JP6961736B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
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6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。
また、燃料極109の圧力とは燃料極系統を流通する燃料ガスL1もしくは排燃料ガスL3の圧力であり、例えばSOFCモジュール201内の燃料ガスL1の圧力である。
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、タービン(423)及び圧縮機(421)を有するターボチャージャ(411)と、前記燃料電池(313)から排出された排燃料ガス(L3)を燃焼器(422)へ供給する排燃料ガスライン(343)と、前記燃料電池(313)から排出された排酸化性ガス(A3)を前記燃焼器(422)へ供給する排酸化性ガスライン(333)と、前記燃焼器(422)から排出された燃焼ガス(G)を前記タービン(423)へ供給する燃焼ガス供給ライン(328)と、前記タービンの回転駆動により前記圧縮機(421)で圧縮した酸化性ガス(A2)を前記空気極(113)へ供給する酸化性ガス供給ライン(331)と、前記排燃料ガスライン(343)に設けられた調整弁(347)と、前記調整弁(347)を制御して前記燃料電池(313)における前記空気極(113)の圧力と前記燃料極(109)の圧力との差圧を制御する制御装置(20)と、を備え、前記排酸化性ガスライン(333)には、排酸化性ガス(A3)を系外へ放出するベント系統が設けられていない。
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
370 :差圧計
411 :ターボチャージャ
421 :圧縮機
422 :触媒燃焼器(燃焼器)
423 :タービン
424 :回転軸
430 :熱交換器
441 :オリフィス(圧損部)
442 :排熱回収装置
443 :制御弁
444 :酸化性ガスブローライン
445 :放出弁(抽気ブロー弁)
451 :制御弁
452 :ブロワ
453 :制御弁
454 :起動用空気供給ライン
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
461 :触媒燃焼部
462 :均圧空間(均圧部)
Claims (8)
- 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼器へ供給する排燃料ガスラインと、
前記燃料電池から排出された排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、
前記燃焼器から排出された燃焼ガスを前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
前記タービンの回転駆動により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、
前記排燃料ガスラインに設けられた調整弁と、
前記排酸化性ガスラインに設けられ、排酸化性ガスに対して圧力損失を付加する圧損部と、
前記圧損部による圧力損失、及び前記調整弁の制御により、前記燃料電池における前記空気極の圧力と前記燃料極の圧力との差圧を制御する制御装置と、
を備え、
前記排酸化性ガスラインには、排酸化性ガスを系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システム。 - 前記排燃料ガスライン及び前記排酸化性ガスラインに接続され、排燃料ガスと排酸化性ガスとを均圧化する均圧部を備える請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記均圧部は、前記燃焼器において、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスとが供給される共通した空間として設けられている請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記燃焼器は、前記均圧部で前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスとを混合させ、燃焼触媒を用いた触媒燃焼部で燃焼させる請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記排燃料ガスラインに接続されており、排燃料ガスを大気放出する排燃料ガス放出ラインと、
前記排燃料ガス放出ラインに設けられた遮断弁と、
を備える請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御装置は、前記燃料極の圧力が前記空気極の圧力に対して所定値以上となった場合に、前記遮断弁を開とする請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記酸化性ガス供給ラインに接続されており、酸化性ガスが流通可能なブローラインと、
前記ブローラインに設けられた放出弁と、
を備え、
前記制御装置は、前記空気極の圧力が前記燃料極の圧力に対して所定値以上となった場合に、前記放出弁を開とする請求項1から5のいずれか1項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、タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼器へ供給する排燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、前記燃焼器から排出された燃焼ガスを前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンの回転駆動により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、前記排燃料ガスラインに設けられた調整弁と、前記排酸化性ガスラインに設けられ、排酸化性ガスに対して圧力損失を付加する圧損部と、を備え、前記排酸化性ガスラインには、排酸化性ガスを系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システムの制御方法であって、
前記圧損部による圧力損失、及び前記調整弁の制御により、前記燃料電池における前記空気極の圧力と前記燃料極の圧力との差圧を制御する制御方法。
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