説明

固体酸化物形燃料電池の運転方法

【課題】固体酸化物形燃料電池の起動における定格負荷までに、水蒸気発生器に適切な流量の水を供給し、安定した水蒸気を生成させる固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供する。
【解決手段】発電セル16の一方の面に形成された燃料極層14に燃料ガスを供給するとともに、発電セル16の他方の面に形成された空気極層15に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、固体酸化物形燃料電池5の起動における定格負荷までに、水蒸気発生器8に固体酸化物形燃料電池5の運転に必要な供給水流量の定格値の水を供給し、水蒸気発生器8において水蒸気を生成させるとともに、水蒸気発生器8内の温度が予め設定されたしきい値未満になった場合に、水蒸気発生器8に供給される水の上記定格値を低下させて一定時間保持し、これにより水蒸気発生器8内の温度が当該しきい値以上になった場合に、水蒸気発生器8に供給される水の供給流量を上記定格値に戻す。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料極層に燃料ガスを、空気極層に空気を供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来の固体酸化物形燃料電池として、缶体内部に固体酸化物形燃料電池および改質器を設け、この改質器に水蒸気発生器において生成した水蒸気および炭化水素ガスを供給して、当該改質器内において水素リッチな燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料ガス供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、空気ブロアから供給された空気を空気供給ラインを介して、上記固体酸化物形燃料電池に供給するものが知られている。
【0003】
この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質層の一方の面に燃料極層を、他方の面に空気極層を配置した発電セルを有し、この発電セルの外側の燃料極層側に燃料極集電体および空気極層側に空気極集電体を配置して、これら集電体の外側にセパレータを配置することにより単セルをなし、この単セルを複数積層することにより構成されている。そして、上記燃料ガス供給ラインからの燃料ガスを、上記セパレータを介して上記燃料極層に供給し、上記空気供給ラインからの空気を、上記セパレータを介して上記空気極層に供給することにより発電反応を生じさせるものである。
【0004】
ここで、固体電解質層は、ランタンガレート材料(LSGMC)等によって構成されている。また、燃料極層は、Niのサーメットで構成されている。そして、空気極層は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)によって構成されている。また、燃料極集電体は、Ni基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。そして、空気極集電体は、Ag基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【0005】
一方、水蒸気発生器は、水供給手段から導入された水を、内部に充填された熱伝導性の良好なビーズによって効率的に気化して、上記改質器の改質反応に必要な水蒸気を生成するものである。
【0006】
他方、改質器は、導入された炭化水素ガスおよび水蒸気を、内部に充填された炭化水素用のNi(ニッケル)系、あるいはRu(ルテニウム)系の改質触媒によって、改質して燃料ガスを生成するものである。
【0007】
ところで、このような固体酸化物形燃料電池は、上記水供給手段から上記水蒸気発生器に供給される水の流量が適切でない場合、例えば、水流量が多いと、上記水蒸気発生器内が飽和状態となり、供給された水が全て水蒸気に生成されずに、水の状態のまま上記改質器に導入されてしまう。一方、水流量が少ないと、上記水蒸気発生器内で適切な量の水蒸気が生成されずに、この水蒸気発生器から水蒸気が導入される上記改質器内において、改質が上手く行われないという問題が生じてしまう。
【0008】
そこで、上記固体酸化物形燃料電池に用いられる上記水供給手段としては、上記水蒸気発生器に供給される水流量の定格流量時において、効率の良い運転が可能な水ポンプが選定される。
【0009】
ところが、起動時および負荷上昇時において、上記水蒸気発生器に供給する水流量が多いと、上記固体酸化物形燃料電池内の温度が低下してしまうという懸念から、上記水ポンプは、起動時および負荷上昇時における供給水流量の設定値(SV)が、20〜30cc/min程度の低流量に設定され、上記固体酸化物形燃料電池内の温度が低下してしまうことを防止している。
【0010】
このため、上記水ポンプの制御方法は、起動時および負荷上昇時において、上記水蒸気発生器に供給される水流量の上記設置値(SV)である20〜30cc/minを目標に、上記水ポンプからの実流量値(PV)が近づきくように制御される。そして、SV=PVに収束された時点において、当該設定値(SV)が定格流量まで増加され、さらに、この増加された定格流量を目標に、上記水ポンプからの上記実流量値(PV)が近づき、SV=PVとなるように制御されている。
【0011】
しかしながら、上記水ポンプは、定格流量時において効率良く運転されるように設計されているため、低流量時の安定性が非常に悪く、起動時および負荷上昇時における低流量では、上記水ポンプからの実流量値(PV)が、設定値(SV)になかなか収束されずに、上記水ポンプにハンチングが生じ、上記水蒸気発生器に安定した水の供給ができないという問題がある。また、設定値(SV)が定格流量に増加されても、その偏差を埋めようとフィードバック制御が行われるため、SV=PVに収束するまでに時間が掛かるという問題もある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、固体酸化物形燃料電池の起動における定格負荷までに、水蒸気発生器に適切な流量の水を供給し、安定した水蒸気を生成させる固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、発電セルの一方の面に形成された燃料極層に、炭化水素ガスおよび水蒸気発生器により生成した水蒸気を改質器に導入して改質した燃料ガスを供給するとともに、発電セルの他方の面に形成された空気極層に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、上記固体酸化物形燃料電池の起動における定格負荷までに、上記水蒸気発生器に上記固体酸化物形燃料電池の運転に必要な供給水流量の定格値の水を供給し、上記水蒸気発生器において水蒸気を生成させるとともに、上記水蒸気発生器内の温度が予め設定されたしきい値未満になった場合に、上記水蒸気発生器に供給される水の上記定格値を低下させて一定時間保持し、これにより上記水蒸気発生器内の温度が当該しきい値以上になった場合に、上記水蒸気発生器に供給される水の供給流量を上記定格値に戻すことを特徴とするものである。
【0014】
そして、請求項2に記載の発明は、請求項1の発明において、上記水蒸気発生器に供給される水の上記定格値を低下させて一定時間保持し、これにより上記水蒸気発生器内の温度が当該しきい値以上になっていない場合に、上記水蒸気発生器の温度が予め設定されたしきい値以上になるまで、さらに、上記水の供給流量を段階的に低下させ、上記水蒸気発生器内の温度が当該しきい値以上になった段階において、上記水蒸気発生器に供給される水の供給流量を上記定格値に戻すことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0015】
請求項1〜2に記載の発明によれば、水蒸気発生器に供給する水の流量を、固体酸化物形燃料電池の運転に必要な供給水流量の定格値にするため、上記水蒸気発生器に水を供給する手段に、供給水流量の定格値において効率良く運転する水ポンプを用いても、当該水ポンプのハンチングを防ぐことができる。これにより、上記固体酸化物形燃料電池の起動時および負荷上昇時においても、上記水蒸気発生器に供給する水流量の設定値(SV)に対して、実流量値(PV)が短時間で収束して、上記水蒸気発生器に安定した水の供給を行うことができる。
【0016】
また、上記水蒸気発生器内の温度に、予めしきい値を設定して、このしきい値の温度を監視し、上記水蒸気発生器内の温度が上記しきい値未満の場合に、上記水蒸気発生器に供給される水の流量を低下させて、上記水蒸気発生器内の温度を上記しきい値の温度以上にするため、上記水蒸気発生器において、安定した水蒸気を生成させることができる。この結果、上記水蒸気発生器に過度の水が供給され、飽和状態になることを防ぐことができるとともに、上記水蒸気発生器内において、水蒸気に生成されずに水のまま排出され、改質器に導入されることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法に用いられる固体酸化物形燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【図2】図1の固体酸化物形燃料電池の単セルを示す縦断面図である。
【図3】本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0018】
図1に示すように、本発明の固体酸化物形燃料電池の運転方法に用いられる一実施形態の固体酸化物形燃料電池は、内缶体1と、この内缶体1を断熱材2により覆う外缶体3とからなる缶体4を有し、この缶体4の内部に、固体酸化物形燃料電池5と改質器6とが収納され、当該缶体4の下部に固体酸化物形燃料電池5から排出された排ガスを、缶体4の外部に排出する排出口7が形成されているとともに、この排出口7に水蒸気を供給する水蒸気発生器8が配設され、かつ缶体4の外部に、炭化水素ガスブロア9、水ポンプ10、空気ブロア11および制御装置28とが配設されて概略構成されている。
【0019】
ここで、固体酸化物形燃料電池5は、図2に示すように、固体電解質層13の一方の面に燃料極層14が配置されているとともに、他方の面に空気極層15が配置されて発電セル16が構成されている。この発電セル16は、燃料極層14の外側に、燃料極集電体17が配置されているとともに、空気極層15の外側に空気極集電体18が配置されている。さらに、燃料極集電体17および空気極集電体18の外側には、セパレータ19が配置されて、単セル20が構成されている。この単セル20は、図1に示すように、複数積層され、積層方向の一端側と他端側とがフランジ21により挟み込まれている。
【0020】
また、固体電解質層13は、ストロンチウム、マグネシウム、コバルトを添加したランタンガレート材料(LSGMC)によって構成されている。
【0021】
そして、燃料極層14は、Niのサーメットで構成されている。また、空気極層15は、サマリウムストロンチウムコバルタイト(SSC)により構成されている。
【0022】
さらに、燃料極集電体17は、Ni基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。また、空気極集電体18は、Ag基合金などの多孔質焼結板によって構成されている。
【0023】
また、セパレータ19は、ステンレス板によって構成されているとともに、燃料極層14に燃料ガスを供給する燃料ガス通路22、および空気極層15に空気を供給する空気通路23が穿設されている。
【0024】
そして、発電セル16を挟持しているセパレータ19同士の間は、Niの多孔質焼結板からなる燃料極集電体17、およびAgの多孔質焼結板からなる空気極集電体18から排出される高温の残余の排ガスを缶体4内に排出可能なシールレス構造になっている。また、発電セル16には、発電セル16の温度を測定する温度計30が設けられている。
【0025】
さらに、複数積層した単セル20を挟持しているフランジ21には、燃料ガスを導入する燃料ガス供給ライン24a、および空気を導入する空気供給ライン27が各々接続されている。
【0026】
また、缶体4の外部に配置された炭化水素ガスブロア9は、その吐出側に炭化水素ガス供給ライン24が接続せれているとともに、この炭化水素ガス供給ライン24の他方側が、缶体4内部に収納された改質器6の導入側に接続されている。
【0027】
そして、改質器6は、その内部に炭化水素用のNi(ニッケル)系、あるいはRu(ルテニウム)系の改質触媒が充填されている。さらに、改質器6の出口側には、燃料ガス供給ライン24aが接続されているとともに、この燃料ガス供給ライン24aの他方側がフランジ21を介して、セパレータ19に接続されている。
【0028】
また、缶体4の外部に配置された水ポンプ10は、その吐出側に水供給ライン26が接続されている。この水供給ライン26の他方側が水蒸気発生器8の導入側に接続されているとともに、流量計12が介装されている。また、水蒸気発生器8の出口側に、水蒸気供給ライン26aの一方側が接続されてているとともに、他方側が燃料ガス供給ライン24aに接続されている。
【0029】
そして、水蒸気発生器8は、缶体4の排出口7を横断して介装されているとともに、燃料極集電体17および空気極集電体18から排出される上記排ガスの熱により、水を効率良く気化させるために、熱伝導性の良好なビーズが充填されている。また、水蒸気発生器8の上記出口側近傍に、温度計25が設けられている。
【0030】
さらに、缶体4の外部に配設された空気ブロア11は、その吐出側に空気供給ライン27が接続されているとともに、この空気供給ライン27の他方側がフランジ21を介して、セパレータ19に接続されている。
【0031】
また、缶体4の外部に配置された制御装置28は、固体酸化物形燃料電池5の起動から定格負荷までに、水蒸気発生器8内の温度を検出する温度計25からの検出信号、および水ポンプからの水の流量を検出する流量計12の検出信号を受信して、水蒸気発生器8に水を供給する水ポンプ10を制御する。
【0032】
以上の構成からなる固体酸化物形燃料電池を用いた運転方法について説明する。なお、本実施形態において挙げた数値は、あくまでも一例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
まず、図1に示すように、空気ブロア11、炭化水素ガスブロア9、水ポンプ10を作動させるとともに、外部熱源(図示せず)を利用して、固体酸化物形燃料電池5を昇温させる。そして、水ポンプから水供給ライン26を介して、水蒸気発生器8に水が供給される。
【0033】
この際、水蒸気発生器8に供給される水の流量は、固体酸化物形燃料電池5の運転に必要な供給水流量の定格値である。この固体酸化物形燃料電池5の運転に必要な供給水流量の定格値は、
供給水流量=都市ガス流量×S/C設定値×S/C係数
の式により算出される。この上記算出式により、制御装置28には、上記定格値(SV)が49cc/minに設定されるとともに、水ポンプ10の実流量値(PV)が49cc/minに設定される。また、水蒸気発生器8内の温度のしきい値が100℃に設定される。
なお、供給水流量の上記定格値である49cc/minの算出は、以下の通りである。
17.4cc/min×3.0×0.93660
=48.89cc/min
≒49cc/min
【0034】
そして、水ポンプ10から水蒸気発生器8に水が供給されると、水ポンプ10は、制御装置28の制御信号により、水ポンプ10の上記実流量値(PV)が、上記定格値(SV)の49cc/minに収束するように制御される。さらに、水蒸気発生器8においては、上記外部熱源により水蒸気発生器8自体も昇温されているため、水蒸気が生成される。そして、この水蒸気は、水蒸気供給ライン26aを介して、炭化水素ガス供給ライン24に導入される。
【0035】
この際に、制御装置28は、水蒸気発生器8の出口側近傍に設けられた温度計25から、水蒸気発生器8内の温度を検出し、この検出信号により、水蒸気発生器8内の温度が上記しきい値である100℃以上であるかが判断される。この判断により、水蒸気発生器8内の温度が100℃以上である場合には、水蒸気発生器8に供給する水流量が上記定格値(SV)である49cc/minに維持される。
【0036】
また、水蒸気発生器8内の温度が100℃未満になっていた場合には、制御装置28からの制御信号により、流量計12からの供給水流量を検出しつつ、水ポンプ10が制御され、水蒸気発生器8に供給する水流量が、上記定格値(SV)である49cc/minから40cc/minに低下させて10秒間保持される。
【0037】
そして、10秒間経過した時点において、再び制御装置28が水蒸気発生器8の出口側近傍に設けられた温度計25から、水蒸気発生器8内の温度を検出し、この検出信号により、水蒸気発生器8内の温度が上記しきい値である100℃以上であるかが判断される。この判断により、水蒸気発生器8内の温度が100℃以上である場合には、水蒸気発生器8に供給する水流量が上記定格値(SV)である49cc/minに維持される。
【0038】
また、上記定格値(SV)を40cc/minに低下させて10秒間保持しても、水蒸気発生器8内の温度が100℃以上にならなかった場合には、さらに制御装置28の制御信号により、低下した上記供給水流量を40cc/minから35cc/minに低下させて10秒間保持される。
【0039】
そして、10秒間経過した時点において、再び制御装置28が水蒸気発生器8の出口側近傍に設けられた温度計25から、水蒸気発生器8内の温度を検出し、この検出信号により、水蒸気発生器8内の温度が上記しきい値である100℃以上になっていた場合には、制御装置28の制御信号により、流量計12からの供給水流量を検出しつつ、水ポンプ10が制御され、水蒸気発生器8に供給する水流量が、上記定格値(SV)である49cc/minに戻される。
【0040】
さらに、上記供給水流量を35cc/minに低下させて10秒間保持しても、水蒸気発生器8内の温度が100℃以上にならなかった場合には、さらに制御装置28の制御信号により、低下した上記供給水流量を35cc/minから30cc/minに低下させて10秒間保持される。
【0041】
そして、10秒間経過した時点において、再び制御装置28が水蒸気発生器8の出口側近傍に設けられた温度計25から、水蒸気発生器8内の温度を検出し、この検出信号により、水蒸気発生器8内の温度が上記しきい値である100℃以上になっていた場合には、制御装置28の制御信号により、流量計12からの供給水流量を検出しつつ、水ポンプ10が制御され、水蒸気発生器8に供給する水流量が、上記定格値(SV)である49cc/minに戻される。
【0042】
さらに、上記供給水流量を30cc/minに低下させて10秒間保持しても、水蒸気発生器8内の温度が100℃以上にならなかった場合には、制御装置28が水蒸気発生器8などに不具合があると判断して、緊急停止される。
【0043】
このように、起動時において制御装置28により、水ポンプ10から水蒸気発生器8に供給される水の実流量値(PV)が制御されて、上記定格流量(SV)に収束させるとともに、水蒸気発生器8内の温度が監視されて、水蒸気発生器8において水蒸気を適切に生成されるように、温度管理および供給水流量が制御され、水蒸気発生器8において生成された水蒸気と、炭化水素ガスブロア9から供給された炭化水素ガスとが改質器6に導入される。
【0044】
そして、この改質器6内において水素リッチな燃料ガスに改質される。さらに、改質された燃料ガスが燃料ガス供給ライン24aを介して、固体酸化物形燃料電池5に導入されるとともに、空気ブロア11から供給された空気が空気供給ライン27を介して、固体酸化物形燃料電池5に導入される。
【0045】
これにより、固体酸化物形燃料電池5は、図2に示すように、燃料ガス供給ライン24aからの燃料ガスが、セパレータ19の燃料ガス通路22を介して燃料極層14に導入されるとともに、空気供給ライン27からの空気が、セパレータ19の空気通路23を介して空気極層15に導入されることにより発電反応が生じる。
【0046】
この発電反応により、負荷上昇が開始されるとともに、発電セル16の温度が上昇し、電流が定格電流値に到達すると固体酸化物形燃料電池5は、熱自立した状態になり、固体酸化物形燃料電池5の運転が開始される。そして、固体酸化物形燃料電池5が運転され、固体酸化物形燃料電池5によって得られた電力が、セパレータ19を介して、コンバータ(図示せず)に供給される。このコンバータに供給された電力は、入力電圧を希望値の出力電圧に変換され、さらに上記コンバータの出力側に配線されたインバータ(図示せず)を介して、外部に出力される。
【0047】
上述の実施の形態による固体酸化物形燃料電池の運転方法によれば、水蒸気発生器8に供給する水の流量を、固体酸化物形燃料電池5の運転に必要な供給水流量の定格値である49cc/minにするため、水蒸気発生器8に水を供給する手段に、供給水流量の定格値において効率良く運転する水ポンプ10を用いても、この水ポンプ10のハンチングを防ぐことができる。これにより、固体酸化物形燃料電池5の起動時および負荷上昇時においても、水蒸気発生器8に供給する水流量の設定値(SV)に対して、実流量値(PV)が短時間で収束して、水蒸気発生器8に安定した水の供給を行うことができる。
【0048】
また、水蒸気発生器8内の温度に、予めしきい値である100℃を設定して、このしきい値の100℃を監視し、水蒸気発生器8内の温度が100℃未満の場合に、水蒸気発生器8に供給される水の流量を低下させて、水蒸気発生器8内の温度を100℃以上にするため、水蒸気発生器8において、安定した水蒸気を生成させることができる。この結果、水蒸気発生器8に過度の水が供給され、飽和状態になることを防ぐことができるとともに、水蒸気発生器8内において、水蒸気に生成されずに水のまま排出され、改質器6に導入されることを防ぐことができる。
【0049】
なお、上記実施の形態において、空気ブロア11から空気供給ライン27を介して、空気を空気極層15に供給する場合のみ説明したが、これに限定されるものでなく、例えば、空気ブロア11と空気を空気極層15との間に、空気ブロア11から空気極層15に供給される空気の圧力を安定させる空気バッファタンクを介装しても対応可能である。
【産業上の利用可能性】
【0050】
固体酸化物形燃料電池に利用することができる。
【符号の説明】
【0051】
1 内缶体
2 断熱材
3 外缶体
4 缶体
5 固体酸化物形燃料電池
6 改質器
7 排出口
8 水蒸気発生器
9 炭化水素ガスブロア
10 水ポンプ
11 空気ブロア
12 流量計
13 固体電解質層
14 燃料極層
15 空気極層
16 発電セル
17 燃料極集電体
18 空気極集電体
19 セパレータ
20 単セル

【特許請求の範囲】
【請求項1】
発電セルの一方の面に形成された燃料極層に、炭化水素ガスおよび水蒸気発生器により生成した水蒸気を改質器に導入して改質した燃料ガスを供給するとともに、発電セルの他方の面に形成された空気極層に空気を供給して発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
上記固体酸化物形燃料電池の起動における定格負荷までに、上記水蒸気発生器に上記固体酸化物形燃料電池の運転に必要な供給水流量の定格値の水を供給し、上記水蒸気発生器において水蒸気を生成させるとともに、
上記水蒸気発生器内の温度が予め設定されたしきい値未満になった場合に、上記水蒸気発生器に供給される水の上記定格値を低下させて一定時間保持し、これにより上記水蒸気発生器内の温度が当該しきい値以上になった場合に、上記水蒸気発生器に供給される水の供給流量を上記定格値に戻すことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項2】
上記水蒸気発生器に供給される水の上記定格値を低下させて一定時間保持し、これにより上記水蒸気発生器内の温度が当該しきい値以上になっていない場合に、上記水蒸気発生器の温度が予め設定されたしきい値以上になるまで、さらに上記水の供給流量を段階的に低下させ、上記水蒸気発生器内の温度が当該しきい値以上になった段階において、上記水蒸気発生器に供給される水の供給流量を上記定格値に戻すことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2012−216370(P2012−216370A)
【公開日】平成24年11月8日(2012.11.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−80011(P2011−80011)
【出願日】平成23年3月31日(2011.3.31)
【出願人】(000156938)関西電力株式会社 (1,442)
【出願人】(000006264)三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Fターム(参考)】