JP2022160055A - Solid oxide fuel cell system and method for stopping solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、固体酸化物形燃料電池システム、および固体酸化物形燃料電池システムの停止方法に関するものである。 The present application relates to a solid oxide fuel cell system and a method for stopping the solid oxide fuel cell system.
燃料電池は、燃料極(以下、アノードと称する)と空気極(以下、カソードと称する)の間に電解質を挟んで構成した単セルを何層も積層したスタックと称される形態で使用される。そして、燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニア(YSZ:Yttria Stabilized Zirconia)などのイオン電導性の高い固体酸化物が用いられる。また、多孔質セラミックとニッケル(Ni)等の金属がアノード(厳密にはNi/YSZの界面部分)として機能する。そして、600℃~1000℃という、他の燃料電池と比べて高い温度で動作する。 A fuel cell is used in a form called a stack in which many layers of single cells are stacked with an electrolyte sandwiched between a fuel electrode (hereinafter referred to as an anode) and an air electrode (hereinafter referred to as a cathode). . Among fuel cells, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses a solid oxide with high ion conductivity such as Yttria Stabilized Zirconia (YSZ) as an electrolyte. Also, the porous ceramic and metal such as nickel (Ni) function as an anode (strictly speaking, the Ni/YSZ interface portion). And it operates at a temperature of 600° C. to 1000° C., which is higher than other fuel cells.
炭化水素系の燃料を用いる固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料を改質した水素を含む改質ガスと酸化剤を、スタック内で電解質を介してアノードとカソードで隔てた状態で電気化学反応を生じさせることで発電する。その際、アノードから排出されるガス(以下アノードオフガスと称する)を原燃料側に再循環するリサイクル回路を設けることで、アノードで消費されなかったアノードオフガスの再利用が可能となり、システム効率向上が期待できる。 In a solid oxide fuel cell system that uses a hydrocarbon-based fuel, an electrochemical reaction occurs between a hydrogen-containing reformed gas and an oxidant separated by an electrolyte in the stack between the anode and the cathode. to generate electricity. At that time, by providing a recycling circuit that recirculates the gas discharged from the anode (hereinafter referred to as anode off-gas) to the raw fuel side, it becomes possible to reuse the anode off-gas that has not been consumed by the anode, improving the system efficiency. I can expect it.
このような固体酸化物形燃料電池システムを停止する際、スタックへの改質ガス導入の遮断により、カソード側下流からアノード側へのガスの逆流、あるいはカソード側から電解質を介したアノード側への酸素の拡散等、アノードが酸化雰囲気に曝されることがある。これが高温状態で生じると、アノードが酸化され、スタックの劣化、あるいは破損をもたらす恐れがある。そこで、システム停止時に、原燃料を遮断した後にリサイクル回路によるアノードオフガスの再循環を継続してアノードを還元雰囲気状態に維持する方法が考案されている(例えば、参考文献1参照。)。
When such a solid oxide fuel cell system is stopped, the introduction of the reformed gas into the stack is cut off, causing gas to flow backward from the downstream side of the cathode to the anode side, or from the cathode side to the anode side via the electrolyte. The anode may be exposed to an oxidizing atmosphere, such as oxygen diffusion. If this occurs at high temperatures, the anode can oxidize, resulting in stack degradation or even failure. Therefore, a method has been devised to maintain the anode in a reducing atmosphere state by continuing the recycling of the anode off-gas by a recycling circuit after cutting off the raw fuel when the system is stopped (see
しかしながら、上述したようにSOFCの運転温度は高温であり、アノードが酸化の影響を受けない温度になるまでの温度低下により、アノードと連通するガス系統内が負圧状態となる。そのため、単にアノードオフガスを循環しただけでは、外気が系内に侵入し、外気に含まれる酸素の影響で、アノードが酸化されてしまうという不都合がある。 However, as described above, the operating temperature of the SOFC is high, and due to the decrease in temperature until the anode is not affected by oxidation, the inside of the gas system communicating with the anode becomes in a negative pressure state. Therefore, if the anode off-gas is simply circulated, outside air enters the system, and oxygen contained in the outside air oxidizes the anode.
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、アノードが酸化の影響を受けない温度になるまで還元雰囲気を保ち、信頼性の高い固体酸化物形燃料電池システムを得ることを目的とする。 The present application discloses a technique for solving the above problems, and maintains a reducing atmosphere until the temperature of the anode reaches a temperature where it is not affected by oxidation, and realizes a highly reliable solid oxide fuel cell system. with the aim of obtaining
本願に開示される固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素を含む燃料を水蒸気と反応させて水素を含む改質ガスを生成する改質器、空気と前記改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させ、直流電力を出力する固体酸化物形燃料電池のスタック、前記水蒸気を発生させる水蒸気発生器、前記スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを前記改質器に戻して循環させるリサイクル回路、およびシステム内の機器を連携制御する制御部を備え、前記制御部は、システム停止時に、前記直流電力の出力と前記燃料の供給を遮断した後、前記スタックの温度が許容温度に低下するまでの間、前記水蒸気の発生により、前記アノードを正圧に維持した状態で、前記循環を継続させることを特徴とする。 The solid oxide fuel cell system disclosed in the present application includes a reformer that reacts a hydrocarbon-containing fuel with water vapor to produce a hydrogen-containing reformed gas, and an electrochemical reaction between air and the reformed gas. A solid oxide fuel cell stack that generates electrical energy and outputs DC power, a steam generator that generates steam, and a recycling that circulates the anode off-gas discharged from the anode of the stack back to the reformer. A control unit that cooperatively controls a circuit and devices in the system, and the control unit cuts off the output of the DC power and the supply of the fuel when the system is stopped, and then the temperature of the stack drops to an allowable temperature. Until then, the circulation is continued while the positive pressure is maintained at the anode due to the generation of water vapor.
本願に開示される固体酸化物形燃料電池システムの停止方法は、燃料を水蒸気と反応させて改質ガスを生成する改質器と、空気と前記改質ガスとの電気化学反応によって発電する固体酸化物形燃料電池のスタックと、前記スタックのアノードから排出されるアノードオフガスを前記改質器に戻して循環させるリサイクル回路を備えた固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、前記発電と、前記燃料の供給を停止する工程、および前記スタックの温度が許容温度に低下するまでの間、前記水蒸気の発生により、前記アノードを正圧に維持した状態で、前記循環を継続させ、前記スタックを冷却する冷却工程、を含むことを特徴とする。 A method for stopping a solid oxide fuel cell system disclosed in the present application includes a reformer that reacts fuel with water vapor to produce a reformed gas, and a solid fuel cell that generates electricity through an electrochemical reaction between air and the reformed gas. A method for stopping a solid oxide fuel cell system comprising a stack of oxide fuel cells and a recycling circuit for circulating the anode off-gas discharged from the anode of the stack back to the reformer, the method comprising: and, during the step of stopping the supply of the fuel and until the temperature of the stack decreases to an allowable temperature, the circulation is continued while the anode is maintained at a positive pressure due to the generation of the water vapor, and the and a cooling step of cooling the stack.
本願に開示される固体酸化物形燃料電池システム、あるいはその停止方法によれば、アノードが酸化の影響を受けない温度になるまで正圧を維持することで外気の侵入を防いで還元雰囲気を保つことができるので、信頼性の高い固体酸化物形燃料電池システムを得ることができる。 According to the solid oxide fuel cell system disclosed in the present application or its shutdown method, positive pressure is maintained until the temperature of the anode reaches a temperature at which it is not affected by oxidation, thereby preventing outside air from entering and maintaining a reducing atmosphere. Therefore, a highly reliable solid oxide fuel cell system can be obtained.
以下、添付図面を参照して、本願が開示する固体酸化物形燃料電池システムにおける実施の形態ごとの詳細な説明を行う。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本願が限定されるものではない。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a detailed description of each embodiment of the solid oxide fuel cell system disclosed by the present application will be given. In addition, the embodiment shown below is an example, and this application is not limited by these embodiments.
実施の形態1.
図1~図3は、実施の形態1にかかる固体酸化物形燃料電池システムの構成、およびその停止方法を含む制御動作について説明するためのものであり、図1は固体酸化物形燃料電池システムの構成を示す模式的なフロー図、図2は停止における制御動作、つまり固体酸化物形燃料電池システムの停止方法について説明するためのフローチャートである。また、図3は本実施の形態1、および以降の各実施の形態にかかる固体酸化物形燃料電池システムの制御を行う制御部、あるいは制御を実行するための演算実行部分のハードウェア構成を示すブロック図である。
1 to 3 are for explaining the configuration of the solid oxide fuel cell system according to
本願の固体酸化物形燃料電池システムに特徴的な構成の説明の前に、実施の形態1にかかる固体酸化物形燃料電池システムの構成を示す図を用いて、一般的な固体酸化物形燃料電池システムと共通する構成および動作について説明する。固体酸化物形燃料電池システム1は、図1に示すように、主要構成機器として、燃料ガスFf1を改質する改質器5、改質ガスFf2と酸化剤である空気Fa1を電気化学反応させて、負荷99で使用する電力を発電するスタック2を備えている。そして、主要構成機器を動作させるのに必要な、燃料ガスFf1、空気Fa1、水Fs1等の原料を供給、あるいは処理するための機器、およびシステム内の各機器を連携制御する制御部4を備えている。
Before describing the configuration characteristic of the solid oxide fuel cell system of the present application, using a diagram showing the configuration of the solid oxide fuel cell system according to
スタック2は、カソード2cとアノード2aの間に電解質2eを挟み、図示しない流路、セパレータなどの電池部材を用いて構成した単セルを積層したものである。スタック2に供給された改質ガスFf2と空気Fa1は、後述するように電気化学反応で水素、酸素等が消費された後、アノードオフガスFf3、カソードオフガスFa2としてスタック2から排出される。アノードオフガスFf3は、一部がアノードオフガス燃焼回路31を経由して燃焼器6、残りがリサイクル回路32を経由して改質器5の上流側に戻り再循環される。カソードオフガスFa2は燃焼器6に供給される。
The
改質器5は、内部に触媒などが搭載されており、脱硫器7を通った燃料ガスFf1と水蒸気Fs2とアノードオフガスFf3から分岐したリサイクル用オフガスFf32を原料として改質反応を行うことにより、水素を多く含んだ改質ガスFf2を生成する。改質器5は燃焼器6で生成した熱によって触媒が昇温される。
The
燃焼器6は、アノードオフガスFf3から分岐し、ブロワ12を有するアノードオフガス燃焼回路31を通って供給された燃焼用オフガスFf31と、カソードオフガスFa2を燃焼させて燃焼ガスを生成するものである。燃焼ガスは改質器5内の触媒を昇温し、熱交換器8にて空気Fa1と熱交換した後、排気ガスFxとして外部に排出される。また、着火は燃焼器6内にある点火トランスによって実施される。
The combustor 6 combusts the combustion offgas Ff31 branched from the anode offgas Ff3 and supplied through the anode
ブロワ12は、燃焼器6へ燃焼用オフガスFf31を供給する。また、スタック2の差圧制御が必要な場合、ブロワ12の動作制御によって、燃焼用オフガスFf31とリサイクル用オフガスFf32の流量比率を変化させ、アノード2aを流通する改質ガスFf2の流量を制御してアノード2aとカソード2cの差圧を制御する。スタック2の差圧制御が不要な場合は、ブロワ12を省略しバルブを設置するようにしてもよい。ブロワ13は、リサイクル用オフガスFf32を改質器5の上流へ循環させる機能を有し、リサイクル量を制御する。燃料ガス遮断バルブ15は、燃料ガスFf1の供給を遮断する。水蒸気遮断バルブ16は、水蒸気の供給を遮断する。
The
脱硫器7は、燃料ガスFf1が都市ガスなど硫黄成分を含む場合、燃料ガスFf1中の硫黄成分を除去するものである。メタンなど硫黄成分を含まない燃料ガスFf1を用いる場合、省略してもよい。また、燃料ガスFf1としては、改質器5で改質可能であれば、メタンに限らず、他の炭化水素系のガスも適用可能である。
The
熱交換器8は、カソード2cに供給する前の空気Fa1と、改質器5から排出される排気ガスFxとの間で熱交換し、カソード2cに供給する空気Fa1の温度を高める。水蒸気発生器9は、アノードオフガスFf3と水Fs1との間で熱交換を行い、水Fs1から水蒸気Fs2を発生させる。逆にアノードオフガスFf3は熱を奪われるため、アノードオフガスFf3の温度は低下する。
The
熱交換器10は、アノードオフガスFf3をさらに冷却するとともに、アノードオフガスFf3に含まれる水分の調整をする。熱交換器10によって、アノードオフガスFf3に含まれる水蒸気の一部が凝縮し、凝縮水は図示しない気液分離器を介して水供給装置19へ戻され、水蒸気発生器9に供給する水Fs1に利用される。アノードオフガスFf3に残留する水蒸気の一部はブロワ13を介してリサイクル回路32を経由し、改質器5の原料(リサイクル用オフガスFf32)として利用される。
The
このように、アノードオフガスFf3が、熱交換器10によって温度が下がるので、一般的なブロワの耐熱温度(例えば80℃)以下で、ブロワ12、ブロワ13の運転を行うことを可能にする。例えば、特許文献1で用いられる循環ブロワは、アノードオフガスの高温に耐えなければならず、一般的なブロワを用いることができず、入手が困難な高温用の燃料ガスブロワを必要とする。
Since the temperature of the anode off-gas Ff3 is lowered by the
つぎに、固体酸化物形燃料電池システムの発電時の動作を説明する。システム発電時は燃料ガス遮断バルブ15、水蒸気遮断バルブ16は開状態となる。その結果、燃料ガスFf1と水蒸気Fs2が改質器5に供給され、水素を多く含んだ改質ガスFf2がアノード2aに供給される。空気Fa1は熱交換器8を通り、カソード2cに供給される。この結果、空気Fa1に含まれる酸素と改質ガスFf2中の水素は、カソード2c、アノード2aそれぞれで、式(1)、式(2)に示す電極反応で消費される。そして、この反応による電子の移動(直流電力)を負荷99に供給する。
Next, the operation of the solid oxide fuel cell system during power generation will be described. During system power generation, the fuel
1/2 O2+2e- → O2- (1)
H2+O2- → H2O+2e- (2)
1/2 O 2 +2e − → O 2− (1)
H 2 +O 2− → H 2 O+2e − (2)
アノード2aでは、電子の移動分に相当する水素が電極反応で消費され、アノード出口に向かうほど水素分圧が低くなるが、それと同じ量の水が生成して水蒸気分圧が高くなる。一方、カソード2cは、電子の移動分に相当する酸素が電極反応で消費され、カソード出口に向かうほど、ガス流量も酸素分圧も低くなる。SOFCの場合、アノード2aにおいて、電極反応と改質反応が同時に進行する内部改質が可能で、例えば、改質器5で改質できなかった残メタンの改質反応を水素生成の方向に進行させることができる。
At the anode 2a, hydrogen corresponding to the amount of electron transfer is consumed by the electrode reaction, and the hydrogen partial pressure decreases toward the anode outlet, but the same amount of water is produced and the water vapor partial pressure increases. On the other hand, at the
改質ガスFf2は、アノード2aを通過後、上述した組成のアノードオフガスFf3となり、水蒸気発生器9、熱交換器10によって熱が奪われる。そして、ブロワ12により、一部が燃焼用オフガスFf31として燃焼器6に導かれて燃焼に使われる。そして残りが、ブロワ13により、リサイクル用オフガスFf32として改質器5の入口側に回り、改質ガスFf2の原料として再利用される。ブロワ12は、必要によりスタックの差圧調整に利用される。
After passing through the anode 2a, the reformed gas Ff2 becomes the anode off-gas Ff3 having the composition described above, and heat is removed by the
上述した構成と基本動作を踏まえ、本願の固体酸化物形燃料電池システム1の説明に入る。本願の実施の形態1にかかる固体酸化物形燃料電池システム1においては、以降の各実施の形態にかかる固体酸化物形燃料電池システム1と共通するが、停止時にアノード2a側のガス系統の雰囲気を制御する機能を有する構成を特徴とする。
Based on the configuration and basic operation described above, the solid oxide
このようなシステムにおける停止時の動作、つまり制御部4が実行する固体酸化物形燃料電池システム1の停止方法について、図2のフローチャートを参考にして説明する。システム停止時は、負荷99への電流出力を遮断(ステップS100)し、燃料ガス遮断バルブ15を閉じて燃料ガスFf1を遮断する(ステップS110)。そして、ブロワ12を停止して燃焼器6への燃焼用オフガスFf31の供給を停止(ステップS120)する。その後、水蒸気Fs2の供給を継続して外気に対してアノード2aを正圧に維持しながら、ブロワ13の運転を継続し、リサイクル回路32によるリサイクルを継続する(ステップS130)。
The operation of such a system when it is stopped, that is, the method of stopping the solid oxide
ブロワ12を停止することで、燃焼器6への燃焼用オフガスFf31の供給が遮断され、縁切りとなるため、リサイクル回路32によるリサイクル用オフガスFf32の閉回路が形成される。一方、スタック2の冷却のため、カソード2cへは空気Fa1の供給を継続する(ステップS140)。このとき、冷却のため、例えば、最大量の空気Fa1を供給することが望ましく、空気源として、例えば図示しないブロワを設けている場合は、その出力を最大にする。一方、空気源として、圧縮空気の配管等の設備がシステム設置場所にある場合、図示しない流量調整バルブを設け、バルブの開度を最大にする。もちろん、最大出力にする必要は必ずしもなく、必要に応じて適切な割合に制御すればよい。いずれの場合でも、制御部4によって制御される。
By stopping the
また、アノードオフガスFf3の水蒸気の一部は、熱交換器10で凝縮され、閉回路の外部へ排出されることになる。しかし、水蒸気発生器9から新たな水蒸気Fs2が改質器5の入口に供給され、水蒸気Fs2がリサイクル用オフガスFf32と共に還元ガスとして循環することで、リサイクル用オフガスFf32の回路を常に正圧に保つことが可能となる。この状態でスタック2の温度(スタック温度T)を監視し、アノード2aが酸化の影響を受けないと考えられる、許容温度Tp(例えば300℃程度)以下に冷却されるまでの間(ステップS200で「No」)、正圧を維持しながら、アノード2aへの還元ガス供給が維持される。
Also, part of the water vapor in the anode off-gas Ff3 is condensed in the
スタック温度Tが許容温度Tp以下に低下したら(ステップS200で「yes」)、ブロワ12を一時的に起動し、アノードオフガスFf3を、例えば、燃焼器6に導いて、排気ガスFxとして外部に放出する(ステップS210)。そして、水蒸気供給回路33における水蒸気遮断バルブ16を閉じ、水蒸気Fs2の供給を停止する(ステップS220)。その後アノードオフガスFf3が流通するリサイクル回路32(アノードオフガス燃焼回路31を含む)を空気、不活性ガス等の非可燃性ガスで置換する(ステップS230)。
When the stack temperature T drops below the permissible temperature Tp ("yes" in step S200), the
上述したように、アノードオフガスFf3を排出した後に水蒸気Fs2の供給を停止した場合、リサイクル回路32を含めたアノード2aに通じる流通経路内は、ほぼ水蒸気Fs2で満たされ、可燃性ガスがない状態となる。しかし、温度の低下に伴い負圧化するため、例えば、外気と通じる経路を開けておけば、特段の動力を用いなくとも、自然に空気に置換されることになる。その経路に不活性ガス源をつないでおけば、不活性ガスに置換されることになる。
As described above, when the supply of the water vapor Fs2 is stopped after the anode off-gas Ff3 is discharged, the flow path leading to the anode 2a including the
これにより、安定した停止状態を保つことができる。その後、ブロワ13を停止し、リサイクル回路32によるリサイクルを停止する(ステップS240)。
This makes it possible to maintain a stable stopped state. After that, the
以上のような構成および制御により、システムを停止する際、燃料ガスFf1の供給を遮断した状態で、正圧を保ってアノード2aの還元雰囲気を維持することで、酸化の影響を受けずにスタック2を降温でき、システムを停止することが可能となる。また、システム停止後のリサイクル回路32、スタック2のアノード2a、およびアノードオフガスFf3には可燃性ガスの残留がなく、保管時の取り扱いも容易になる。例えば、特段の処理をしなくてもスタック2をシステムから取り出して点検等を行うことができる。
With the configuration and control as described above, when the system is stopped, the supply of the fuel gas Ff1 is cut off, and the positive pressure is maintained to maintain the reducing atmosphere of the anode 2a. 2 can be cooled and the system can be stopped. In addition, no combustible gas remains in the
つまり、システム停止時にリサイクル回路32内に水蒸気Fs2を投入することで、スタック温度Tが許容温度Tpに下がるまで、正圧を維持してアノード2aへの外気の侵入を抑制しながら還元雰囲気を保持できるようになった。これにより、劣化、破損を伴わずにスタック2を降温・停止できる固体酸化物形燃料電池システム1を得ることができる。
That is, by introducing water vapor Fs2 into the
さらに、スタック温度Tが許容温度Tp以下に降温した後のリサイクル停止前に、リサイクル回路32内の燃焼用オフガスFf31を燃焼器6に供給するブロワ12を動作させて、系内の残留ガス中の可燃成分を放出させるようにした。その際、水蒸気Fs2の補充によってリサイクル回路32を正圧に保っていたので、可燃性ガスを補充する場合と比べて、可燃性ガスの分圧が低く、可燃成分処理の手間も少なくて済む。これにより、停止中のリサイクル回路32には可燃性ガスの残留がなく、保管時の取り扱いも容易になる。また、燃焼用オフガスFf31を燃焼器6に供給するブロワ12は、システム運転中にスタック2の差圧維持にも利用でき、スタック運転の信頼性を高めることが可能となる。
Furthermore, before stopping recycling after the stack temperature T drops below the allowable temperature Tp, the
なお、本実施の形態1、および以降の各実施の形態において、マイコンを用いたソフトウェアで演算処理の実行部分を構成する場合、制御部4は、図3に示すようにプロセッサ401と記憶装置402を備えたひとつのマイコン400によって構成することも考えられる。記憶装置402は、図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。
In the first embodiment and the following embodiments, when software using a microcomputer constitutes the execution part of the arithmetic processing, the control unit 4 includes a
また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ401は、記憶装置402から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ401にプログラムが入力される。また、プロセッサ401は、演算結果等のデータを記憶装置402の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
Also, an auxiliary storage device such as a hard disk may be provided instead of the flash memory.
実施の形態2.
上記実施の形態1においては、アノードオフガスの冷却と水分調整を冷却水との熱交換で実施した例について説明した。本実施の形態2では、冷却水の代用として酸化剤である空気を用いた例について説明する。その他の構成は、実施の形態1と同様である。図4は、実施の形態2にかかる固体酸化物形燃料電池システムの構成について説明するための模式的なフロー図である。なお、空気とアノードオフガスとの熱交換以外の構成と動作については、実施の形態1で説明したのと同様であり、同様部分の説明を省略するとともに、実施の形態1で用いた図2~図3を援用する。
In the first embodiment, an example has been described in which cooling of the anode off-gas and adjustment of the water content are performed by heat exchange with cooling water. In the second embodiment, an example in which air, which is an oxidizing agent, is used instead of cooling water will be described. Other configurations are the same as those of the first embodiment. FIG. 4 is a schematic flow diagram for explaining the configuration of the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment. The configuration and operation other than the heat exchange between the air and the anode off-gas are the same as those described in the first embodiment. FIG. 3 is used.
実施の形態2にかかる固体酸化物形燃料電池システム1は、図4に示すように、実施の形態1で説明した熱交換器10に代え、空気Fa1とアノードオフガスFf3との熱交換を行う熱交換器11を設けるようにした。つまり、空気Fa1との熱交換でアノードオフガスFf3の冷却と水分調整を行うようにしたものであり、その他の構成は、実施の形態1で説明したのと同様である。
As shown in FIG. 4, the solid oxide
実施の形態2にかかる固体酸化物形燃料電池システム1の停止時の動作、つまり、制御部4が実行する固体酸化物形燃料電池システム1の停止方法について、図2のフローチャートを援用して説明する。システム停止時は、負荷99への電流出力を遮断(ステップS100)し、燃料ガス遮断バルブ15を閉じて燃料ガスFf1を遮断する(ステップS110)。そして、ブロワ12を停止して燃焼器6への燃焼用オフガスFf31の供給を停止(ステップS120)する。その後、水蒸気Fs2の供給を継続して外気に対してアノード2aを正圧に維持しながら、ブロワ13の運転を継続し、リサイクル回路32によるリサイクルを継続する(ステップS130)。
The operation when the solid oxide
ブロワ12を停止することで、燃焼器6への燃焼用オフガスFf31の供給が遮断され、縁切りとなるため、リサイクル回路32によるリサイクル用オフガスFf32の閉回路が形成される。一方、スタック2の冷却、およびアノードオフガスFf3の冷却と水分調整のため、カソード2cへは空気Fa1の供給を継続する(ステップS140)。このとき、少なくともスタック2の冷却のため、最大量の空気Fa1を供給することが望ましい。
By stopping the
ここで、改質反応においては、ガス中の炭素と水分の比を一定範囲に収める必要があり、さらに水分比率が一定以下になると炭素析出等の弊害が生じるため、リサイクル用オフガスFf32の水分調整は重要な制御事項である。しかし、スタック2の発電時は、空気利用率と燃料利用率を変化させない限り、空気Fa1の流量と燃料ガスFf1の流量比率は負荷99に供給する電力に関わらず一定であり、熱交換器11における空気Fa1とアノードオフガスFf3との流量比も一定である。つまり、アノードオフガスFf3との温度差に比べて、空気Fa1の温度が大きく変化しない限り、リサイクル用オフガスFf32の水分調整はほぼ一定に保たれる。
Here, in the reforming reaction, it is necessary to keep the ratio of carbon and moisture in the gas within a certain range. is an important control item. However, during power generation of the
それに対し、ステップS140において、空気Fa1の流量のみを増大させると、アノードオフガスFf3に対する空気Fa1の流量が過大になり、リサイクル用オフガスFf32の水分量が通常よりも低下することになる。 On the other hand, if only the flow rate of the air Fa1 is increased in step S140, the flow rate of the air Fa1 with respect to the anode offgas Ff3 becomes excessive, and the moisture content of the recycle offgas Ff32 becomes lower than normal.
しかし、実施の形態1で説明したように、水蒸気発生器9から新たな水蒸気Fs2が改質器5の入口に供給され、水蒸気Fs2がリサイクル用オフガスFf32と共に還元ガスとして循環する。そのため、リサイクル用オフガスFf32の回路を常に正圧に保つことが可能となるとともに、水分比率の過剰低下を抑制することができる。この状態でスタック温度Tを監視し、許容温度Tpに低下するまでの間(ステップS200で「No」)、正圧を維持しながら、アノード2aへの還元ガス供給が維持される。
However, as described in
スタック温度Tが許容温度Tp以下に低下したら(ステップS200で「yes」)、ブロワ12を一時的に起動し、アノードオフガスFf3を、例えば、燃焼器6に導いて、排気ガスFxとして外部に放出する(ステップS210)。そして、水蒸気供給回路33における水蒸気遮断バルブ16を閉じ、水蒸気Fs2の供給を停止する(ステップS220)。
When the stack temperature T drops below the permissible temperature Tp ("yes" in step S200), the
その後、アノードオフガスFf3が流通するリサイクル回路32(アノードオフガス燃焼回路31を含む)を空気、不活性ガス等の非可燃性ガスで置換する(ステップS230)。これにより、可燃性ガスの懸念が必要ない停止状態を保つことができる。そして、ブロワ13を停止し、リサイクル回路32によるリサイクルを停止する(ステップS240)。
Thereafter, the recycling circuit 32 (including the anode offgas combustion circuit 31) through which the anode offgas Ff3 flows is replaced with non-flammable gas such as air or inert gas (step S230). This makes it possible to maintain a stopped state in which there is no need to worry about combustible gases. Then, the
以上のような構成および制御により、空気Fa1とアノードオフガスFf3の熱交換を行う熱交換器11を用いることで、実施の形態1で説明した冷却水Fcの系統(冷却水装置18と熱交換器10)を省略できる。さらに、実施の形態1と同様に、スタック2を停止する際、燃料ガスFf1の供給を遮断した状態で、正圧を保ってアノード2aの還元雰囲気を維持することで、酸化の影響を受けずにスタック2を降温でき、さらに保管が容易な状態でシステムを停止することが可能となる。また、スタック停止後のリサイクル回路32には可燃性ガスの残留がなく、保管時の取り扱い性も良好である。
By using the
実施の形態3.
上記実施の形態1、2においては、アノードオフガスの冷却と水分調整のため、水蒸気発生器に加えて追加の熱交換器を用いた例について説明した。本実施の形態3では、水蒸気発生器のみで、アノードオフガスの冷却と水分調整を行った例について説明する。その他の構成は、実施の形態1、2と同様である。図5は、実施の形態3にかかる固体酸化物形燃料電池システムの構成を示す模式的なフロー図である。なお、アノードオフガスの熱交換以外の構成と動作については、実施の形態1、2で説明したのと同様であり、同様部分の説明を省略するとともに、実施の形態1で用いた図2~図3を援用する。
In
実施の形態3にかかる固体酸化物形燃料電池システム1は、図5に示すように、実施の形態1、2で説明した熱交換器10、11を省略し、水蒸気発生器9によって、アノードオフガスFf3の冷却と水分調整を行うようにしたものであり、その他の構成は、実施の形態1、2で説明したのと同様である。
The solid oxide
実施の形態3にかかる固体酸化物形燃料電池システム1の停止時の動作、つまり制御部4が実行する固体酸化物形燃料電池システム1の停止方法について、図2のフローチャートを援用して説明する。システム停止時は、負荷99への電流出力を遮断(ステップS100)し、燃料ガス遮断バルブ15を閉じて燃料ガスFf1を遮断する(ステップS110)。そして、ブロワ12を停止して燃焼器6への燃焼用オフガスFf31の供給を停止(ステップS120)する。その後、水蒸気Fs2の供給を継続して外気に対してアノード2aを正圧に維持しながら、ブロワ13の運転を継続し、リサイクル回路32によるリサイクルを継続する(ステップS130)。
The operation when the solid oxide
ブロワ12を停止することで、燃焼器6への燃焼用オフガスFf31の供給が遮断され、縁切りとなるため、リサイクル回路32によるリサイクル用オフガスFf32の閉回路が形成される。一方、スタック2の冷却のため、カソード2cへは空気Fa1の供給を継続する(ステップS140)。このとき、スタック2の冷却のため、最大量の空気Fa1を供給することが望ましい。
By stopping the
また、アノードオフガスFf3の水蒸気の一部は、熱交換器である水蒸気発生器9で凝縮され、閉回路の外部へ排出されることになる。しかし、水蒸気発生器9から新たな水蒸気Fs2が改質器5の入口に供給され、水蒸気Fs2がリサイクル用オフガスFf32と共に還元ガスとして循環することで、リサイクル用オフガスFf32の回路を常に正圧に保つことが可能となる。また、スタック温度Tと同じの温度のアノードオフガスFf3との熱交換により、高圧の水蒸気Fs2が得られる。
Also, part of the water vapor in the anode off-gas Ff3 is condensed in the
この状態でスタック温度Tを監視し、許容温度Tpに低下するまでの間(ステップS200で「No」)、正圧を維持しながら、アノード2aへの還元ガス供給が維持される。スタック温度Tが許容温度Tp以下に低下したら(ステップS200で「yes」)、ブロワ12を一時的に起動し、アノードオフガスFf3を、例えば、燃焼器6に導いて、排気ガスFxとして外部に放出する(ステップS210)。そして、水蒸気供給回路33における水蒸気遮断バルブ16を閉じ、水蒸気Fs2の供給を停止する(ステップS220)。
In this state, the stack temperature T is monitored, and the supply of the reducing gas to the anode 2a is maintained while maintaining the positive pressure until the stack temperature T drops to the allowable temperature Tp ("No" in step S200). When the stack temperature T drops below the permissible temperature Tp ("yes" in step S200), the
その後アノードオフガスFf3が流通するリサイクル回路32(アノードオフガス燃焼回路31を含む)を空気、不活性ガス等の非可燃性ガスで置換する(ステップS230)。これにより、可燃性ガスを気にすることなく容易に保管できる停止状態を保つことができる。そして、ブロワ13を停止し、リサイクル回路32によるリサイクルを停止する(ステップS240)。
Thereafter, the recycling circuit 32 (including the anode offgas combustion circuit 31) through which the anode offgas Ff3 flows is replaced with non-flammable gas such as air or inert gas (step S230). As a result, it is possible to maintain a stopped state in which storage can be easily carried out without worrying about combustible gas. Then, the
以上のような構成および制御により、熱交換器10、熱交換器11の代用として、水蒸気発生器9にてアノードオフガスFf3の冷却と水分調整を実施することで、実施の形態1、2で説明した追加の冷却系統を省略できる。さらに、実施の形態1と同様に、スタック2を停止する際、燃料ガスFf1の供給を遮断した状態で、正圧を保ってアノード2aの還元雰囲気を維持することで、酸化の影響を受けずにスタック2を降温でき、さらに特別な取り扱いを必要とせずにシステムを停止することが可能となる。また、スタック停止後のリサイクル回路32には可燃性ガスの残留がなく、保管時の取り扱い性が良好となる。
With the configuration and control as described above, cooling and water content adjustment of the anode offgas Ff3 are performed by the
なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組合せで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合、または省略する場合が含まれるものとする。 It should be noted that although the present application has described exemplary embodiments, the various features, aspects, and functions described in the embodiments are not limited to application of particular embodiments, but alone. , or in various combinations. Accordingly, numerous variations not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, modifications, additions, or omissions of at least one component shall be included.
例えば、ブロワ12を燃焼用オフガスFf31の供給/遮断を制御する流通制御器として用いた例を示したがこれに限ることはなく、例えば、遮断バルブ、流量調整バルブ等を流通制御器として用いてもよい。とくに、遮断バルブを設けることで、締め切り性能の高いブロワを用いなくてもよくなる。
For example, an example in which the
以上のように、本願の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、炭化水素を含む燃料(燃料ガスFf1)を水蒸気Fs2と反応させて水素を含む改質ガスFf2を生成する改質器5、空気Fa1と改質ガスFf2との電気化学反応によって電気エネルギを発生させ、直流電力を出力する固体酸化物形燃料電池のスタック2、水蒸気Fs2を発生させる水蒸気発生器9、スタック2のアノード2aから排出されたアノードオフガスFf3(厳密にはリサイクル用オフガスFf32)を改質器5に戻して循環させるリサイクル回路32(ブロワ13を含む)、およびシステム内の機器を連携制御する制御部4を備え、制御部4は、システム停止時に、直流電力の出力と燃料(燃料ガスFf1)の供給を遮断した後、スタック2の温度(スタック温度T)が許容温度Tpに低下するまでの間、水蒸気Fs2の発生により、アノード2aを(外気に対して)正圧に維持した状態で、循環を継続させるように構成した。これにより、アノード2aが酸化しない温度(許容温度Tp)になるまで正圧を維持することで、外気の侵入を防いでアノード2a内を還元雰囲気に保つことができるので、信頼性の高い固体酸化物形燃料電池システム1を得ることができる。
As described above, according to the solid oxide
制御部4は、スタック2の温度(スタック温度T)が許容温度Tpに低下するまでの間、カソード2cに供給する空気Fa1の流量を増大させるように構成すれば、冷却に必要な時間を短縮できる。
If the controller 4 is configured to increase the flow rate of the air Fa1 supplied to the
水蒸気発生器9は、アノードオフガスFf3との熱交換により、水蒸気Fs2を発生させるように構成すれば、熱効率が高くなるとともに、冷却期間中に、水蒸気Fs2発生のための加熱が不要となる。
If the
アノードオフガスFf3の一部(燃焼用オフガスFf31)を燃焼させて改質器5を加熱する燃焼器6を備え、制御部4は、スタックの温度(スタック温度T)が許容温度Tpに低下するまでの間、燃焼器6へのアノードオフガスFf3(燃焼用オフガスFf31)の流通を停止させ、許容温度Tpに低下した後、燃焼器6を介してリサイクル回路32を循環するガスを系外に排出させ、循環するガスを空気または不活性ガスに置換するように構成すれば、可燃性ガスが残留しないので、保管中の取り扱いが容易になる。
A combustor 6 that burns a part of the anode offgas Ff3 (combustion offgas Ff31) to heat the
制御部4は、システム運転中に、(スタック2内の)アノード2aとカソード2cの差圧が所定範囲内に収まるように、燃焼器6へのアノードオフガスFf3(燃焼用オフガスFf31)の流量を制御するようにすれば、差圧方による破損を防止できる。
The control unit 4 controls the flow rate of the anode offgas Ff3 (combustion offgas Ff31) to the combustor 6 so that the differential pressure between the anode 2a and the
アノードオフガスFf3の温度と水分調整をするための熱交換器10、11(および水蒸気発生器9)を備えるようにしたので、熱効率が高くなる。
Since the
その際、熱交換器として、アノードオフガスFf3と空気Fa1とを熱交換させる熱交換器11を用いれば、アノードオフガスFf3と空気Fa1との流量比が一定に保たれるため、特別な制御をしなくても、アノードオフガスFf3の温度と水分を一定レベルに保つことができる。
In this case, if the
以上のように、本願の固体酸化物形燃料電池システム1の停止方法によれば、燃料(燃料ガスFf1)を水蒸気Fs2と反応させて改質ガスFf2を生成する改質器5と、空気Fa1と改質ガスFf2との電気化学反応によって発電する固体酸化物形燃料電池のスタック2と、スタック2のアノード2aから排出されるアノードオフガスFf3(のうち、リサイクル用オフガスFf32)を改質器5に戻して循環させるリサイクル回路32(およびブロワ13)を備えた固体酸化物形燃料電池システム1の停止方法であって、発電と、燃料(燃料ガスFf1)の供給を停止する工程(ステップS100~S110)、およびスタック2の温度(スタック温度T)が許容温度Tpに低下するまでの間、水蒸気Fs2の発生により、アノード2aを(外気に対して)正圧に維持した状態で、循環を継続させ、スタック2を冷却する冷却工程(ステップS130~S200)、を含むように構成した。これにより、アノード2aが酸化しない温度(許容温度Tp)になるまで正圧を維持することで、外気の侵入を防いでアノード2a内を還元雰囲気に保つことができるので、信頼性の高い固体酸化物形燃料電池システム1を得ることができる。
As described above, according to the method of stopping the solid oxide
冷却工程(ステップS130~S200)では、改質器5を加熱する燃焼器6へのアノードオフガスFf3(燃焼用オフガスFf31)の流通を停止(ステップS120)し、許容温度Tpに低下した後、燃焼器6を介してリサイクル回路32を循環するガスを系外に排出させ、循環するガスを空気または不活性ガスに置換する工程(ステップS210~S230)、を含むように構成すれば、可燃性ガスが残留しないので、保管中の取り扱いが容易になる。
In the cooling step (steps S130 to S200), the flow of the anode offgas Ff3 (combustion offgas Ff31) to the combustor 6 that heats the
1:固体酸化物形燃料電池システム、 2:スタック、 2a:アノード、 2c:カソード、 2e:電解質、 4:制御部、 5:改質器、 6:燃焼器、 7:脱硫器、 8:熱交換器、 9:水蒸気発生器、 10:熱交換器、 11:熱交換器、 12:ブロワ(燃焼用オフガス流通制御器)、 13:ブロワ、 15:燃料ガス遮断バルブ、 16:水蒸気遮断バルブ、 18:冷却水装置、 19:水供給装置、 31:アノードオフガス燃焼回路、 32:リサイクル回路、 33:水蒸気供給回路、 99:負荷、 Fa1:空気、 Fa2:カソードオフガス、 Ff1:燃料ガス、 Ff2:改質ガス、 Ff3:アノードオフガス、 Ff31:燃焼用オフガス、 Ff32:リサイクル用オフガス、 Fx:排気ガス、 T:スタック温度、 Tp:許容温度。
1: Solid oxide fuel cell system 2: Stack 2a:
Claims (9)
空気と前記改質ガスとの電気化学反応によって電気エネルギを発生させ、直流電力を出力する固体酸化物形燃料電池のスタック、
前記水蒸気を発生させる水蒸気発生器、
前記スタックのアノードから排出されたアノードオフガスを前記改質器に戻して循環させるリサイクル回路、および
システム内の機器を連携制御する制御部を備え、
前記制御部は、システム停止時に、前記直流電力の出力と前記燃料の供給を遮断した後、前記スタックの温度が許容温度に低下するまでの間、前記水蒸気の発生により、前記アノードを正圧に維持した状態で、前記循環を継続させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 a reformer that reacts a hydrocarbon-containing fuel with water vapor to produce a hydrogen-containing reformed gas;
A solid oxide fuel cell stack that generates electrical energy through an electrochemical reaction between air and the reformed gas and outputs DC power;
a steam generator for generating the steam;
a recycling circuit that circulates the anode off-gas discharged from the anode of the stack back to the reformer;
After the output of the DC power and the supply of the fuel are cut off when the system is stopped, the control unit keeps the anode at a positive pressure by generating the water vapor until the temperature of the stack drops to an allowable temperature. A solid oxide fuel cell system characterized in that the circulation is continued while maintaining the solid oxide fuel cell system.
前記制御部は、前記スタックの温度が許容温度に低下するまでの間、前記燃焼器への前記アノードオフガスの流通を停止させ、前記許容温度に低下した後、前記燃焼器を介して前記リサイクル回路を循環するガスを系外に排出させ、前記循環するガスを空気または不活性ガスに置換することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 a combustor that burns a portion of the anode off-gas to heat the reformer;
The control unit stops the flow of the anode off-gas to the combustor until the temperature of the stack drops to the allowable temperature, and after the temperature drops to the allowable temperature, the recycle circuit through the combustor. 4. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the circulating gas is discharged outside the system, and the circulating gas is replaced with air or an inert gas.
前記発電と、前記燃料の供給を停止する工程、および
前記スタックの温度が許容温度に低下するまでの間、前記水蒸気の発生により、前記アノードを正圧に維持した状態で、前記循環を継続させ、前記スタックを冷却する冷却工程、
を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。 A reformer for reacting a fuel with water vapor to produce a reformed gas, a stack of solid oxide fuel cells for generating electricity through an electrochemical reaction between air and the reformed gas, and an anode of the stack that discharges A method for stopping a solid oxide fuel cell system comprising a recycling circuit for returning anode off-gas to the reformer for circulation, comprising:
During the step of stopping the power generation and the supply of the fuel, and until the temperature of the stack drops to an allowable temperature, the steam is generated to continue the circulation while maintaining the anode at a positive pressure. , a cooling step for cooling the stack;
A method for stopping a solid oxide fuel cell system, comprising:
前記許容温度に低下した後、前記燃焼器を介して前記リサイクル回路を循環するガスを系外に排出させ、前記循環するガスを空気または不活性ガスに置換する工程、
を含むことを特徴とする請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。 In the cooling step, the flow of the anode off-gas to the combustor that heats the reformer is stopped;
After the temperature has decreased to the permissible temperature, a step of discharging the gas circulating in the recycling circuit through the combustor to the outside of the system and replacing the circulating gas with air or an inert gas;
9. The method of stopping a solid oxide fuel cell system according to claim 8, comprising:
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