)と、前記酸化性ガス供給ライン(331)における前記制御弁(451)の下流側に一端が接続されており、送風機(452)によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ライン(331)へ供給する起動用空気ライン(454)と、前記ターボチャージャ(411)の起動を行う場合に、前記制御弁(451)を閉状態とし、前記ブロー弁(445)を開状態として前記送風機(452)によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ライン(331)へ供給している状態において、前記ブロー弁(445)の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁(445)の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁(451)の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる制御装置(20)と、を備える。
12 :ROM
13 :RAM
14 :ハードディスクドライブ
15 :通信部
18 :バス
20 :制御装置
101 :セルスタック
103 :基体管
105 :燃料電池セル
107 :インターコネクタ
109 :燃料極
111 :固体電解質膜
113 :空気極
115 :リード膜
201 :SOFCモジュール
203 :SOFCカートリッジ
205 :圧力容器
207 :燃料ガス供給管
207a :燃料ガス供給枝管
209 :燃料ガス排出管
209a :燃料ガス排出枝管
215 :発電室
217 :燃料ガス供給ヘッダ
219 :燃料ガス排出ヘッダ
221 :酸化性ガス供給ヘッダ
223 :酸化性ガス排出ヘッダ
225a :上部管板
225b :下部管板
227a :上部断熱体
227b :下部断熱体
229a :上部ケーシング
229b :下部ケーシング
231a :燃料ガス供給孔
231b :燃料ガス排出孔
233a :酸化性ガス供給孔
233b :酸化性ガス排出孔
235a :酸化性ガス供給隙間
235b :酸化性ガス排出隙間
237a :シール部材
237b :シール部材
310 :燃料電池システム
313 :SOFC(燃料電池)
325 :空気取り込みライン
328 :燃焼ガス供給ライン
329 :燃焼排ガスライン
331 :酸化性ガス供給ライン
332 :熱交換器バイパスライン
333 :排酸化性ガスライン
335 :制御弁
336 :制御弁
341 :燃料ガスライン
342 :制御弁
343 :排燃料ガスライン
346 :遮断弁
347 :調整弁
348 :再循環ブロワ
349 :燃料ガス再循環ライン
350 :排燃料ガス放出ライン
351 :排空気冷却器
352 :制御弁
361 :純水供給ライン
362 :ポンプ
411 :ターボチャージャ
421 :圧縮機
422 :触媒燃焼器
423 :タービン
424 :回転軸
430 :熱交換器
441 :オリフィス
442 :排熱回収装置
443 :制御弁
444 :酸化性ガスブローライン
445 :ブロー弁
451 :制御弁
452 :ブロワ(送風機)
453 :制御弁
454 :起動用空気ライン
455 :起動用空気加熱ライン
456 :制御弁
457 :制御弁
458 :起動用加熱器
459 :制御弁
460 :制御弁
471 :ライン
472 :起動用ブロワ(起動用送風機)
473 :逆止弁
474 :起動用ブロワ(起動用送風機)
Claims (14)
- 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記酸化性ガス供給ラインに設けられた制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の上流側に一端が接続されており、ブロー弁によって酸化性ガスを系外排出するするブローラインと、
前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の下流側に一端が接続されており、送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給する起動用空気ラインと、
前記ターボチャージャの起動を行う場合に、前記制御弁を閉状態とし、前記ブロー弁を開状態として前記送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給している状態において、前記ブロー弁の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる制御装置と、
を備える燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記ターボチャージャの回転数が所定値以上、もしくは前記タービンへ供給される燃焼ガスの温度が所定温度以上となった場合に、前記ブロー弁の開度を減少させる請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングから所定時間経過後に、前記制御弁の開度を増加させる請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記ターボチャージャの回転が開始してから所定時間経過後に前記ブロー弁の開度を減少させる請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記圧縮機の出口側の圧力が、前記起動用空気ライン及び前記酸化性ガス供給ラインの接続部の圧力に達するよりも前に前記ブロー弁の開度を減少し始め、前記圧縮機の出口側の圧力が、前記接続部の圧力以上となった場合に前記制御弁の開度を増加し始める請求項1または2に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記圧縮機の出口側の圧力が前記接続部の圧力以上となった場合に、前記圧縮機の出口側の圧力が前記接続部の圧力以上である状態が継続するように前記ブロー弁の開度を減少させるとともに前記制御弁の開度を増加させる請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記ブロー弁が全閉となった場合に、前記起動用空気の供給量を減少させる請求項6に記載の燃料電池システム。
- 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記圧縮機の酸化性ガスの流通に対して上流側に設けられており、酸化性ガスを前記圧縮機へ供給する起動用送風機と、
前記起動用送風機によって前記酸化性ガス供給ラインに対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機を回転させる制御装置と、
を備える燃料電池システム。 - 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記タービンから排出された排ガスと前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されており、前記熱交換器をバイパスするバイパスラインと、
前記バイパスラインに設けられた起動用送風機と、
前記起動用送風機によって前記酸化性ガス供給ラインに対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機を回転させる制御装置と、
を備える燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記圧縮機の出口側の温度が所定温度以上となった場合に、前記起動用送風機を停止させる請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記制御装置は、前記ターボチャージャの自立後において、前記空気極へ供給される酸化性ガスの温度または前記燃料電池の発電室の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器で加熱した空気を前記燃料電池へ供給して昇温を行う請求項1に記載の燃料電池システム。
- 空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに設けられた制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の上流側に一端が接続されており、ブロー弁によって酸化性ガスを系外排出するするブローラインと、前記酸化性ガス供給ラインにおける前記制御弁の下流側に一端が接続されており、送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給する起動用空気ラインと、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記ターボチャージャの起動を行う場合に、前記制御弁を閉状態とし、前記ブロー弁を開状態として前記送風機によって起動用空気を前記酸化性ガス供給ラインへ供給している状態において、前記ブロー弁の開度を減少させていくとともに、前記ブロー弁の開度を減少させ始めたタイミングよりも後に、前記制御弁の開度を増加させていき、その後に起動用空気の供給を停止させる起動方法。 - 空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮機の酸化性ガスの流通に対して上流側に設けられており、酸化性ガスを前記圧縮機へ供給する起動用送風機と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記起動用送風機によって前記酸化性ガス供給ラインに対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機を回転させる起動方法。 - 空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン、及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記タービンから排出された排ガスと前記酸化性ガス供給ラインの酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されており、前記熱交換器をバイパスするバイパスラインと、前記バイパスラインに設けられた起動用送風機と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記起動用送風機によって前記酸化性ガス供給ラインに対して酸化性ガスを流通させて、前記圧縮機を回転させる起動方法。
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