JP7293466B1 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM - Google Patents
FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- JP7293466B1 JP7293466B1 JP2022108294A JP2022108294A JP7293466B1 JP 7293466 B1 JP7293466 B1 JP 7293466B1 JP 2022108294 A JP2022108294 A JP 2022108294A JP 2022108294 A JP2022108294 A JP 2022108294A JP 7293466 B1 JP7293466 B1 JP 7293466B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- oxidizing gas
- gas
- control valve
- line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 272
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 384
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 351
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 294
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims abstract description 101
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 98
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 27
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 24
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 claims description 21
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 13
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 10
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 7
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 41
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 21
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 17
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 17
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 11
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 10
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 9
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 8
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000007084 catalytic combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 5
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 description 5
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 2
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 2
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 229910018279 LaSrMnO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000002341 toxic gas Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04701—Temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
【課題】燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮する。【解決手段】燃料電池313と、ターボチャージャ411と、圧縮機421で圧縮した酸化性ガスを空気極113へ供給する酸化性ガス供給ライン331と、燃料ガスL1を燃料極109へ供給する燃料ガスライン341と、酸化性ガスを加熱する起動用加熱器458と、酸化性ガス供給ライン331に接続される酸化性ガスブローライン444に配置されるブロー弁445と、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際にブロー弁445を開状態とし、燃料電池313の発電室が起動用加熱器458により加熱された酸化性ガスA2により所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁445を閉状態に切り替えるよう制御弁342およびブロー弁445を制御する制御装置20と、を備える燃料電池システム310を提供する。【選択図】図4An object of the present invention is to shorten the start-up time required from the start of supply of fuel gas to a fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state. A fuel cell (313), a turbocharger (411), an oxidizing gas supply line (331) for supplying an oxidizing gas compressed by a compressor (421) to an air electrode (113), and a fuel gas for supplying a fuel gas (L1) to a fuel electrode (109). line 341, starting heater 458 for heating oxidizing gas, blow valve 445 arranged in oxidizing gas blow line 444 connected to oxidizing gas supply line 331, and fuel gas L1 to fuel electrode 109. The blow valve 445 is opened when the supply of the fuel cell 313 is started, and when the power generation chamber of the fuel cell 313 reaches a predetermined heating state by the oxidizing gas A2 heated by the heater 458 for start-up, the blow valve 445 a controller 20 that controls the control valve 342 and the blow valve 445 to switch to a closed state. [Selection drawing] Fig. 4
Description
本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems and methods of operating fuel cell systems.
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」という)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell that generates power by chemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas has characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness. Among these, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cells: hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as electrolytes, and hydrogen, city gas, natural gas, petroleum, methanol, and carbon-containing raw materials is supplied as a fuel gas, such as a gasified gas produced by a gasification facility, and reacted in a high-temperature atmosphere of about 700°C to 1000°C to generate power (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1には、SOFCとターボチャージャを組み合わせたSOFCシステムが開示されている。特許文献1では、SOFCから排出される排燃料ガスを燃焼器で燃焼させてタービンに燃焼ガスを供給してタービンを回転駆動する。タービンに連結された圧縮機は、酸化性ガスを圧縮して空気極へ供給する。
また、特許文献1には、SOFCを起動する際に発電室を高温雰囲気とするために、空気極へ供給される酸化性ガスを起動用加熱器により加熱すること、空気極へ燃料ガスを供給して触媒反応により発電室を昇温させることが開示されている。
Further, in
しかしながら、発電室が低温雰囲気(例えば、400℃~500℃)である場合には燃料電池の触媒の活性が低いため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となる場合がある。この場合、発電室における燃焼が十分に行えず、低温雰囲気から高温雰囲気に至るまでの起動時間が長くなってしまう。 However, when the power generation chamber is in a low-temperature atmosphere (for example, 400° C. to 500° C.), the catalytic activity of the fuel cell is low, so the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode is supplied to the fuel electrode. It may be excessive with respect to the supply amount of fuel gas. In this case, the combustion in the generator chamber cannot be sufficiently performed, and the start-up time from the low temperature atmosphere to the high temperature atmosphere becomes long.
発電室を昇温させるために、空気極へ供給する燃料ガスを増加させて触媒反応を促進する方法が考えられるが、低温雰囲気における触媒反応の能力には限界がある。そのため、空気極へ供給する燃料ガスを増加させても、発電室を十分に昇温させることができない可能性がある。 In order to raise the temperature of the generating chamber, it is possible to increase the amount of fuel gas supplied to the air electrode to promote the catalytic reaction, but there is a limit to the ability of the catalytic reaction in a low-temperature atmosphere. Therefore, even if the amount of fuel gas supplied to the air electrode is increased, there is a possibility that the temperature of the generator chamber cannot be sufficiently raised.
また、空気極へ供給する燃料ガスを増加させて空気極から排出される未反応の排燃料ガスが増加すると、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数と、圧縮機が空気極に供給する酸化性ガスの流量が増加する。そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となってしまい、起動時間が更に長くなってしまう。 In addition, when the fuel gas supplied to the air electrode is increased and the unreacted exhaust fuel gas discharged from the air electrode increases, the number of rotations per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas and the compressor The flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases. As a result, the supply amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode becomes excessive with respect to the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, further lengthening the start-up time.
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of such circumstances, and it is possible to shorten the startup time required from the start of fuel gas supply to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state. An object of the present invention is to provide an efficient fuel cell system and a method of operating the fuel cell system.
上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る燃料電池システムは、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、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置と、を備える。
In order to solve the above problems, the present disclosure employs the following means.
A fuel cell system according to the present disclosure is driven by a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and the turbine. a turbocharger having a compressor; an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve disposed; a heating unit for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line; and a blower connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside. a blow valve disposed in the blow line; and the blow valve is opened when the fuel gas control valve is switched from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode. and the fuel gas control valve and the blow valve are switched to a closed state when the generating chamber of the fuel cell reaches a predetermined heated state by the oxidizing gas heated by the heating unit. and a control device for controlling.
本開示に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムは、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およ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、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、前記ブロー弁を開状態とする工程と、前記ブロー弁が開状態である場合に、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える。 A method of operating a fuel cell system according to the present disclosure is a method of operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising: a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode; exhaust fuel gas discharged from the fuel cell; a turbocharger having a turbine to which exhaust oxidizing gas is supplied as combustion gas and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line; a heating unit for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line; a blow line connected to a toxic gas supply line for discharging the oxidizing gas to the outside; and a blow valve disposed in the blow line, the blow valve being opened; is in an open state, switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; a control step of controlling the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state due to the supplied oxidizing gas.
本開示によれば、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。 According to the present disclosure, there is provided a fuel cell system and a method of operating the fuel cell system capable of shortening the start-up time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state. can provide.
〔第1実施形態〕
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその運転方法の第1実施形態について、図面を参照して説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of a fuel cell system and a method of operating the same according to the present disclosure will be described below with reference to the drawings.
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものであり、鉛直方向は厳密ではなく誤差を含むものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。 In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component described using the expressions "upper" and "lower" with respect to the paper surface indicates the vertical upper side and the vertical lower side, respectively. is not precise and contains errors. Further, in this embodiment, the same effect can be obtained in the vertical direction and the horizontal direction. good.
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(筒状)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。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極(燃料極109もしくは空気極113)が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
In the following description, a cylindrical (cylindrical) cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described as an example, but this is not necessarily the case. good too. Although the fuel cell is formed on the substrate, the electrode (the
まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極109を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒(Flat tubular)等のセルスタックでもよい。
First, a cylindrical cell stack using a substrate tube will be described as an example according to this embodiment with reference to FIG. When the substrate tube is not used, for example, the
ここで、図1は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質膜111と空気極113とが積層して形成されている。
Here, FIG. 1 shows one aspect of the cell stack according to this embodiment. The
また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。
In addition, the
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO2(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY2O3安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl2O4などを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
The
燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50μm~250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH4)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H2)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。
The
また、燃料極109は、改質により得られる水素(H2)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン(O2-)とを固体電解質膜111との界面付近において電気化学的に反応させて水(H2O)及び二酸化炭素(CO2)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
In addition, the
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。
Fuel gases that can be supplied to and used by the
固体電解質膜111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2-)を燃料極109に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質膜111の膜厚は10μm~100μmであり固体電解質膜111はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
The
空気極113は、例えば、LaSrMnO3系酸化物、又はLaCoO3系酸化物で構成され、空気極113はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極113は、固体電解質膜111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2-)を生成するものである。
The
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。
The
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。 The oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and air is typically suitable, but other than air, mixed gas of combustion exhaust gas and air, mixed gas of oxygen and air is available.
インターコネクタ107は、SrTiO3系などのM1-xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。
The
また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。
In addition, the
リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材やSrTiO3系などのM1-xLxTiO3(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。
The
燃料極109、固体電解質膜111及びインターコネクタ107のスラリーの膜が形成された基体管103を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に1350℃~1450℃とされる。次に、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。
The
次に、図2と図3とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。ここで、図2は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示すものである。また、図3は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図を示すものである。 Next, an SOFC module and an SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. Here, FIG. 2 shows one aspect of the SOFC module according to this embodiment. Further, FIG. 3 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.
SOFCモジュール(燃料電池モジュール)201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図2には円筒形のSOFCのセルスタック101を例示しているが、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。
The SOFC module (fuel cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (fuel cell cartridges) 203 and a
また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)及び酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。
The
燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。
The fuel
また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。
Further, the fuel gas
燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。
The fuel gas
圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa~約3MPa、内部の温度が大気温度~約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。
Since the
ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。
Here, in the present embodiment, a mode in which a plurality of
SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給ヘッダ217と、燃料ガス排出ヘッダ219と、酸化性ガス供給ヘッダ(空気供給ヘッダ)221と、酸化性ガス排出ヘッダ223とを備える。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。
As shown in FIG. 3, the
なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給ヘッダ217と燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221と酸化性ガス排出ヘッダ223とが図3のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック101の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック101の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
In the present embodiment, the
発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部(温度センサや熱電対など)で監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。
The
燃料ガス供給ヘッダ217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。
The fuel
燃料ガス排出ヘッダ219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、図示しない燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。
The fuel
SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。
An oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the amount of power generated by the
酸化性ガス排出ヘッダ223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
The oxidizing
上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材237a及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ217と酸化性ガス排出ヘッダ223とを隔離するものである。
The
上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを備える。
The
この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出ヘッダ223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ223に導くものである。
The
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。
According to this embodiment, due to the structure of the
下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材237b及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。
The
下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを備える。
The
この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給ヘッダ221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給ヘッダ221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。
The
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。
According to this embodiment, due to the structure of the
発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。
The DC power generated in the
前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、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)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。
The DC power led to the outside of the
本開示の一実施形態に係る燃料電池システム310の概略構成について説明する。
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。
A schematic configuration of a
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a
ターボチャージャ411は、圧縮機421、及びタービン423を備えており、圧縮機421とタービン423とは回転軸424により一体回転可能に連結されている。後述するタービン423が回転することで圧縮機421が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機421は、空気取り込みライン325から取り込んだ空気Aを圧縮する。
The
ターボチャージャ411を構成する圧縮機421に空気Aを取り込んで圧縮し、圧縮された空気Aを酸化性ガスA2としてSOFCの空気極113へと供給する。SOFCで発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスA3は、排酸化性ガスライン333を介して触媒燃焼器(燃焼器)422へ送られ、及びSOFCで発電のための化学反応に用いられた後の排燃料ガスL3は再循環ブロワ348で昇圧して、一部は燃料ガス再循環ライン349を介して燃料ガスライン341に再循環して供給するが、他部は排燃料ガスライン343を介して触媒燃焼器422へ送られる。
このように、触媒燃焼器422には、排酸化性ガスA3及び排燃料ガスL3の一部とが供給されて図示しない触媒燃焼部において燃焼触媒を用いて比較的低温でも安定に燃焼させ(後述参照)、燃焼ガスGを生成する。
In this way, the exhaust oxidizing gas A3 and part of the exhaust fuel gas L3 are supplied to the
触媒燃焼器422は、排燃料ガスL3、排酸化性ガスA3、及び必要に応じて燃料ガスL1を混合して触媒燃焼部において燃焼させ、燃焼ガスGを生成する。触媒燃焼部には、例えばプラチナやパラジウムを主成分とする燃焼触媒が充填されており、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼が可能となっている。燃焼ガスGは燃焼ガス供給ライン328を通じてタービン423に供給される。タービン423は、燃焼ガスGが断熱膨張することにより回転駆動し、燃焼ガスGが燃焼排ガスライン329から排出される。
The
触媒燃焼器422へは、制御弁352で流量を制御されて燃料ガスL1が供給される。燃料ガスL1は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス(LNG)を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素(H2)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)等の炭化水素ガス、及び炭素質原料(石油や石炭等)のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。
The fuel gas L1 is supplied to the
触媒燃焼器422で燃焼により高温化した燃焼ガスGは、燃焼ガス供給ライン328を通じてターボチャージャ411を構成するタービン423に送られ、タービン423を回転駆動させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機421を駆動することで、空気取り込みライン325から取り込んだ空気Aを圧縮して圧縮空気が発生する。酸化性ガス(空気)を圧縮して送風する回転機器の動力をターボチャージャ411で発生させることができるため、所要動力を低減して発電システムの発電効率を向上できる。
The combustion gas G heated by combustion in the
熱交換器(再生熱交換器)430は、タービン423から排出された排ガスと圧縮機421から供給される酸化性ガスA2との間で熱交換を行う。排ガスは、酸化性ガスA2との熱交換で冷却された後に、例えば排熱回収装置442を介して、煙突(不図示)を通して外部に放出される。
A heat exchanger (regenerative heat exchanger) 430 exchanges heat between the exhaust gas discharged from the
SOFC313は、還元剤として燃料ガスL1と、酸化剤として酸化性ガスA2とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。SOFC313は、図示しないSOFCモジュールから構成され、SOFCモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極109と空気極113と固体電解質膜111を備えている。
The
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。
The
SOFC313には、圧縮機421で圧縮した酸化性ガスA2を空気極113へ供給する酸化性ガス供給ライン331が接続されている。酸化性ガス供給ライン331を通じて酸化性ガスA2が空気極113の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この酸化性ガス供給ライン331には、供給する酸化性ガスA2の流量を調整するための制御弁(酸化性ガス制御弁)335が設けられている。熱交換器430において、酸化性ガスA2は、燃焼排ガスライン329から排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温される。
The
更に、酸化性ガス供給ライン331には、熱交換器430の伝熱部分をバイパスする熱交換器バイパスライン332が設けられている。熱交換器バイパスライン332には、制御弁336が設けられ、酸化性ガスのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁335及び制御弁336の開度が制御されることで、熱交換器430を通過する酸化性ガスと熱交換器430をバイパスする酸化性ガスとの流量割合が調整され、SOFC313に供給される酸化性ガスA2の温度が調整される。
Furthermore, the oxidizing
SOFC313に供給される酸化性ガスA2の温度は、SOFC313の燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う温度を維持するとともに、SOFC313を構成する図示しないSOFCモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
The temperature of the oxidizing gas A2 supplied to the
SOFC313には、空気極113で用いられて排出された排酸化性ガスA3を触媒燃焼器422を介してタービン423へ供給する排酸化性ガスライン333が接続されている。排酸化性ガスライン333は、排空気冷却器351が設けられている。具体的には、排酸化性ガスライン333において、後述するオリフィス441よりも上流側に排空気冷却器351が設けられており、酸化性ガス供給ライン331を流れる酸化性ガスA2との熱交換によって排酸化性ガスA3を冷却する。
The
また、排酸化性ガスライン333には、圧損部が設けられている。本実施形態では、圧損部として、オリフィス441が設けられている。オリフィス441は、排酸化性ガスライン333を流通する排酸化性ガスA3に対して圧損を付加する。なお、圧損部としては、オリフィス441に限らず、例えばベンチュリ管など絞り部を設けてもよく、排酸化性ガスA3に圧力損失を付加することが可能な手段であれば用いることが可能である。
Further, the exhaust oxidizing
また、圧損部としては例えば、追設バーナを設けることでもよい。追設バーナにより排酸化性ガスに圧力損出を発生させるとともに、触媒燃焼器422での燃焼容量を超える燃焼が必要になった際に追加燃料分を燃焼させることができるので、排酸化性ガスに充分な熱量を供給可能となる。
Further, as the pressure loss portion, for example, an additional burner may be provided. The additional burner generates a pressure loss in the exhaust oxidizing gas, and when combustion exceeding the combustion capacity of the
燃料電池システム310では空気極113側と燃料極109側の圧力差が所定の範囲内となるように排燃料ガスライン343に設けた調整弁347によって制御するため、排燃料ガスライン343と合流する排酸化性ガスライン333に対して圧力損失を付加することで、排燃料ガスライン343に設けた調整弁347を安定的に制御するのに必要な動作差圧を確保することができる。
In the
また、排酸化性ガスライン333に対しては、排酸化性ガスA3を大気(系外)へ放出するベント系統およびベント弁は設けられていない。例えば、SOFCと空気極113から排出される排酸化性ガスA3と燃料極109から排出される排燃料ガスL3を燃焼させるガスタービン(例えばマイクロガスタービン)とを組み合わせる発電システムの場合には、起動時や停止時などに、マイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極113へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化する場合がある。
Further, the exhaust oxidizing
更には圧力の急変動により燃料極109と空気極113の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスA3を大気など系外へ放出するベント系統およびベント弁が必要となる。
Furthermore, there is a possibility that differential pressure control between the
本実施形態では、ターボチャージャ411を用いており、回転軸に連通した発電機がなく負荷を負っていないので、トリップ時に負荷が消失して過回転となり急激に圧力が上昇するということもなく、調整弁347によって差圧状態を安定的に制御することが可能であるため、排酸化性ガスA3を大気放出する機構(べント系統およびベント弁)を省略することができる。
In this embodiment, the
SOFC313には、更に、燃料ガスL1を燃料極109の図示しない燃料ガス導入部に供給する燃料ガスライン341と、燃料極109で反応に用いられて排出された排燃料ガスL3とを、触媒燃焼器422を介してタービン423へ供給する排燃料ガスライン343とが接続されている。燃料ガスライン341には、燃料極109に供給する燃料ガスL1の流量を調整するための制御弁(燃料ガス制御弁)342が設けられている。
The
排燃料ガスライン343には、再循環ブロワ348が設けられている。また、排燃料ガスライン343には、触媒燃焼器422に供給する排燃料ガスL3の一部の流量を調整するための調整弁347が設けられている。換言すると調整弁347は、排燃料ガスL3の圧力状態を調整していることとなる。このため、後述するように、制御装置20によって、調整弁347を制御することにより、燃料極109と空気極113の差圧を調整することができる。
A
排燃料ガスライン343には、再循環ブロワ348の下流側に、排燃料ガスL3を大気(系外)へ放出する排燃料ガス放出ライン350が接続されている。そして、排燃料ガス放出ライン350には遮断弁(燃料ベント弁)346が設けられている。すなわち、遮断弁346を開とすることによって、排燃料ガスライン343の排燃料ガスL3の一部を排燃料ガス放出ライン350から放出することができる。
The exhaust
排燃料ガスL3を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、排燃料ガスライン343には、排燃料ガスL3をSOFC313の燃料極109の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン349が燃料ガスライン341に接続されている。
Excessive pressure can be quickly adjusted by discharging the exhaust fuel gas L3 to the outside of the system. A fuel
更に、燃料ガス再循環ライン349には、燃料極109に燃料ガスL1を改質するための純水を供給する純水供給ライン361が設けられている。純水供給ライン361にはポンプ362が設けられている。ポンプ362の吐出流量が制御されることにより、燃料極109に供給される純水量が調整される。発電中には燃料極にて水蒸気が生成されるので排燃料ガスライン343の排燃料ガスL3には水蒸気が含まれるので、燃料ガス再循環ライン349で水蒸気を再循環して供給することによって、純水供給ライン361で供給する純水流量を低減もしくは遮断することができる。
Furthermore, the fuel
次に、圧縮機421から吐出された酸化性ガスを放出する構成について説明する。具体的には、圧縮機421の下流側における酸化性ガス供給ライン331において、酸化性ガスが熱交換器430をバイパスして系外(外部)へ排出するように流通可能な酸化性ガスブローライン444が設けられている。酸化性ガスブローライン444は、一端が酸化性ガス供給ライン331の熱交換器430の上流側に接続されており、他端は、タービン423の後流側となる燃焼排ガスライン329の熱交換器430の下流側に接続されている。
Next, a configuration for releasing the oxidizing gas discharged from the
そして、酸化性ガスブローライン444には、ブロー弁(制御弁)445が設けられている。すなわち、ブロー弁445を開とすることによって、圧縮機421から吐出された酸化性ガスの一部が、酸化性ガスブローライン444を介して煙突(不図示)を通して系外部の大気などに放出される。
A blow valve (control valve) 445 is provided in the oxidizing
次に、燃料電池システム310の起動に用いる構成について説明する。酸化性ガス供給ライン331には、酸化性ガスブローライン444との接続点の下流側に制御弁451が設けられており、制御弁451の下流側(熱交換器430の上流側)に、起動用空気を供給するブロワ(送風機)452及び制御弁453を有する起動用空気ライン454が接続されている。燃料電池システム310の起動を行う場合に、ブロワ452により起動用空気を酸化性ガス供給ライン331へ供給しつつ、制御弁451及び制御弁453によって圧縮機421からの酸化性ガスと切り替えを行う。
Next, a configuration used for starting up the
また、酸化性ガス供給ライン331において、熱交換器430の下流側(制御弁335の上流側)には起動用空気加熱ライン(酸化性ガス加熱ライン)455が接続されており、制御弁456を介して排空気冷却器351の下流側の排酸化性ガスライン333へ接続されると共に、制御弁(加熱制御弁)457を介して酸化性ガス供給ライン331(空気極113の入口側)へ接続されている。
In the oxidizing
また、起動用空気加熱ライン455には、起動用加熱器458が設けられており、燃料ガスL1が制御弁459を介して供給され、起動用空気加熱ライン455を流通する酸化性ガスの加熱が行われる。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。このように、起動用空気加熱ライン455と、制御弁457と、起動用加熱器458とは、酸化性ガス供給ライン331を流通する酸化性ガスを加熱する加熱部として機能する。
In addition, the starting
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。
The fuel gas L1 is also supplied to the
制御装置20は、燃料電池システム310に対する起動制御を行う。SOFCとターボチャージャ411とを組み合わせた燃料電池システムにおいて、ターボチャージャ411は例えばマイクロガスタービンと異なり単独で起動することができない。このため、外部から起動用空気を供給する必要がある。このため、起動の際には、SOFCへ供給する酸化性ガスの供給を、起動用空気から、ターボチャージャ411の圧縮機421で圧縮した酸化性ガスへと切り替えを行う必要がある。このため制御装置20では、制御弁451と、ブロー弁445とを制御する。
The
図5は、本実施形態に係る制御装置20のハードウェア構成の一例を示した図である。
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。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the
As shown in FIG. 5, the
また、制御装置20は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。なお、CPU11が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ROM12に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。
Further, the
後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でハードディスクドライブ14等に記録されており、このプログラムをCPU11がRAM13等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROM12やその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体には、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等がある。
A series of processes for realizing various functions to be described later is recorded in the hard disk drive 14 or the like in the form of a program. As a result, various functions to be described later are realized. In addition, the program is pre-installed in the
次に、燃料電池システム310の起動方法について図面を参照して説明する。図6は、本実施形態の燃料電池システム310の起動方法を示すフローチャートである。図6に示す各処理は、制御装置20が燃料電池システム310の各部を制御することにより実行される。
Next, a method for starting the
図7は、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスL1の変化を示すグラフである。図8は、ブロー弁445の開度の変化を示すグラフである。図9は、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量の変化を示すグラフである。図10は、発電室215の温度の変化を示すグラフである。図11は、タービン423の回転数の変化を示すグラフである。図12は、発電室215へ供給される酸化性ガスの流量の変化を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing changes in the fuel gas L1 supplied to the
ステップS101において、制御装置20は、系統パージを実行する。制御装置20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を開状態とし、他の弁を閉状態とする。燃料極109側には、制御弁443を介して窒素が通気される。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。
In step S101, the
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。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。
By opening
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。
The
ステップS102で、制御装置20は、起動用加熱器458の着火を行う。制御装置20は、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を開状態とし、他の弁を閉状態とする。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。
In step S<b>102 , the
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。
Differential pressure control between the
ステップS103で、制御装置20は、触媒燃焼器422の着火を行う。制御装置20は、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を開状態とし、他の弁は閉状態とする。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。
In step S<b>103 , the
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。
When the inlet temperature of
ステップS104で、制御装置20は、ターボチャージャ411の自立を行う。制御装置20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を開状態とし、他の弁を閉状態とする。時刻T1において、制御装置20は、燃料ガス供給用の制御弁342を開いて燃料ガスL1を燃料極109に供給し、純水供給ライン361のポンプ362を駆動することで純水を燃料極109に供給する。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。
In step S<b>104 , the
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。ブロー弁445を徐々に閉とすることにより、系外へ排出する酸化性ガスの流量を減少させる。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。
The independence requirement is when the rotation speed of the
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。
It is preferable that the supply amount of the starting air is increased in accordance with the increase in the rotation speed of the
制御装置20は、ターボチャージャ411の自立後に、各弁を制御して昇温を継続する。制御装置20は、制御弁456によって酸化性ガスの温度を調整することにより、触媒燃焼器422の入口温度を制御する。また、制御装置20は、制御弁352によって燃料ガスL1の流量を調整することにより、触媒燃焼器422の出口温度を制御する。
After
また、制御装置20は、制御弁457によって起動用加熱器458を通過する酸化性ガスの流量を制御する。また、制御装置20は、制御弁459によって、起動用加熱器458へ供給する燃料ガスL1流量を調整して起動用加熱器458の出口温度を制御する。また、制御装置20は、制御弁335の開度を、ターボチャージャ411の回転数や入口温度に応じて設定する。
The
また、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。
When the temperature of the oxidizing gas at the inlet of the
ステップS105で、制御装置20は、制御弁352を閉状態とし、触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を停止する。触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を停止するのは、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始することにより排燃料ガスが触媒燃焼器422へ導かれてタービン423の回転数が増加するのを抑制するためである。図7に実線で示すように、燃料極109への燃料ガスL1の供給が開始される時刻T1に先立って、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスの流量がFL1から0に変化する。
In step S<b>105 , the
ステップS106で、制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えて燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始したことに応じて、ブロー弁445を開状態とする。図8に示すように、制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替える時刻T1の後に、ブロー弁445の開度を0からOP1となるように制御する。
In step S106, the
ブロー弁445を開状態とするのは、空気極113へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極109へ供給される燃料ガスL1の供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止するためである。制御装置20は、ブロー弁445の開度OP1を、タービン423の回転数が所定の回転数で一定となるように調整する。
The reason why the
ステップS106において、制御装置20は、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1の後に、ブロー弁445を閉状態から開状態に切り替えるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、ターボチャージャ411の自立を行った後であれば、時刻T1と同時にブロー弁445を閉状態から開状態に切り替えてもよい。また、時刻T1よりも前にブロー弁445を閉状態から開状態に切り替えてもよい。
In step S106, the
ステップS107で、制御装置20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、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、この発熱を用いて発電室215の温度を上昇させる。
In step S107, when the temperature of the power generation chamber 215 (for example, the highest temperature among the plurality of measurement points) reaches a specified temperature, the
ステップS108で、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態であるかどうかを判断し、YESであればステップS109に処理を進める。所定の予熱状態とは、例えば、発電室215の温度が規定温度Te2(例えば、700℃;図10参照)以上となった状態をいう。
In step S108, the
ステップS109で、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態となったことに応じて、ブロー弁445を閉状態に切り替えるよう制御する。図8に示すように、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態となった時刻T2において、ブロー弁445を閉状態に切り替える。
In step S109, the
ステップS110で、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態となったことに応じて、制御弁352を開状態とし、触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を再開する。触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を再開するのは、発電室215が所定の予熱状態となって触媒燃焼器422へ導かれる排燃料ガスL3が減少したためである。図7に実線で示すように、発電室215が所定の予熱状態となった時刻T2の後に、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスの流量が0からFL1に変化する。
In step S110, the
ステップS111で、制御装置20は、SOFC313で生成される電力を電力変換装置(例えば、インバータ装置)により所定の交流電力へと変換し、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)への電力供給を開始するよう制御する。制御装置20は、発電室215の温度(例えば、複数の計測箇所のうち最低温度)が規定温度Te2(例えば700℃)に到達し、燃料極109および空気極113の運転状態が所定条件に到達した後、SOFC313の発電を開始させる。空気極113に燃料ガスL1を添加供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室215の温度を上昇させる。
In step S111, the
ステップS112で、制御装置20は、発電室215が所定の加熱状態であるかどうかを判断し、YESであればステップS113に処理を進める。所定の加熱状態とは、例えば、発電室215の温度が発電による自己発熱で温度維持ができる所定温度Te3(例えば、750℃)以上となった状態をいう。制御装置20は、発電室215の温度が所定温度以上に上昇をした後は、空気極113へ添加供給される燃料ガスL1の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極113への燃料ガスL1の添加供給がゼロになるように制御する。
In step S112,
ステップS113で、制御装置20は、燃料電池システム310の起動が完了したかを判断し、YESであれば本フローチャートの処理を終了させる。制御装置20は、SOFC313の発電室215の温度が目標温度に到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達したと判断した場合、燃料電池システム310の起動が完了したと判断する。このようにして、燃料電池システム310が起動される。
In step S113, the
以上のように、本実施形態の燃料電池システム310は、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際にブロー弁445を開状態とすることで、空気極113へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極109へ供給される燃料ガスL1の供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止する。
As described above, the
以下、図7から図12を参照して、本実施形態の燃料電池システム310と比較例の燃料電池システムとを対比する。比較例の燃料電池システムは、発電室215における発電を開始する際にブロー弁445を閉状態に維持するものである。
Hereinafter, the
図7に示すように、本実施形態では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1に先立って、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスL1の流量はFL1から0に変化する。一方、比較例では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1に先立って、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスL1の流量はFL1から0より大きい最小流量に変化する。最小流量は、触媒燃焼器422の着火状態を維持するための流量である。
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the
触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を再開するタイミングは、本実施形態では時刻T2であるのに対し、比較例では時刻T2よりも遅い時刻T4の経過後である。時刻T4は、比較例の燃料電池システムの発電室が所定の加熱状態となるタイミングである。
The timing at which the supply of the fuel gas L1 to the
図8に示すように、本実施形態では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1の後に、ブロー弁445の開度を0からOP1となるように制御する。一方、比較例では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際にブロー弁445を閉状態に維持する。
As shown in FIG. 8, in this embodiment, the opening of the
図9に示すように、本実施形態では、時刻T1で燃料極109への燃料ガスL1の供給が開始される。時刻T1から時刻T5までの期間において、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量はFL2で一定である。時刻T5でSOFC313の発電室が目標温度に到達した後、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量は目標負荷に応じて増減する。図9は、時刻T5から目標負荷が漸次増加する例を示している。なお、比較例において、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量は、本実施形態と同様である。
As shown in FIG. 9, in this embodiment, the supply of the fuel gas L1 to the
図10に示すように、本実施形態では、時刻T1から発電室215の温度がTe1から漸次増加し、時刻T2においてTe2に到達し、時刻T3において目標温度であるTe3に到達する。一方、比較例では、時刻T1から発電室215の温度がTe1から漸次増加し、時刻T2よりも後にTe2に到達し、時刻T3よりも遅い時刻T5において目標温度であるTe3に到達する。
As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the temperature of the
図10から明らかなように、時刻T1から発電室215の温度が目標温度であるTe2に到達するまでの起動時間は、本実施形態の燃料電池システム310の方が比較例の燃料電池システムよりも短い。これは、本実施形態では時刻T1から時刻T4の期間でブローライン444から酸化性ガスが排出されるのに対し、比較例では、時刻T1から時刻T4の期間でブローライン444から酸化性ガスが排出されず発電室215の昇温に時間がかかるからである。
As is clear from FIG. 10, the startup time from time T1 until the temperature of the
図11に示すように、本実施形態では、タービン423の回転数[rpm]は、時刻T0でr4であったものが、ブロー弁445が開状態となったことに応じて低下し、時刻T1でr1となる。その後、時刻T1からタービン423の回転数が増加してr3となる。その後、タービン423の回転数は、漸次減少してr2となり、ブロー弁445を閉状態に切り替える時刻T2の後に再び増加して一定の回転数となる。タービン423の回転数がr3からr2に減少するのは、発電室215において燃料ガスL1が十分に反応することで排燃料ガスL3に含まれる未燃成分が減少し、触媒燃焼器422で生成される燃焼ガスGが減少するからである。
As shown in FIG. 11, in the present embodiment, the rotational speed [rpm] of the
一方、図11に示すように、比較例では、タービン423の回転数は、時刻T1から時刻T4まで漸次増加し、その後に低下して一定の回転数となる。タービン423の回転数が時刻T1から時刻T4まで漸次増加するのは、時刻T1以降もブロー弁445の閉状態が維持されるからである。
On the other hand, as shown in FIG. 11, in the comparative example, the rotation speed of the
図12に示すように、本実施形態では、発電室215へ供給される酸化性ガスの流量は、時刻T0でFL6であったものが、ブロー弁445が開状態となったことに応じて低下し、時刻T1でFL3となる。その後、時刻T1から酸化性ガスの流量が増加してFL5となる。その後、酸化性ガスの流量は、漸次減少してFL4となり、ブロー弁445を閉状態に切り替える時刻T2の後に再び増加して一定の回転数となる。
As shown in FIG. 12, in this embodiment, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the
一方、図12に示すように、比較例では、発電室215へ供給される酸化性ガスの流量は、時刻T1から時刻T4まで漸次増加し、その後に低下して一定の流量となる。酸化性ガスの流量が時刻T1から時刻T4まで漸次増加するのは、時刻T1以降もブロー弁445の閉状態が維持されるからである。
On the other hand, as shown in FIG. 12, in the comparative example, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the
前述したフローチャートのステップS108では、発電室215の温度が発電による自己発熱で温度維持ができる所定温度以上となった場合に、発電室215が所定の加熱状態であると判断したが、他の態様であってもよい。例えば、図11に示すように、タービン423(ターボチャージャ411)の単位時間当たりの回転数が上昇傾向(r2からr3への変化)から低下傾向(r3からr2への変化)に変化したことに応じて、発電室215が所定の加熱状態であると判断してもよい。この場合、制御装置20は、タービン423の単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて、ブロー弁445を閉状態に切り替える。
In step S108 of the flowchart described above, it is determined that the
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム310が奏する作用および効果について説明する。
The operation and effects of the
本実施形態の燃料電池システム310によれば、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えて燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際に、ブロー弁445が開状態となる。圧縮機421で圧縮されて酸化性ガス供給ライン331に導かれた酸化性ガスA2の一部が開状態のブロー弁445から外部に排出されるため、ブロー弁445を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ライン331により空気極113へ供給される酸化性ガスA2の供給量が減少する。
According to the
そのため、空気極113へ供給される酸化性ガスA2の供給量が燃料極109へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極109へ燃料ガスL1の供給を開始してから発電室215が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。
Therefore, it is possible to prevent the supply amount of the oxidizing gas A2 to be supplied to the
本実施形態の燃料電池システム310によれば、燃料電池の発電室215が起動用加熱器458により加熱された酸化性ガスA2により所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁445が閉状態に切り替えられる。ブロー弁445が閉状態となると空気極113に供給される酸化性ガスA2の流量が増加するが、発電室215が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極113に供給される酸化性ガスA2と燃料極109に供給される燃料ガスL1とを適切に反応させることができる。
According to the
本実施形態に係る燃料電池システム310によれば、発電室215の温度が所定温度以上となったことに応じてブロー弁445を閉状態に切り替えることにより、空気極113に供給される酸化性ガスA2の流量を増加する。発電室215の温度が所定温度以上となって燃料電池の触媒の活性が高まっているため、空気極113に供給される酸化性ガスA2と燃料極109に供給される燃料ガスL1とを適切に反応させることができる。
According to the
本実施形態に係る燃料電池システム310によれば、ターボチャージャ411の単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じてブロー弁445を閉状態に切り替える。上昇傾向から低下傾向への変化は、燃料電池の触媒の活性が高まったことにより未反応の排燃料ガスL3が減少したことを示す。ブロー弁445を閉状態とすることにより空気極113に供給される酸化性ガスA2の流量を増加するが、空気極113に供給される酸化性ガスA2と燃料極109に供給される燃料ガスL1とを適切に反応させることができる。
According to the
〔第2実施形態〕
以下、本開示の第2実施形態の燃料電池システム310について図面を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム310は、第1実施形態の燃料電池システム310の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
[Second embodiment]
A
本実施形態の燃料電池システム310は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、制御弁457の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させ、発電を開始する際の発電室215の温度を上昇させるものである。
The
図13は、制御弁(加熱制御弁)457の開度の変化を示すグラフである。図14は、制御弁(酸化性ガス制御弁)335の開度の変化を示すグラフである。図15は、発電室215の温度変化を示すグラフである。時刻T0,T1,T2,T3,T4,T5は、第1実施形態で説明したものと同様である。時刻T1は、燃料極109への燃料ガスL1の供給が開始される時刻である。時刻T2は、発電室215が所定の加熱状態となる時刻である。
FIG. 13 is a graph showing changes in the degree of opening of the control valve (heating control valve) 457. As shown in FIG. FIG. 14 is a graph showing changes in the degree of opening of the control valve (oxidizing gas control valve) 335. As shown in FIG. FIG. 15 is a graph showing temperature changes in the
図13に示すように、本実施形態の制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻T1aにおいて、制御弁457の開度をOP2からOP3に増加させる。その後、制御装置20は、発電室215が所定の加熱状態となる時刻T2において、制御弁457の開度をOP3からOP2に減少させる。
As shown in FIG. 13, the
第1実施形態において、制御装置20は、時刻T2以降は、制御弁457の開度をOP2で維持している。また、時刻T1aは、SOFC313の起動完了後のある時刻における運転状態から負荷要求により予め設定された運転状態へ移行(例えば、50%負荷から100%負荷へ変化)するのに先立つ時刻であってもよい。制御弁(加熱制御弁)457及び制御弁(酸化性ガス制御弁)335の開度を負荷要求により予め設定された開度に制御することで発電室215の温度の変動を抑制することができる。
In the first embodiment, the
制御装置20は、例えば、50%負荷から100%負荷へ変化させる場合は制御弁342の開度を増加させるのに先立って加熱制御弁457および酸化性ガス制御弁335の開度を予め設定された100%負荷運転時の開度となるように、それぞれの開度を増加および減少させることで負荷上昇に伴う発電室温度の過昇温およびターボチャージャ411の過回転を抑制することができる。
For example, when the load is changed from 50% to 100%, the
また、制御装置20は、例えば、100%負荷から50%負荷へ変化させる場合は制御弁342の開度を減少させるのに先立って加熱制御弁457および酸化性ガス制御弁335の開度を予め設定された50%負荷運転時の開度となるように、それぞれの開度を減少および増加させることで負荷減少に伴う発電室温度の維持およびターボチャージャ411の必要回転数の確保を行うことができる。
For example, when changing from 100% load to 50% load, the
図14に示すように、本実施形態の制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻T1aにおいて、制御弁335の開度をOP5からOP4に減少させる。その後、制御装置20は、発電室215が所定の加熱状態となる時刻T2において、制御弁335の開度をOP4からOP5に増加させる。第1実施形態において、制御装置20は、制御弁335の開度をOP5で維持している。
As shown in FIG. 14, the
制御弁335の開度OP4は、制御弁457の開度がOP2からOP3に増加することによる酸化性ガスの増加量と、制御弁335の開度がOP5からOP4に減少することによる酸化性ガスの減少量とが一致するように設定される。すなわち、制御弁335の開度OP4は、起動用空気加熱ライン455から酸化性ガス供給ライン331に供給される酸化性ガスの増加量を相殺するように設定される。
The opening degree OP4 of the
図15に示すように、第1実施形態では、時刻T1における発電室215の温度はTe1であり、時刻T3において、発電室215の温度が目標温度である時刻Te3に到達する。一方、第2実施形態では、時刻T1における発電室215の温度はTe1よりも高いTe1aであり、時刻T3よりも早いタイミングで、発電室215の温度が目標温度である時刻Te3に到達する。このように、本実施形態の制御装置20は、時刻T1aにおいて、制御弁457の開度をOP2からOP3に増加させるとともに制御弁335の開度をOP5からOP4に減少させるよう制御弁457および制御弁335を制御する。
As shown in FIG. 15, in the first embodiment, the temperature of the
本実施形態の制御装置20は、時刻T1aにおいて、制御弁(加熱制御弁)457の開度を増加させるとともに制御弁(酸化性ガス制御弁)335の開度を減少させるよう制御弁457および制御弁335を制御する第1制御工程を実行する。また、制御装置20は、時刻T1において、制御弁457の開度がOP2からOP3に増加し、かつ制御弁335の開度がOP5からOP4に減少した状態で、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるよう制御弁342を制御する。本実施形態の制御装置20は、時刻T1において制御弁457の開度が増加し、かつ制御弁335の開度が減少した状態で、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるよう制御弁342を制御する第2制御工程を実行する。
At time T1a, the
なお、制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻T1aにおいて、制御弁(接続制御弁)456の開度を減少させるようにしてもよい。この場合、制御装置20は、時刻T2において、制御弁456の開度を増加させて元の開度に戻すよう制御する。制御弁456は、排酸化性ガスライン333と起動用空気加熱ライン455とを接続する接続ラインに配置されている。
Note that the
本実施形態の燃料電池システム310によれば、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、制御弁457の開度を増加させることにより、空気極113に供給される酸化性ガスA2の温度を増加させることができる。そのため、制御弁457の開度を増加させない場合に比べ、制御弁342を閉状態から開状態に切り替える際の発電室215の温度が上昇する。発電室215の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスL3が減少し、排燃料ガスL3により回転駆動されるタービン423の単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。
According to the
また、本実施形態の燃料電池システム310によれば、制御弁335の開度を減少させることにより、起動用空気加熱ライン455ら酸化性ガス供給ライン331に供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ライン331から空気極113に供給される酸化性ガスA2の供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。
Further, according to the
以上説明した各実施形態に記載の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は例えば以下のように把握される。
本開示の第1態様に係る燃料電池システム(310)は、空気極と燃料極を有する燃料電池(313)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(411)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(331)と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスライン(341)と、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁(342)と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部(455、457,458)と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローライン(444)と、前記ブローラインに配置されるブロー弁(445)と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室(215)が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置(20)と、を備える。
The fuel cell system and the method of operating the fuel cell system described in each of the embodiments described above are grasped, for example, as follows.
A fuel cell system (310) according to a first aspect of the present disclosure includes a fuel cell (313) having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas. a turbocharger (411) having a turbine driven by the turbine and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line (331) for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; A fuel gas line (341) that supplies the fuel electrode, a fuel gas control valve (342) that is arranged in the fuel gas line, and a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line ( 455, 457, 458), a blow line (444) connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside, a blow valve (445) arranged in the blow line, the When the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened, and the power generation chamber (215) of the fuel cell is heated by the heating unit. a control device (20) for controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to reaching a predetermined heating state by the heated oxidizing gas.
本開示の第1態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the blow valve is opened when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode. Since part of the oxidizing gas compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, the oxidizing gas supply is more difficult than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the cathode through the line is reduced.
そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode from being excessively large with respect to the amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, thereby prolonging the start-up time. Further, it is possible to shorten the start-up time required from the start of supply of the fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state.
本開示の第1態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the generation chamber of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas heated by the heating unit. . When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined level and the activity of the catalyst in the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be properly reacted.
本開示の第2態様に係る燃料電池システムは、第1態様において、前記制御装置が、前記発電室の温度が所定温度以上となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える。
本開示の第2態様に係る燃料電池システムによれば、発電室の温度が所定温度以上となったことに応じてブロー弁を閉状態に切り替えることにより、空気極に供給される酸化性ガスの流量を増加する。発電室の温度が所定温度以上となって燃料電池の触媒の活性が高まっているため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。
In a fuel cell system according to a second aspect of the present disclosure, in the first aspect, the control device switches the blow valve to a closed state in response to the temperature of the power generation chamber becoming equal to or higher than a predetermined temperature.
According to the fuel cell system according to the second aspect of the present disclosure, the oxidizing gas supplied to the air electrode is reduced by switching the blow valve to the closed state in response to the temperature of the power generation chamber becoming equal to or higher than the predetermined temperature. Increase flow rate. Since the temperature of the power generation chamber reaches a predetermined temperature or higher and the activity of the fuel cell catalyst is increased, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be appropriately reacted. .
本開示の第3態様に係る燃料電池システムは、第1態様または第2態様において、前記制御装置は、前記ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える構成としてもよい。 In a fuel cell system according to a third aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, the control device controls, in response to a change in the rotation speed per unit time of the turbocharger from an upward trend to a downward trend, The configuration may be such that the blow valve is switched to a closed state.
本開示の第3態様に係る燃料電池システムによれば、ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じてブロー弁を閉状態に切り替える。上昇傾向から低下傾向への変化は、燃料電池の触媒の活性が高まったことにより未反応の排燃料ガスが減少したことを示す。ブロー弁を閉状態とすることにより空気極に供給される酸化性ガスの流量を増加するが、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the third aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the change in the rotation speed per unit time of the turbocharger from an increasing tendency to a decreasing tendency. A change from an upward trend to a downward trend indicates that unreacted exhaust fuel gas has decreased due to increased activity of the fuel cell catalyst. By closing the blow valve, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode is increased, but the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode must be appropriately reacted. can be done.
本開示の第4態様に係る燃料電池システムは、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配置される酸化性ガス制御弁(335)と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ライン(455)と、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁(457)と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置を備える。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present disclosure includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and the turbine. an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; and an oxidizing gas control valve arranged in the oxidizing gas supply line. (335), a fuel gas line for supplying the fuel gas to the fuel electrode, a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line, and a heater for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. and the heating unit includes an oxidizing gas heating line (455 ) and a heating control valve (457) arranged in the oxidizing gas heating line, and the degree of opening of the heating control valve is increased or decreased according to a preset operating state of the fuel cell. and a controller for controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to decrease or increase the degree of opening of the oxidizing gas control valve.
本開示の第4態様に係る燃料電池システムによれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the heating control valve is increased in accordance with the preset operating state of the fuel cell, thereby reducing the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode. Temperature can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature of the power generation chamber rises, the activity of the catalyst in the fuel cell increases, reducing the amount of unreacted exhaust fuel gas and suppressing an increase in the number of revolutions per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas. be able to.
また、本開示の第4態様に係る燃料電池システムによれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the oxidizing gas control valve is reduced in accordance with the preset operating state of the fuel cell, so that the oxidizing gas heating line An increased amount of oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply line can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in the start-up time.
本開示の第5態様に係る燃料電池システムは、第4態様において、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を有し、前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する。 A fuel cell system according to a fifth aspect of the present disclosure, in the fourth aspect, is characterized by: a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside; a valve, wherein the control device opens the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to the generation chamber of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas heated by the heating unit; .
本開示の第5態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, the blow valve is opened when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode. Since part of the oxidizing gas compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, the oxidizing gas supply is more difficult than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the cathode through the line is reduced.
そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode from being excessively large with respect to the amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, thereby prolonging the start-up time. Further, it is possible to shorten the start-up time required from the start of supply of the fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state.
本開示の第5態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the generation chamber of the fuel cell reaching a predetermined heating state due to the oxidizing gas heated by the heating unit. . When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined level and the activity of the catalyst in the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be properly reacted.
本開示の第6態様に係る燃料電池システムは、第5態様において、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる燃焼器(422)と、前記燃料電池から排出された前記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(333)と、前記排酸化性ガスラインと前記酸化性ガス加熱ラインとを接続する接続ラインに配置される接続制御弁(456)を備え、前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記接続制御弁の開度を減少させるよう前記接続制御弁を制御する。 A fuel cell system according to a sixth aspect of the present disclosure, in the fifth aspect, is characterized by a combustor (422) for burning the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell, and the exhaust oxidizer discharged from the fuel cell. An exhaust oxidizing gas line (333) for supplying gas to the combustor, and a connection control valve (456) arranged in a connection line connecting the exhaust oxidizing gas line and the oxidizing gas heating line, The control device controls the connection control valve so as to decrease the degree of opening of the connection control valve prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state.
本開示の第6態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、接続制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの流量を増加させ、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。 According to the fuel cell system according to the sixth aspect of the present disclosure, prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state, by reducing the opening degree of the connection control valve, By increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply line, the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode can be increased.
本開示の第7態様に係る燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムは、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およ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、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とする工程と、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える。 A method of operating a fuel cell system according to a seventh aspect of the present disclosure is characterized in that the fuel cell system comprises a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are combusted. a turbocharger having a turbine supplied as gas and a compressor driven by said turbine; an oxidizing gas supply line for supplying oxidizing gas compressed by said compressor to said air electrode; a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line; a heating unit for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line; and a heating unit connected to the oxidizing gas supply line. and a blow valve disposed in the blow line, wherein the fuel gas control valve is switched from a closed state to an open state to switch the fuel gas control valve to the fuel electrode. a step of starting the supply of fuel gas; and a step of opening the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; A control step of controlling the blow valve to switch the blow valve to a closed state in response to the generation chamber of the fuel cell reaching a predetermined heated state by the oxidizing gas heated by the heating unit.
本開示の第7態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system operating method according to the seventh aspect of the present disclosure, when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened. becomes. Since part of the oxidizing gas compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, the oxidizing gas supply is more difficult than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the cathode through the line is reduced.
そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode from being excessively large with respect to the amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, thereby prolonging the start-up time. Further, it is possible to shorten the start-up time required from the start of supply of the fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state.
本開示の第7態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the method of operating a fuel cell system according to the seventh aspect of the present disclosure, the blow valve is closed in response to the generation chamber of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas heated by the heating unit. can be switched to When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined level and the activity of the catalyst in the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be properly reacted.
本開示の第8に係る燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池システムは、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配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御工程を備える。 In the method of operating a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell as combustion gas. and a compressor driven by the turbine, an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode, and the oxidizing gas supply line. an oxidizing gas control valve arranged; a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line; a heating unit for heating the gas, the heating unit having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve; A gas heating line and a heating control valve arranged in the oxidizing gas heating line are provided, and the degree of opening of the heating control valve is increased or decreased according to a preset operating state of the fuel cell. and controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to decrease or increase the degree of opening of the oxidizing gas control valve.
本開示の第8態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system operating method according to the eighth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the heating control valve is increased in accordance with the preset operating state of the fuel cell, thereby increasing the amount of oxidation gas supplied to the air electrode. the temperature of the gas can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature of the power generation chamber rises, the activity of the catalyst in the fuel cell increases, reducing the amount of unreacted exhaust fuel gas and suppressing an increase in the number of revolutions per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas. be able to.
また、本開示の第8態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the method of operating a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the oxidizing gas control valve is reduced according to the preset operating state of the fuel cell, thereby reducing the amount of oxidizing gas. An increased amount of oxidizing gas supplied from the heating line to the oxidizing gas supply line can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in the start-up time.
本開示の第9態様に係る燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池システムは、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配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、前記加熱制御弁の開度を増加させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する第1制御工程と、前記加熱制御弁の開度が増加し、かつ前記酸化性ガス制御弁の開度が減少した状態で、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁を制御する第2制御工程と、を備える。 In the method for operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are combusted. A turbocharger having a turbine supplied as gas and a compressor driven by the turbine, an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode, and the oxidizing gas supply line. a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve that is disposed in the fuel gas line; and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. a heating unit for heating the oxidizing gas, wherein the heating unit has one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve. and a heating control valve arranged in the oxidizing gas heating line, wherein the opening of the heating control valve is increased and the opening of the oxidizing gas control valve is decreased. a first control step of controlling a heating control valve and said oxidizing gas control valve; and a second control step of controlling the fuel gas control valve to switch the valve from a closed state to an open state.
本開示の第9態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the method of operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state, by increasing the opening degree of the heating control valve, The temperature of the supplied oxidizing gas can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature of the power generation chamber rises, the activity of the catalyst in the fuel cell increases, reducing the amount of unreacted exhaust fuel gas and suppressing an increase in the number of revolutions per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas. be able to.
また、本開示の第9態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスによる酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the method of operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, by reducing the opening degree of the oxidizing gas control valve, the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas heating line to the oxidizing gas supply line is It is possible to offset the increase in oxidizing gas due to the oxidizing gas. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in the start-up time.
20 制御装置
109 燃料極
113 空気極
215 発電室
310 燃料電池システム
329 燃焼排ガスライン
331 酸化性ガス供給ライン
333 排酸化性ガスライン
335 制御弁(酸化性ガス制御弁)
341 燃料ガスライン
342 制御弁(燃料ガス制御弁)
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
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
455 起動用空気加熱ライン(酸化性ガス加熱ライン)
456 制御弁
457 制御弁(加熱制御弁)
458 起動用加熱器
459 制御弁
460 制御弁
A 空気
A2 酸化性ガス
A3 排酸化性ガス
G 燃焼ガス
L1 燃料ガス
L3 排燃料ガス
T0,T1,T1a,T2,T3,T4,T5 時刻
20
341
343 Exhaust
456
Claims (6)
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、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、
前記ブローラインに配置されるブロー弁と、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置と、を備える燃料電池システム。 a fuel cell having an air electrode and an anode;
a turbocharger having a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line;
a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside;
a blow valve disposed in the blow line;
When the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened, and the power generation chamber of the fuel cell is heated by the heating unit. and a controller for controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state due to the oxidizing gas.
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配置される酸化性ガス制御弁と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、
前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、
予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、
前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する燃料電池システム。 a fuel cell having an air electrode and an anode;
a turbocharger having a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
an oxidizing gas control valve arranged in the oxidizing gas supply line;
a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line,
The heating unit
an oxidizing gas heating line having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve;
a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line;
The heating control valve and the oxidizing gas are controlled so as to increase or decrease the degree of opening of the heating control valve and decrease or increase the degree of opening of the oxidizing gas control valve according to a preset operating state of the fuel cell. a controller that controls the gas control valve;
a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside;
a blow valve disposed in the blow line,
The control device switches the fuel gas control valve from a closed state to an open state to open the blow valve when starting to supply the fuel gas to the fuel electrode, and the power generation chamber of the fuel cell is opened. A fuel cell system for controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state by the oxidizing gas heated by the heating unit.
前記燃料電池から排出された前記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、
前記排酸化性ガスラインと前記酸化性ガス加熱ラインとを接続する接続ラインに配置される接続制御弁を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記接続制御弁の開度を減少させるよう前記接続制御弁を制御する請求項4に記載の燃料電池システム。 a combustor for burning the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell;
an exhaust oxidizing gas line for supplying the exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell to the combustor;
A connection control valve arranged in a connection line connecting the exhaust oxidizing gas line and the oxidizing gas heating line,
5. The fuel cell system according to claim 4 , wherein the control device controls the connection control valve so as to decrease the degree of opening of the connection control valve prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state. .
前記燃料電池システムは、
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およ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、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、
前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とする工程と、
前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える燃料電池システムの運転方法。 A method of operating a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system is
a fuel cell having an air electrode and an anode;
a turbocharger having a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line;
a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside;
a blow valve disposed in the blow line,
switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode;
a step of opening the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode;
a control step of controlling the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to the generation chamber of the fuel cell being brought into a predetermined heated state by the oxidizing gas heated by the heating unit. How to operate a battery system.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022108294A JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
JP2023011983A JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
PCT/JP2023/006931 WO2024009552A1 (en) | 2022-07-05 | 2023-02-27 | Fuel cell system and method for operating fuel cell system |
TW112110198A TW202404164A (en) | 2022-07-05 | 2023-03-20 | Fuel cell system and method for operating fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022108294A JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023011983A Division JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP7293466B1 true JP7293466B1 (en) | 2023-06-19 |
JP2024007090A JP2024007090A (en) | 2024-01-18 |
Family
ID=86772580
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022108294A Active JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
JP2023011983A Active JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023011983A Active JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (2) | JP7293466B1 (en) |
TW (1) | TW202404164A (en) |
WO (1) | WO2024009552A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6591112B1 (en) | 2019-05-31 | 2019-10-16 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, AND METHOD FOR STARTING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM |
JP2021136175A (en) | 2020-02-27 | 2021-09-13 | 三菱パワー株式会社 | Fuel cell system and start method therefor |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108370047B (en) | 2015-12-15 | 2020-05-26 | 日产自动车株式会社 | Fuel cell system and control method thereof |
JP7383515B2 (en) | 2020-02-14 | 2023-11-20 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system, its control device, control method, and control program |
-
2022
- 2022-07-05 JP JP2022108294A patent/JP7293466B1/en active Active
-
2023
- 2023-01-30 JP JP2023011983A patent/JP7408855B1/en active Active
- 2023-02-27 WO PCT/JP2023/006931 patent/WO2024009552A1/en unknown
- 2023-03-20 TW TW112110198A patent/TW202404164A/en unknown
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6591112B1 (en) | 2019-05-31 | 2019-10-16 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, AND METHOD FOR STARTING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM |
JP2021136175A (en) | 2020-02-27 | 2021-09-13 | 三菱パワー株式会社 | Fuel cell system and start method therefor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2024007311A (en) | 2024-01-18 |
WO2024009552A1 (en) | 2024-01-11 |
JP7408855B1 (en) | 2024-01-05 |
TW202404164A (en) | 2024-01-16 |
JP2024007090A (en) | 2024-01-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6616054B1 (en) | Fuel cell system, combined power generation system, and control method for fuel cell system | |
US8309270B2 (en) | Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange | |
EP3719903B1 (en) | Fuel cell temperature distribution control system, fuel cell, and temperature distribution control method | |
WO2021171882A1 (en) | Fuel cell system and control method therefor | |
WO2021171883A1 (en) | Fuel cell system and method for starting same | |
JP7293466B1 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM | |
EP2183811B1 (en) | Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange | |
JP6961736B2 (en) | Fuel cell system and its control method | |
CN115428201A (en) | Fuel cell power generation system | |
RU2447545C2 (en) | Systems of solid oxide fuel cells with improved gas chanelling and heat exchange | |
JP7213217B2 (en) | Fuel cell power generation system and control method for fuel cell power generation system | |
JP7013605B1 (en) | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system | |
JP6632911B2 (en) | Fuel cell, fuel cell combined power generation system, and method of stopping fuel cell | |
JP2012009207A (en) | Power generator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220818 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20220818 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20221129 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230130 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230509 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230607 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7293466 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |