JP7360352B2 - SOFC/SOEC system - Google Patents
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Description
本発明は、SOFC/SOECシステムに関する。 The present invention relates to SOFC/SOEC systems.
従来、水を電気分解することで水素を生成するSOECモードと、水素の酸化反応によって発電するSOFCモードと、の2つの運転モードを有するSOFC/SOECセルを備えるSOFC/SOECシステムが知られている。例えば、特許文献1には、2種類の蓄熱器を用いて、SOFCモード時にSOFC/SOECセルにおいて発生する熱を回収し、回収した熱を、SOECモード時にSOFC/SOECセルに供給する技術が開示されている。
Conventionally, SOFC/SOEC systems equipped with SOFC/SOEC cells have been known that have two operating modes: an SOEC mode in which hydrogen is generated by electrolyzing water, and an SOFC mode in which electricity is generated by an oxidation reaction of hydrogen. . For example,
しかしながら、上記先行技術によっても、発電効率を向上する技術については、なお、改善の余地があった。例えば、特許文献1に記載の技術では、SOFCモード時にSOFC/SOECセルに供給される空気は、空気極の流路に沿って流れるにしたがって酸素が消費され、酸素濃度が低下する一方、窒素濃度が増大する。このため、空気極の流路におけるガス濃度によって決まる濃度抵抗が増大し、SOFC/SOECセルの出力電圧が低下する。したがって、SOFC/SOECシステム全体での発電効率が低下するおそれがある。
However, even with the above-mentioned prior art, there is still room for improvement in terms of technology for improving power generation efficiency. For example, in the technology described in
また、特許文献1に記載の技術では、2種類の蓄熱器とSOFC/SOECセルとの間では、対流伝熱または輻射伝熱のいずれかによって熱のやり取りが行われるため、蓄熱器での蓄熱密度が比較的小さい。このため、水の電気分解や発電を連続して行うためには、別途エネルギを投入して、SOECモードでは加熱し、SOFCモードでは冷却する必要がある。このため、SOFC/SOECシステム全体での発電効率が低下するおそれがある。
In addition, in the technology described in
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、SOFC/SOECシステムにおいて、発電効率を向上する技術を提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a technology for improving power generation efficiency in a SOFC/SOEC system.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve at least part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
(1)本発明の一形態によれば、SOFC/SOECシステムが提供される。このSOFC/SOECシステムは、水の電気分解によって水素と酸素を生成するSOECモードと、水素を酸化して発電するSOFCモードと、の2つの運転モードを有するセルと、前記セルに印加される電圧を調整する電圧調整部と、SOECモードの前記セルにおいて生成される酸素が貯蔵される酸素貯蔵部と、前記セルの運転モードを切り替える制御部と、を備え、前記制御部は、SOECモードの前記セルに、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている電圧値より高い値の電圧を印加させるように、前記電圧調整部を制御し、SOFCモードの前記セルに、前記セルに供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、前記酸素貯蔵部を制御する。 (1) According to one embodiment of the present invention, a SOFC/SOEC system is provided. This SOFC/SOEC system includes a cell that has two operating modes: an SOEC mode in which hydrogen and oxygen are generated by electrolysis of water, and an SOFC mode in which hydrogen is oxidized to generate electricity, and a voltage applied to the cell. an oxygen storage section in which oxygen generated in the cell in SOEC mode is stored; and a control section for switching an operation mode of the cell; The voltage regulator is controlled to apply a voltage higher than a preset voltage value as a value for thermoneutral state to the cell, and the hydrogen supplied to the cell is controlled to be applied to the cell in the SOFC mode. The oxygen storage section is controlled so as to supply a larger amount of oxygen than a preset amount to completely oxidize the oxygen.
この構成によれば、セルをSOFCモードで運転させる場合、酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素が水素の酸化材として供給される。SOFCモードでは、セルに供給される原料の化学エネルギから変換される電気エネルギとして取出し可能な電圧から、セルの内部抵抗に電流を掛け合わせた分を電圧ロス分として差し引いた電圧が、セルの出力電圧となる。セルの内部抵抗には、セルに供給されるガス濃度によって決定される濃度抵抗が含まれており、水素の酸化材として空気を用いた場合、酸素の消費によって窒素濃度が高くなると濃度抵抗は大きくなる。一方、水素の酸化材として酸素を用いると酸素が水素の酸化に消費されても酸素濃度は変化しにくいため、濃度抵抗の増大を抑制することができる。これにより、セルの出力電圧を高くすることができるため、比較的高い発電電圧を得ることができる。したがって、発電効率を向上することができる。 According to this configuration, when the cell is operated in the SOFC mode, oxygen stored in the oxygen storage section is supplied as an oxidizing agent for hydrogen. In SOFC mode, the cell's output is the voltage that can be obtained as electrical energy converted from the chemical energy of the raw materials supplied to the cell, minus the voltage loss obtained by multiplying the cell's internal resistance by the current. voltage. The internal resistance of a cell includes a concentration resistance determined by the gas concentration supplied to the cell, and when air is used as the hydrogen oxidizer, the concentration resistance increases as the nitrogen concentration increases due to oxygen consumption. Become. On the other hand, when oxygen is used as an oxidizing agent for hydrogen, the oxygen concentration does not easily change even if oxygen is consumed for oxidizing hydrogen, and therefore it is possible to suppress an increase in concentration resistance. Thereby, the output voltage of the cell can be increased, so that a relatively high power generation voltage can be obtained. Therefore, power generation efficiency can be improved.
また、制御部は、SOECモードのセルに、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている電圧値より高い電圧を印加させるように、電圧調整部を制御する。これにより、サーモニュートラル状態では吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるセルに、セルの内部抵抗に起因する熱が発生するため、セルの温度を安定させることができる。さらに、制御部は、SOFCモードのセルに供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、酸素貯蔵部を制御する。これにより、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるセルから、未反応のままセルから排出される酸素の顕熱としてセルの熱が外部に放出されるため、セル温度を安定させることができる。このように、SOECモードでは、セルの内部抵抗によって発熱し、SOFCモードでは、多い量の酸素を供給することでセルの熱をセルの外部に放出する。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、セルの熱収支を成立させることができるため、セルの温度変化を抑制することができる。 The control unit also controls the voltage adjustment unit to apply a voltage higher than a preset voltage value to the cell in the thermoneutral state to the cell in the SOEC mode. As a result, heat due to the internal resistance of the cell is generated in the cell, which in the thermoneutral state would lower its temperature due to the progression of the endothermic steam electrolysis reaction, making it impossible to stabilize the cell temperature. can. Further, the control unit controls the oxygen storage unit to supply oxygen in an amount larger than a preset amount to oxidize all of the hydrogen supplied to the cell in the SOFC mode. As a result, the heat of the cell is released from the cell, where the temperature rises due to the oxidation reaction of hydrogen, which is an exothermic reaction, to the outside as sensible heat of the oxygen discharged from the cell without reaction. Cell temperature can be stabilized. In this way, in the SOEC mode, heat is generated by the internal resistance of the cell, and in the SOFC mode, the heat of the cell is released to the outside of the cell by supplying a large amount of oxygen. Thereby, the heat balance of the cell can be established in each of the SOEC mode and the SOFC mode, so that temperature changes in the cell can be suppressed.
(2)上記形態のSOFC/SOECシステムは、さらに、前記酸素貯蔵部が貯蔵する酸素の貯蔵量を検出する貯蔵量検出部と、前記セルに空気を供給する空気供給部と、を備え、前記制御部は、前記貯蔵量検出部によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、前記酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素の前記セルへの供給と、前記空気供給部による空気の前記セルへの供給と、を切り替えてもよい。この構成によれば、制御部は、貯蔵量検出部によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素のセルへの供給と、空気供給部による空気のセルへの供給とを切り替える。これにより、酸素の貯蔵量が少ないとき、酸素の代わりに空気をセルに供給することでセルにおける発電を継続することができる。 (2) The SOFC/SOEC system of the above embodiment further includes a storage amount detection section that detects the amount of oxygen stored in the oxygen storage section, and an air supply section that supplies air to the cell, The control unit uses the storage amount of oxygen detected by the storage amount detection unit to control the supply of oxygen stored in the oxygen storage unit to the cell and the air supply unit to supply air to the cell. You may switch between supply and . According to this configuration, the control unit uses the storage amount of oxygen detected by the storage amount detection unit to supply oxygen stored in the oxygen storage unit to the cells, and to supply air to the cells by the air supply unit. supply. Thereby, when the amount of stored oxygen is small, power generation in the cell can be continued by supplying air to the cell instead of oxygen.
(3)上記形態のSOFC/SOECシステムは、さらに、前記セルに接続されており、SOFCモードの前記セルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードの前記セルに熱を供給する熱貯蔵部を備え、前記制御部は、前記熱貯蔵部による、前記セルで発生する熱の蓄熱と前記セルへの熱の供給と、を切り替えてもよい。この構成によれば、セルに接続されている熱貯蔵部は、SOFCモードのセルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードのセルに熱を供給する。これにより、SOFCモードにおいて、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるセルの熱をセルから熱貯蔵部に移動させて熱貯蔵部に蓄熱させることで、セル温度を安定させることができる。また、SOECモードにおいて、吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるセルに熱を供給することで、セル温度を安定させることができる。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、セルの熱収支を成立させることができるため、セルの温度変化を抑制することができる。 (3) The SOFC/SOEC system of the above embodiment further includes a heat storage unit connected to the cell, storing heat generated in the cell in SOFC mode, and supplying heat to the cell in SOEC mode. , the control unit may switch between storage of heat generated in the cell and supply of heat to the cell by the heat storage unit. According to this configuration, the heat storage unit connected to the cell stores heat generated in the SOFC mode cell and supplies heat to the SOEC mode cell. As a result, in SOFC mode, the cell heat, whose temperature rises due to the exothermic hydrogen oxidation reaction, is transferred from the cell to the heat storage section and stored in the heat storage section, thereby increasing the cell temperature. can be stabilized. Furthermore, in the SOEC mode, the cell temperature can be stabilized by supplying heat to the cell whose temperature is lowered by the progression of the steam electrolysis reaction, which is an endothermic reaction. Thereby, the heat balance of the cell can be established in each of the SOEC mode and the SOFC mode, so that temperature changes in the cell can be suppressed.
(4)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記熱貯蔵部は、前記セルに供給される水素または水が供給されることで、前記セルで発生する熱の蓄熱、または、前記セルへの熱の供給、を切り替えてもよい。この構成によれば、熱貯蔵部は、SOFCモードのセルで発電に用いられる水素が供給されることで、セルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードのセルで電気分解に用いられる水が供給されることで、セルに熱を供給する。このように、熱貯蔵部は、SOFC/SOECシステムで扱われる流体を用いて、蓄熱と熱の供給とを切り替えることができる。これにより、システムを大幅に変更することなく熱貯蔵部を駆動させることができるため、セルの熱収支を比較的容易に成立させることができる。 (4) In the SOFC/SOEC system of the above form, the heat storage section stores heat generated in the cell or stores heat to the cell by being supplied with hydrogen or water supplied to the cell. supply, may be switched. According to this configuration, the heat storage section stores heat generated in the cell by being supplied with hydrogen used for power generation in the SOFC mode cell, and is supplied with water used for electrolysis by the SOEC mode cell. heat is supplied to the cell. In this way, the heat storage can switch between storing heat and supplying heat using the fluids handled by the SOFC/SOEC system. Thereby, the heat storage section can be driven without significantly changing the system, so that the heat balance of the cell can be established relatively easily.
(5)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記熱貯蔵部は、前記セルとの間の熱流束を計測する熱流束計測部を有し、前記制御部は、前記熱流束計測部によって計測された熱流束を用いて、前記セルの温度の変化速度を算出し、算出した前記セル温度の変化速度を用いて、前記酸素貯蔵部による前記セルへの酸素の供給量、および、電圧調整部による前記セルに印加される電圧値の少なくとも一方を調整してもよい。この構成によれば、制御部は、熱流束計測部が計測する熱貯蔵部とセルとの間の熱流束を用いて、セル温度の変化速度を算出する。これにより、算出されたセル温度の変化速度を用いて、セル温度を予測することができるため、制御部は、算出したセル温度の変化速度を用いて、酸素貯蔵部からセルへの酸素の供給量、および、電圧調整部によるセルに印加される電圧値の少なくとも一方を調整することで、セルの熱収支を成立させることができる。したがって、セルの温度変化を抑制することができる。 (5) In the SOFC/SOEC system of the above embodiment, the heat storage section includes a heat flux measurement section that measures the heat flux between the heat storage section and the cell, and the control section controls the heat flux measurement section that measures the heat flux between the heat storage section and the cell. The rate of change in temperature of the cell is calculated using the heat flux calculated, and the amount of oxygen supplied to the cell by the oxygen storage unit and the amount of oxygen supplied to the cell by the voltage adjustment unit are calculated using the calculated rate of change in cell temperature. At least one of the voltage values applied to the cell may be adjusted. According to this configuration, the control unit calculates the rate of change in cell temperature using the heat flux between the heat storage unit and the cell measured by the heat flux measurement unit. As a result, the cell temperature can be predicted using the calculated rate of change in cell temperature, so the control unit uses the calculated rate of change in cell temperature to control the supply of oxygen from the oxygen storage unit to the cell. By adjusting at least one of the amount and the voltage value applied to the cell by the voltage adjustment section, the heat balance of the cell can be established. Therefore, temperature changes in the cell can be suppressed.
(6)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記制御部は、SOFCモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに供給される酸素の流量を増大させてもよい。この構成によれば、制御部は、SOFCモードにおいて、算出されたセル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、セルに供給される酸素の流量を増大させて、酸素の顕熱量を大きくする。SOFCモードにおいて、セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であることは、セルにおける発熱量が比較的多いために温度上昇が比較的速いことを示していることから、酸素の供給量を増大させて、セルから排出される酸素の顕熱を利用してセルを冷却する。これにより、セルの急激な温度変化を抑制することができる。 (6) In the SOFC/SOEC system of the above embodiment, the control unit controls the flow rate of oxygen supplied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOFC mode is equal to or higher than a predetermined value. May be increased. According to this configuration, in the SOFC mode, when the absolute value of the calculated cell temperature change rate is equal to or higher than a predetermined value, the control unit increases the flow rate of oxygen supplied to the cell to increase the sensible heat amount of oxygen. Make it bigger. In SOFC mode, if the absolute value of the rate of change in cell temperature is greater than or equal to a predetermined value, this indicates that the temperature rise is relatively fast due to the relatively large amount of heat generated in the cell. The sensible heat of the oxygen exhausted from the cell is used to cool the cell. Thereby, rapid temperature changes in the cell can be suppressed.
(7)上記形態のSOFC/SOECシステムにおいて、前記制御部は、SOECモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに印加される電圧を上昇させてもよい。この構成によれば、制御部は、SOECモードにおいて、算出されたセル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、セルに印加される電圧を上昇させて、セルの内部抵抗による発熱の量を大きくする。SOECモードにおいて、セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であることは、セルの温度低下が比較的速いことを示していることから、セルに印加される電圧を上昇させて、セルの内部抵抗による発熱を利用してセルを加熱する。これにより、セルの急激な温度変化を抑制することができる。 (7) In the SOFC/SOEC system of the above embodiment, the control unit increases the voltage applied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOEC mode is equal to or higher than a predetermined value. It's okay. According to this configuration, in the SOEC mode, when the absolute value of the calculated rate of change in cell temperature is equal to or higher than a predetermined value, the control unit increases the voltage applied to the cell to generate heat due to internal resistance of the cell. Increase the amount of In SOEC mode, if the absolute value of the rate of change in cell temperature is greater than or equal to a predetermined value, this indicates that the temperature of the cell is decreasing relatively quickly, so the voltage applied to the cell is increased to The cell is heated using heat generated by internal resistance. Thereby, rapid temperature changes in the cell can be suppressed.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、SOFC/SOECシステムの制御方法、SOFC/SOECシステムの制御方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various ways, such as a method for controlling an SOFC/SOEC system, a computer program for executing the method for controlling an SOFC/SOEC system, and a method for distributing this computer program. It can be realized in the form of a server device, a non-temporary storage medium storing a computer program, etc.
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1のブロック図である。SOFC/SOECシステム1は、水蒸気を電気分解(以下、単に「水蒸気電解」という)することで水素を生成し、生成した水素と酸素との化学反応から電気を発生させるシステムである。これにより、SOFC/SOECシステム1は、例えば、余剰電力を用いて水蒸気電解することで生成される水素を貯蔵し、電力が必要なときに水素を酸化させることで発電することで所望の時間に電力を得ることができる。本実施形態のSOFC/SOECシステム1は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、これらを接続する複数の配管と、制御部100と、を備える。
<First embodiment>
FIG. 1 is a block diagram of the SOFC/
SOFC/SOECスタック10は、複数のSOFC/SOECセルを備えている。複数のSOFC/SOECセルのそれぞれは、電圧が印加されることで水蒸気電解する固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolytic Cell)として機能する。また、複数のSOFC/SOECセルのそれぞれは、水素と酸素とが供給されることで電気を発生させる固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)としても機能する。ここで、SOFC/SOECシステム1において、SOFC/SOECスタック10が水蒸気電解している状態を「SOECモード」で運転しているとし、SOFC/SOECスタック10が発電している状態を「SOFCモード」で運転しているとする。本実施形態では、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の電極(燃料側電極)として、Ni-YSZが用いられ、酸素側12の電極(酸素側電極)として、ペロブスカイト型酸化物(例えば、(La,Sr)CoO3、(La,Sr)(Co,Fe)O3、LaSrMnO3など)が用いられる。燃料側11と酸素側12とを隔てている電解質13としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)が用いられている。なお、他の実施形態では、燃料側電極、酸素側電極、および、電解質13に、周知の材料が用いられてもよい。本実施形態のSOFC/SOECスタック10は、SOECモードにおいて、約650℃の雰囲気下で水蒸気電解を行い、SOFCモードにおいて、約700℃の雰囲気下で発電を行う。
The SOFC/
SOFC/SOECスタック10は、変圧器14を介して、図示しない外部の電力供給源に電気的に接続されている。変圧器14は、制御部100と電気的に接続しており、制御部100の指令に応じて、外部の電力供給源がSOFC/SOECスタック10に供給される電力の電圧を変更する。変圧器14は、特許請求の範囲の「電圧調整部」に相当する。
The SOFC/
酸素側熱交換器20は、酸素側オフガスが流れる排気流路21と、水蒸気と水素との混合ガス(以下、「燃料ガス」という)が流れる燃料ガス流路22と、酸素が流れる酸素流路23を有する。酸素側熱交換器20は、SOFC/SOECスタック10の酸素側12から排出される酸素側オフガスと、燃料側11に供給される燃料ガス、または、酸素側12に供給される酸素との熱交換を行う。
The oxygen
酸素貯蔵部30は、酸素昇圧器31と、酸素タンク32と、を有する。酸素昇圧器31は、酸素側熱交換器20の排気流路21を通過した酸素側オフガスを、例えば、20MPaまで昇圧する。酸素タンク32は、酸素昇圧器31が昇圧した酸素側オフガスを貯蔵する。酸素タンク32に貯蔵されている酸素オフガスは、主に酸素から構成されており、SOFC/SOECスタック10でのSOFCモードにおいて、水素を酸化するための酸化材として、酸素側熱交換器20の酸素流路23を介してSOFC/SOECスタック10に供給される。酸素側熱交換器20の排気流路21と酸素昇圧器31との間には、酸素昇圧器31への酸素オフガスの供給のオンオフを行うオンオフバルブ33が配置されている。酸素タンク32と酸素側熱交換器20の酸素流路23との間には、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給される酸素の流量を制御する流量制御バルブ34が配置されている。オンオフバルブ33および流量制御バルブ34は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。
The
燃料側熱交換器40は、燃料側オフガスが流れる排気流路41と、燃料ガスが流れる燃料流路42とを有する。燃料側熱交換器40は、SOFC/SOECスタック10の燃料側11から排出される燃料側オフガスと、燃料側11に供給される燃料ガスとの熱交換を行う。
The fuel-
水蒸気生成部50は、水を貯蔵する水タンク51と、水を加熱するための熱を供給する外部熱源52と、外部熱源52が供給する熱媒体が流れる熱媒流路53と、蒸発流路54を有する。水蒸気生成部50では、蒸発流路54を流れる水タンク51の水が熱媒流路53の熱媒体によって加熱されることで、水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、SOECモードでのSOFC/SOECスタック10の燃料側11に供給される。水タンク51と蒸発流路54との間には、水タンク51から蒸発流路54に送られる水量を調整する流量制御バルブ55が配置されている。流量制御バルブ55は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。
The
水素貯蔵部60は、水素昇圧器61と、水素タンク62とを有する。水素昇圧器61は、水素を加圧し、例えば、20MPaまで昇圧する。水素タンク62は、水素昇圧器61により昇圧された水素を貯蔵する。水素タンク62に貯蔵されている水素は、水素タンク62と後述する流量分配器73との間に配置されている流量制御バルブ63によって、SOFC/SOECスタック10の燃料側11に供給される量が調節される。流量制御バルブ63は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。
放熱器71は、燃料側熱交換器40の排気流路41の下流側に配置されている。放熱器71は、排気流路41を通った燃料側オフガスを放熱する。
The
気液分離器72は、放熱器71の下流側に配置されており、放熱器71において放熱された燃料側オフガスに含まれる水と水素とを分離する。気液分離器72によって分離された水は、水蒸気生成部50の水タンク51に送られる。気液分離器72によって分離された水素は、水素昇圧器61を介して水素タンク62に送られる。
The gas-
流量分配器73は、水蒸気生成部50および水素貯蔵部60と、酸素側熱交換器20および燃料側熱交換器40との間に配置されているマスフローコントローラである。流量分配器73は、水蒸気生成部50から送られる水蒸気と、水素貯蔵部60から送られる水素とが混合された燃料ガスを、酸素側熱交換器20と燃料側熱交換器40とのそれぞれに分配して供給する。流量分配器73と、酸素側熱交換器20との間には、酸素側熱交換器20に送られる燃料ガスの流量を調整する流量制御バルブ74が配置されている。流量制御バルブ74は、電気的に接続している制御部100の指令に応じて作動する。
The
制御部100は、ROM、RAM、および、CPUを含んで構成されるコンピュータであり、SOFC/SOECシステム1の各部を制御する。本実施形態では、制御部100は、変圧器14での電圧の制御、流量制御バルブ34、55、63、74での流量制御、オンオフバルブ33での開閉制御、流量分配器73での流量の分配制御などを行う。
The
図1には示されていないが、SOFC/SOECシステム1の各部には、配管中の流量を検出するマスフローセンサと、気体の温度を検出する温度センサが配置されている。制御部100は、これらのセンサの検出値を取得し、SOFC/SOECシステム1の各部を制御する。
Although not shown in FIG. 1, each part of the SOFC/
次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム1の作動について説明する。SOFC/SOECシステム1では、制御部100は、例えば、外部での余剰電力の発生や、電力の要求などに応じて、SOFC/SOECスタック10が、SOECモード、または、SOFCモードのいずれか一方の運転モードで運転されるように、SOFC/SOECシステム1を制御する。
Next, the operation of the SOFC/
最初に、SOFC/SOECスタック10がSOECモードで運転するときの作動を説明する。制御部100の制御によって、水蒸気生成部50では、水タンク51から水が蒸発流路54に供給される。蒸発流路54に供給された水は、外部熱源52が供給する熱媒体によって加熱され、水蒸気となる。生成された水蒸気は、電解時における燃料側電極の酸化(Ni電極の酸化による電極性能の低下)を回避するため、水素貯蔵部60から供給される水素と混合され流量分配器73に送られる。流量分配器73に送られた燃料ガスは、酸素側熱交換器20および燃料側熱交換器40において熱交換される熱量を考慮して、例えば、酸素側熱交換器20と燃料側熱交換器40との流量比0.82/0.18となるように、酸素側熱交換器20と燃料側熱交換器40とに送られる流量に分配される。酸素側熱交換器20および燃料側熱交換器40のそれぞれにおいて熱交換された燃料ガスは、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口において合流し、燃料側11の流路に流入する。
First, the operation when the SOFC/
SOFC/SOECスタック10では、変圧器14を介して外部の電力供給源から供給される電力によって、水蒸気電解を行う。本実施形態では、制御部100は、サーモニュートラル電圧(1.29V)に、追加電圧(0.08V)を加えた、電圧(1.37V)がSOFC/SOECスタック10に印加されるように、変圧器14を制御する。ここで、サーモニュートラル電圧とは、SOFC/SOECスタック10での水蒸気電解において、SOFC/SOECスタック10に発生する熱だけで、燃料側11に水素を生成することが可能な状態(以下、「サーモニュートラル状態」という)を維持するための電圧をいう。また、追加電圧とは、サーモニュートラル状態での発熱とは別に、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗によって発熱させるために、サーモニュートラル電圧に追加される電圧をいう。本実施形態では、制御部100は、事前に入力されているマップから、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗によって発熱するための電圧を設定する。具体的には、制御部100は、例えば、SOFC/SOECスタック10から排出される燃料側オフガスと酸素側オフガスの顕熱と、SOFC/SOECスタック10に流入する燃料ガスおよび酸素の顕熱との差から、ガスによってSOFC/SOECスタック10から放出される放熱量を算出する。制御部100は、算出された放熱量を用いて、上述したマップから追加電圧を決定する。
In the SOFC/
SOFC/SOECスタック10では、燃料側11の出口からは、水蒸気電解によって生成された水素と、電気分解されなかった水蒸気が排出され、酸素側12の出口からは、水蒸気電解によって生成された酸素が排出される。燃料側11から排出された燃料側オフガス(水蒸気と水素の混合ガス)は、燃料側熱交換器40において排熱が回収され、放熱器71により冷却されたのち、気液分離器72によって水と水素ガスとに分離される。分離された水は、水タンク51に貯蔵され、分離された水素ガスは、水素昇圧器61によって昇圧された後、水素タンク62に貯蔵される。
In the SOFC/
酸素側12から排出された酸素側オフガス(酸素)は、酸素側熱交換器20において排熱が回収され、酸素貯蔵部30に送られる。酸素貯蔵部30では、酸素昇圧器31により20MPaまで昇圧されたのち、酸素タンク32に貯蔵される。
Exhaust heat of the oxygen side off-gas (oxygen) discharged from the
次に、SOFC/SOECスタック10がSOFCモードで運転するときの作動を説明する。制御部100の制御によって、酸素タンク32に貯蔵されている酸素は、酸素側熱交換器20を流れたのち、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給される。このとき、制御部100は、SOFC/SOECスタック10に供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量より多い量の酸素が酸素側12に供給されるように、流量制御バルブ34を制御する。本実施形態では、制御部100は、図示しないマスフローコントローラを用いて検出された、燃料側11に供給される水素の流量を用いて、事前に入力されているマップから、酸素側12に供給する酸素の量を決定する。制御部100の制御によって、水素タンク62に貯蔵されている水素は、流量分配器73を流れたのち、酸素側熱交換器20または燃料側熱交換器40を流れ、SOFC/SOECスタック10の燃料側11に供給される。これにより、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって水が生成されるとともに電気が発生する。発生した電気は、外部の図示しない受電装置に送られる。
Next, the operation when the SOFC/
燃料側11からは、生成された水とともに未反応の水素ガスが排出される。燃料側11から排されるガスは、燃料側熱交換器40において排熱が回収され、放熱器71により冷却されたのち、気液分離器72によって水と水素ガスとに分離される。分離された水は、水タンク51に貯蔵され、分離された水素ガスは、水素昇圧器61によって昇圧された後、水素タンク62に貯蔵される。
From the
酸素側12から排出された酸素側オフガスは、酸素側熱交換器20において排熱が回収され、酸素貯蔵部30に送られる。酸素貯蔵部30では、酸素昇圧器31により20MPaまで昇圧されたのち、酸素タンク32に貯蔵される。
Exhaust heat of the oxygen side off-gas discharged from the
図2は、SOFC/SOECセルにおける電流密度と熱流束との関係を説明する図である。ここで、上述したSOFC/SOECシステム1の作動において、SOFC/SOECスタック10をSOECモードで運転するときに、SOFC/SOECスタック10に、サーモニュートラル電圧より高い電圧を印加する理由について説明する。図2には、SOFC/SOECスタック10の電解質13における電流密度を横軸に示し、この電流密度に対応する熱流束を縦軸に示している。また、電流密度を示す横軸においては、プラス側はSOFCモードでの電流密度を示されており、マイナス側はSOECモードでの電流密度が示されている。SOFC/SOECスタック10における熱流束は、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量と、水蒸気電解反応または水素の酸化反応による発熱量の合計となる。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between current density and heat flux in a SOFC/SOEC cell. Here, in the operation of the SOFC/
図2には、SOFC/SOECスタック10における電流密度と熱流束との関係を2つの太線(符号Lf0、Lf1)で示している。点線で示している符号Lf0は、上述したサーモニュートラル状態での電流密度と熱流束との関係を示しており、実線で示している符号Lf1は、本実施形態での電流密度と熱流束との関係を示している。また、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量は、中程度の太さの線(符号Lm0、Lm1)で示されており、水蒸気電解反応または水素の酸化反応による発熱量は、細線(符号Lt0)で示されている。
In FIG. 2, the relationship between current density and heat flux in the SOFC/
サーモニュートラル状態では、図2で示すSOECモード(電流密度のマイナス側の領域)において、SOFC/SOECスタック10には、サーモニュートラル電圧が印加されている。例えば、サーモニュートラル電圧での電流密度が-1.65A/cm2の場合(図2に示す点線SOEC1)、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量は、約0.5W/cm2程度(図2に示す符号Lm0の点線と点線SOEC1とが交わる点Pm0)となる。また、水蒸気電解反応による反応熱(エンタルピー変化量から自由エネルギ変化量を差し引いたもの)は、約マイナス0.5W/cm2程度(図2に示す符号Lt0の点線と点線とが交わる点Pm0)となることから、これらの合計であるSOFC/SOECスタック10における熱流束は、0W/cm2(図2に示す符号Lf0の点線と点線SOEC1とが交わる点Pf0)となる。
In the thermoneutral state, a thermoneutral voltage is applied to the SOFC/
一方、本実施形態では、SOECモードでは、SOFC/SOECスタック10には、上述したように、サーモニュートラル状態以上の電圧が供給されているため、抵抗発熱量がサーモニュートラル電圧に比べ増加する。具体的には、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱量は、約0.6W/cm2程度(図2に示す符号Lm1の実線と点線SOEC1とが交わる点Pm1)となる。このときの水蒸気電解反応による反応熱(符号Lt0)は変化しないため、本実施形態でのSOFC/SOECスタック10における熱流束は、符号Lf1となって、サーモニュートラル状態のときに比べ増加する(図2に示す符号Lf1の点線と点線SOEC1とが交わる点Pf1)。すなわち、本実施形態では、SOECモードにおいて、SOFC/SOECスタック10に印加する電圧を増大させることで、SOFC/SOECスタック10における抵抗発熱量を増大させている。
On the other hand, in the present embodiment, in the SOEC mode, the SOFC/
図3は、SOFC/SOECスタック10における熱収支を説明する図である。図3(a)には、出力50kWeでのSOECモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示し、図3(b)には、出力3.8kWeでのSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示している。
FIG. 3 is a diagram illustrating the heat balance in the SOFC/
SOECモード(図3(a)参照)では、図2で説明したように、SOFC/SOECスタック10に印加する電圧をサーモニュートラル電圧より高くすることで、SOFC/SOECスタック10での抵抗発熱量をニュートラル状態に比べ大きくしている。これにより、図3(a)に示す「A-1:抵抗発熱」の値が、サーモニュートラル状態より高い値(3.13kW)となる。これにより、SOFC/SOECスタック10での発熱量「A:スタック発熱」は、「A-1:抵抗発熱」と「A-2:反応熱」の合計(0.84kW)となっている。一方、SOFC/SOECスタック10からの放熱量は、燃料側オフガスの顕熱量である「B:燃料側ΔH」(0.36kW)と、酸素側オフガスの顕熱量である「C:酸素側ΔH」(0.43kW)と、「D:放熱ロス」(0.05kW)との合計であり、0.84kWとなる。すなわち、A-(B+C+D)=0となり、SOFC/SOECスタック10にサーモニュートラル電圧より高い電圧を印加することで、SOECモードでの熱収支が成立することとなる。
In the SOEC mode (see FIG. 3(a)), as explained in FIG. 2, by making the voltage applied to the SOFC/
SOFCモード(図3(b)参照)では、上述したように、制御部100の制御によって、酸素側12に水素との反応に必要な量より多い量の酸素を供給している。これにより、酸素側12からは、比較的多くの酸素が排出されることとなるため、酸素の顕熱による放熱量が、酸素を水素との反応に必要な量しか供給しない場合に比べ増大する。本実施形態では、制御部100は、SOFCモードでのSOFC/SOECスタック10における発熱量と放熱量との合計が0となるように、酸素の供給量を制御している。具体的には、制御部100は、図3(b)に示すように、SOFCモードでのSOFC/SOECスタック10における発熱量が2.27kWとなっていることから、「B:燃料側ΔH」と「C:酸素側ΔH」と「D:放熱ロス」との合計が2.27kWとなるように、酸素の供給量を制御する。これにより、図3(b)に示すように、A-(B+C+D)=0となり、SOFCモードでの熱収支も成立することとなる。本実施形態では、酸素の顕熱は、酸素側熱交換器20において回収され、燃料側11に供給される燃料ガスや酸素側12に供給される酸素の加熱に利用される。
In the SOFC mode (see FIG. 3(b)), as described above, the
図4は、本実施形態の効果を説明する図である。図4(a)には、ネルンスト電位の比較を示し、図4(b)には、発電効率の比較を示す。図4(a)および(b)のいずれの図にも、本実施形態に対する比較例として、空気を用いて発電するSOFC/SOECシステムを示している。なお、図4に示すデータは、700℃の定電流制御でのシミュレーション結果を示している。 FIG. 4 is a diagram illustrating the effects of this embodiment. FIG. 4(a) shows a comparison of Nernst potentials, and FIG. 4(b) shows a comparison of power generation efficiency. Both FIGS. 4(a) and 4(b) show a SOFC/SOEC system that generates power using air as a comparative example with respect to this embodiment. Note that the data shown in FIG. 4 shows simulation results under constant current control at 700°C.
図4(a)に示すネルンスト電位の比較では、本実施形態は、比較例に比べ1.15倍となることが明らかとなった。詳細に見てみると、本実施形態では、酸素側に供給される酸素の分圧が高いため、電圧は、比較例では0.74Vであるのに対し、本実施形態では、0.85Vに増大している。また、比較例では、酸素側には酸素のほかに窒素も含まれるガスが供給されるのに対し、本実施形態では、酸素のみが供給されるため、酸素側過電圧は、比較例では0.14Vであるのに対し、本実施形態では、0.08Vに低下している。 A comparison of the Nernst potential shown in FIG. 4(a) reveals that the Nernst potential of this embodiment is 1.15 times higher than that of the comparative example. Looking in detail, in this embodiment, since the partial pressure of oxygen supplied to the oxygen side is high, the voltage is 0.74V in the comparative example, whereas in this embodiment, the voltage is 0.85V. It is increasing. Further, in the comparative example, a gas containing nitrogen in addition to oxygen is supplied to the oxygen side, whereas in the present embodiment, only oxygen is supplied, so that the overvoltage on the oxygen side is 0. While it is 14V, in this embodiment, it is reduced to 0.08V.
また、図4(b)に示すように、本実施形態の発電効率比を100%とすると、比較例の発電効率比は、95%となることが明らかとなった。このことから、SOFCモードにおいて、酸素を水素の酸化材として用いることで、発電効率比が向上することが明らかとなった。 Moreover, as shown in FIG. 4(b), when the power generation efficiency ratio of the present embodiment is 100%, it has become clear that the power generation efficiency ratio of the comparative example is 95%. From this, it has become clear that in SOFC mode, the power generation efficiency ratio is improved by using oxygen as an oxidizing agent for hydrogen.
SOFC/SOECシステムにおいて、SOFCモードのSOFC/SOECセルでは、(a)SOFC/SOECセルの電解質や電極材料などの構成部材のオーミック抵抗と、(b)流れ場におけるH2/H2O/O2濃度によって決まる濃度抵抗と、(c)燃料側/酸素側の触媒活性で決まる反応抵抗と、が発生する。このため、SOFC/SOECセルの出力電圧は、化学エネルギから電気エネルギとして取り出すことが可能な電圧から、上述した(a)、(b)、(c)の抵抗の和と電流との積を差し引いた値となる。ここで、水素の酸化材として空気を用いた場合、発電により酸素が消費されるため、酸化材の上流から下流にいくにしたがって酸素濃度が低下する。このため、上述した3種類の抵抗のうち(b)の濃度抵抗が増大する。特に、SOFC/SOECスタック10における空気利用率を高く設定した場合、酸素の消費によりN2濃度が上昇し、(b)の濃度抵抗成分が増大する。
In a SOFC/SOEC system, in a SOFC/SOEC cell in SOFC mode, (a) ohmic resistance of constituent members such as the electrolyte and electrode material of the SOFC/SOEC cell, and (b) H 2 /H 2 O/O in the flow field. (2) Concentration resistance determined by concentration, and (c) reaction resistance determined by catalyst activity on the fuel side/oxygen side. Therefore, the output voltage of the SOFC/SOEC cell is calculated by subtracting the product of the sum of the resistances and current in (a), (b), and (c) above from the voltage that can be extracted as electrical energy from chemical energy. will be the value. Here, when air is used as the hydrogen oxidizing agent, oxygen is consumed by power generation, so the oxygen concentration decreases from upstream to downstream of the oxidizing agent. Therefore, among the three types of resistance described above, the concentration resistance (b) increases. In particular, when the air utilization rate in the SOFC/
以上説明したように、本実施形態のSOFC/SOECシステム1は、SOFC/SOECスタック10をSOFCモードで運転させる場合、酸素貯蔵部30に貯蔵されている酸素が水素の酸化材として供給される。これにより、上述したように、水素の酸化材として空気を用いた場合に比べ、濃度抵抗の増大を抑制することができるため、セルの出力電圧を高くすることができる。比較的高い発電電圧を得ることができる。したがって、発電効率を向上することができる。
As described above, in the SOFC/
また、本実施形態のSOFC/SOECシステム1では、制御部100は、SOECモードのSOFC/SOECスタック10に、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている値より高い値の電圧を印加させるように、変圧器14を制御する。これにより、サーモニュートラル電圧では吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるSOFC/SOECスタック10に、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗に起因する熱が発生するため、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。また、制御部100は、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10に供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、酸素貯蔵部30を制御する。これにより、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるSOFC/SOECスタック10から、未反応のままSOFC/SOECスタック10から排出される酸素の顕熱としてSOFC/SOECスタック10の熱が外部に放出されるため、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。このように、SOECモードでは、サーモニュートラル電圧より高い電圧を印加することでSOFC/SOECスタック10の内部抵抗によって発熱し、SOFCモードでは、SOFC/SOECスタック10に供給される水素を酸化させる量よりも多い酸素を供給することでSOFC/SOECスタック10の熱をSOFC/SOECスタック10の外部に放出する。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることができるため、SOFC/SOECスタック10の温度変化を抑制することができる。
Further, in the SOFC/
<第2実施形態>
図5は、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2のブロック図である。図6は、SOFC/SOECスタック10と蓄熱部80との熱のやり取りの説明図である。第2実施形態のSOFC/SOECシステム2では、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1と比較して、蓄熱部80を備えることが異なる。
<Second embodiment>
FIG. 5 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 2 according to the second embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram of heat exchange between the SOFC/
本実施形態のSOFC/SOECシステム2は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、これらを接続する複数の配管と、制御部100と、を備える。
The SOFC/SOEC system 2 of this embodiment includes a SOFC/
蓄熱部80は、熱貯蔵部81と、熱輸送部82と、流量制御バルブ83と、オンオフバルブ84とを有する。蓄熱部80は、SOFCモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の熱を蓄熱し、SOECモードにおいて、SOFC/SOECスタック10に蓄熱した熱を供給する。
The
熱貯蔵部81は、燃料側熱交換器40からSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口側までの間の配管75と、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の出口側から燃料側熱交換器までの間の配管76と、を接続する接続配管85に配置されている。熱貯蔵部81は、蓄熱材81aと、外部と電気絶縁された容器内に設置されている複数の流路81bを有している(図6参照)。蓄熱材81aは、金属酸化物MxOyの酸化還元反応(MxOy+yH2⇔xM+yH2O)を用いて、蓄熱および放熱を繰り返すことが可能である。金属Mとしては、Fe、Mn、Ni、Cuなどが一般的に用いられる。本実施形態では、金属Mは、Feとする。
The
熱輸送部82は、耐熱性、高熱伝導率、および、良好な電気伝導性を有するプレート状の材料であって、SiC、AlN、ステンレスなどから形成されている。熱輸送部82は、高い熱伝導性を有する材料から形成されることで、熱抵抗を低減しつつ、熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の熱輸送に要する温度差が比較的小さくても、熱を輸送することが可能である。
The
熱輸送部82は、図6に示すように、一方の端部が、SOFC/SOECスタック10の燃料側インターコネクト流路11a/燃料側電極11b/電解質13/酸素側電極12b/酸素側インターコネクト流路12aで形成される積層体の間に挟み込まれている。熱輸送部82の他方の端部は、蓄熱材81aに挟み込まれている(図6参照)。
As shown in FIG. 6, the
流量制御バルブ83は、接続配管85において、燃料側熱交換器からSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口側までの間の配管75と、熱貯蔵部81との間に配置されている。流量制御バルブ83は、熱貯蔵部81に供給される水または水素ガスの流量を制御する。オンオフバルブ84は、接続配管85において、熱貯蔵部81と、SOFC/SOECスタック10の燃料側11の出口側から燃料側熱交換器までの間の配管76との間に配置されている。オンオフバルブ84は、熱貯蔵部81から排出される水または水素ガスの供給のオンオフを行う。
The flow
SOECモードでは、制御部100の制御によって、SOFC/SOECスタック10において、燃料側インターコネクト流路11aには燃料ガス(H2O+H2)が供給されており(図6(a)の白抜き矢印F11)、酸素側インターコネクト流路12aに酸素(O2)が供給されている(図6(a)の白抜き矢印F12)。これにより、SOFC/SOECスタック10では、水蒸気電解反応が行われる。一方、制御部100の制御によって、蓄熱部80では、配管75を流れる燃料ガスが接続配管85を介して、蓄熱部80の流路81bに流入する(図6(a)の白抜き矢印F13)。このとき、Feである蓄熱材81aは、流路81bに流入する水との間で酸化反応(式(1))が進行し、284kJ/molの熱が発生する。なお、発生した水素(図6(a)の白抜き矢印F14)は、接続配管85を介して配管76を流れる燃料側オフガスに混合される。
3Fe+4H2O⇒Fe3O4+4H2 ・・(1)
In the SOEC mode, fuel gas (H 2 O + H 2 ) is supplied to the fuel-side
3Fe+4H 2 O⇒Fe 3 O 4 +4H 2 ...(1)
蓄熱材81aにおいて発生した熱は、主に伝導伝熱によって熱輸送部82に伝わる(図6(a)の白抜き矢印F15)。熱輸送部82に伝わった熱は、熱輸送部82を介してSOFC/SOECスタック10に伝わる(図6(a)の白抜き矢印F16)。SOFC/SOECスタック10に伝わった熱は、吸熱反応である水蒸気電解反応によって温度が低下しがちなSOFC/SOECスタック10の温度維持に利用される(図6(a)の白抜き矢印F17)。これにより、SOECモードでは、式(1)によって発熱する熱貯蔵部81の温度が667℃程度で維持され、水蒸気電解反応が進行するSOFC/SOECスタック10の温度が650℃程度で維持される。
The heat generated in the
SOFCモードでは、制御部100の制御によって、SOFC/SOECスタック10において、燃料側インターコネクト流路11aには水素が供給されており(図6(b)の白抜き矢印F21)、酸素側インターコネクト流路12aに酸素が供給されている(図6(b)の白抜き矢印F22)。これにより、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって発電が行われる。このとき、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって熱が発生する。SOFC/SOECスタック10において発生した熱は、主に伝導伝熱によって熱輸送部82に伝わる(図6(b)の白抜き矢印F23)。熱輸送部82に伝わった熱は、熱輸送部82を介して熱貯蔵部81に伝わる(図6(b)の白抜き矢印F24)。
In the SOFC mode, under the control of the
一方、制御部100の制御によって、蓄熱部80では、配管75を流れる水素ガスが、接続配管85を介して蓄熱部80の流路81bに流入する(図6(b)の白抜き矢印F23)。このとき、Fe3O4となっている蓄熱材81aは、流路81bに流入する水素ガスとの間で還元反応(式(2))が進行するため、284kJ/molの熱を吸収することができる。
Fe3O4+4H2⇒3Fe+4H2O ・・(2)
熱輸送部82を介してSOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に伝わる熱は、蓄熱材81aの全域に広がり(図6(b)の白抜き矢印F26)、式(2)の反応が進行する蓄熱材81aによって蓄熱される。これにより、SOFCモードでは、水素の酸化反応によって発熱するSOFC/SOECスタック10の温度が700℃程度で維持され、式(2)によって吸熱する熱貯蔵部81の温度が665℃程度で維持される。このように、本実施形態のSOFC/SOECシステム2では、蓄熱部80は、システムで扱われる燃料ガス(H2O+H2、または、H2)を用いて、SOFC/SOECスタック10での水素の酸化反応による発熱と水蒸気電解反応における吸熱を補完するように、熱の蓄熱と熱の供給とを切り替える。また、蓄熱部80からのオフガス(図6(b)の白抜き矢印F27)は、燃料側オフガスに混合して、燃料側オフガスと一緒に回収されるため、系外に排出されることはない。
On the other hand, under the control of the
Fe 3 O 4 +4H 2 ⇒3Fe+4H 2 O...(2)
The heat transmitted from the SOFC/
次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム2の作動について説明する。ここでは、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1の作動とは特に異なる点について説明する。
Next, the operation of the SOFC/SOEC system 2 of this embodiment will be explained. Here, points that are particularly different from the operation of the SOFC/
SOECモードでは、流量分配器73に送られた燃料ガスのうち、燃料側熱交換器40を介してSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口に送られる燃料ガスの一部が、制御部100による流量制御バルブ83の制御によって接続配管85を流れる。接続配管85を流れる燃料ガス中の水は、Feとなっている蓄熱材81aと酸化反応することで、熱貯蔵部81において熱が発生する。一方、サーモニュートラル電圧が印加されるSOFC/SOECスタック10では、水蒸気電解反応における吸熱によって温度が低下しがちになる。そこで、高熱伝導率を有する熱輸送部82は、熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の温度差が比較的小さくても(例えば、約17℃)、熱貯蔵部81からSOFC/SOECスタック10に、蓄熱材81aの熱を輸送する。このとき、制御部100は、熱貯蔵部81からSOFC/SOECスタック10への熱の輸送速度が、燃料側オフガスの顕熱量と、酸素側オフガスの顕熱量と、SOFC/SOECスタック10の放熱ロスとの和の時間変化と等しくなるように、流量制御バルブ83による燃料ガス中の水の流量を制御する。このとき、流量制御バルブ83による燃料ガス中の水の流量の制御は、制御部100に事前に入力されているマップを用いて、例えば、第1実施形態と同様の方法で決定される。これにより、SOECモードのSOFC/SOECスタック10において、第1実施形態のように抵抗発熱を増加させることなく、熱貯蔵部81からの熱量によりサーモニュートラル電圧(Vth=1.29V、650℃)にてスタック熱収支を成立させることが可能となる。
In the SOEC mode, a part of the fuel gas sent to the
SOFCモードでは、SOFC/SOECスタック10では、水素の酸化反応によって電気が発生するとともに熱が発生する。SOFC/SOECスタック10では、高酸素利用率(例えば、0.5)が設定されていると、SOFC/SOECスタック10内での発熱量は、放熱量(燃料側オフガスの顕熱量と、酸素側オフガスの顕熱量と、SOFC/SOECスタック10の放熱ロス)を上回る。一方、流量分配器73に送られた水素ガスのうち、燃料側熱交換器40を介してSOFC/SOECスタック10の燃料側11の入口に送られる水素ガスの一部が、制御部100による流量制御バルブ83の制御によって接続配管85を流れる。接続配管85を流れる水素は、吸熱反応である蓄熱材81aの還元反応に用いられ、熱貯蔵部81の温度が低下しがちになる。そこで、熱輸送部82は、熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の温度差が比較的小さくても(例えば、約35℃)、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に、SOFC/SOECスタック10の熱を輸送する。このとき、制御部100は、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81への熱の輸送速度、すなわち、熱貯蔵部81の蓄熱速度が、SOFC/SOECスタック10内での発熱量から放熱量を差し引いた値の時間変化と等しくなるように、流量制御バルブ83による水素の流量を制御する。このとき、流量制御バルブ83による水素の流量の制御は、制御部100に事前に入力されているマップを用いて決定される。これにより、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10において、第1実施形態のように酸素の流量を増加させることなく、SOFC/SOECスタック10の熱を蓄熱部80に輸送することで、スタック熱収支を成立させることが可能となる。
In the SOFC mode, the SOFC/
図7は、SOFC/SOECスタック10における熱収支を説明する図である。図7(a)には、出力50kWeでのSOECモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示し、図7(b)には、出力3.8kWeでのSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示している。第2実施形態でのSOFC/SOECスタック10における熱収支では、SOFC/SOECスタック10における発熱量と、SOFC/SOECスタック10から排出されるオフガスの顕熱による放熱量と、放熱ロスに加え、熱輸送部82を介した蓄熱部80との間の伝熱量も加わる。
FIG. 7 is a diagram illustrating the heat balance in the SOFC/
SOECモード(図7(a)参照)では、発熱量については、サーモニュートラル電圧で電力が供給されているため、「A:スタック発熱」は、「A-1:抵抗発熱」と「A-2:反応熱」との差し引きが0となる。一方、放熱量については、第1実施形態と同様に、燃料側オフガスの顕熱である「B:燃料側ΔH」(0.34kW)と、酸素側オフガスの顕熱である「C:酸素側ΔH」(0.43kW)と、「D:放熱ロス」(0.05kW)との合計であり、0.82kWとなる。本実施形態では、さらに、制御部100の制御によって、熱量が0.82kWとなるように蓄熱部80が制御されるため、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は、A-(B+C+D)-E=0となり、成立することとなる。
In SOEC mode (see Figure 7(a)), power is supplied at the thermoneutral voltage, so "A: stack heat generation" is different from "A-1: resistance heat generation" and "A-2 : heat of reaction" and the deduction is 0. On the other hand, regarding the amount of heat dissipation, as in the first embodiment, "B: fuel side ΔH" (0.34 kW) is the sensible heat of the off-gas on the fuel side, and "C: sensible heat of the off-gas on the oxygen side" is the sensible heat of the off-gas on the oxygen side. ΔH" (0.43 kW) and "D: heat radiation loss" (0.05 kW), which is 0.82 kW. In this embodiment, the
SOFCモード(図7(b)参照)では、SOFC/SOECスタック10での発熱量は、2.27kWとなっており、SOFC/SOECスタック10から排出されるオフガスの顕熱による放熱量と、放熱ロスとの合計は、0.52kWとなっている。これは、酸素の顕熱によって放熱量を増加させる第1実施形態と異なり、酸素側12を流れる気体の流量が第1実施形態に比べて少ないため、その結果として、「C:酸素側ΔH」が、第1実施形態に比べ少ないためである。本実施形態では、制御部100の制御によって、オフガスの顕熱と放熱ロスに加え、蓄熱部80への伝熱量が1.75kWとなるように、蓄熱部80が制御されるため、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は、A-(B+C+D)-E=0となる。したがって、SOFCモードでのSOFC/SOECスタック10全体での熱収支が成立することとなる。
In the SOFC mode (see Figure 7(b)), the amount of heat generated in the SOFC/
以上説明したように、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2では、SOFC/SOECスタック10に接続されている熱貯蔵部81は、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10で発生する熱を蓄熱し、SOECモードのSOFC/SOECスタック10に熱を供給する。これにより、SOFCモードにおいて、発熱反応である水素の酸化反応に起因して温度が上昇することとなるSOFC/SOECスタック10の熱を、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に移動させて熱貯蔵部81に蓄熱させることで、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。また、SOECモードにおいて、吸熱反応である水蒸気電解反応が進行することで温度が低下することとなるSOFC/SOECスタック10に熱を供給することで、SOFC/SOECスタック10の温度を安定させることができる。これにより、SOECモードおよびSOFCモードのそれぞれにおいて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることができるため、SOFC/SOECスタック10の温度変化を抑制することができる。
As explained above, in the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment, the
また、本実施形態のSOFC/SOECシステム2では、熱貯蔵部81は、SOFCモードのSOFC/SOECスタック10で発電に用いられる水素が供給されることで、SOFC/SOECスタック10で発生する熱を蓄熱する。また、熱貯蔵部81は、SOECモードのSOFC/SOECスタック10で電気分解に用いられる水が供給されることで、SOFC/SOECスタック10に熱を供給する。このように、熱貯蔵部81は、SOFC/SOECシステム2で扱われる流体を用いて、蓄熱と熱の供給とを切り替えることができる。これにより、システムを大幅に変更することなく熱貯蔵部81を駆動させることができるため、SOFC/SOECスタック10の熱収支を比較的容易に成立させることができる。
Furthermore, in the SOFC/SOEC system 2 of the present embodiment, the
<第3実施形態>
図8は、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3のブロック図である。第3実施形態のSOFC/SOECシステム3では、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2と比較して、空気取り入れ部90を備える点と、酸素貯蔵部30が、圧力計35および排気バルブ36を有する点が異なる。
<Third embodiment>
FIG. 8 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 3 according to the third embodiment. The SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment is different from the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment in that it includes an
本実施形態のSOFC/SOECシステム3は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、空気取り入れ部90と、これらを接続する複数の配管と、制御部100と、を備える。
The SOFC/SOEC system 3 of this embodiment includes a SOFC/
空気取り入れ部90は、酸素タンク32と酸素側熱交換器20とに接続する配管77において、流量制御バルブ34の下流側に接続されている。空気取り入れ部90は、配管91と、流量制御バルブ92とを有する。配管91は、一端に空気取り入れ口を有しており、他端が配管77に接続されている。流量制御バルブ92は、配管91に配置され、制御部100の指令に応じて、配管91を流れる空気の流量を調整する。空気取り入れ部90は、特許請求の範囲の「空気供給部」に相当する。
The
酸素貯蔵部30が備える圧力計35は、酸素タンク32内の酸素の圧力を検出する。検出された酸素の圧力は、制御部100に出力される。排気バルブ36は、酸素側熱交換器20と酸素昇圧器31とに接続する配管78に接続されている排気管37に配置されている。排気バルブ36は、オンオフバルブであって、制御部100の指令に応じて、排気管37を使った酸素オフガス排気のオンオフを行う。圧力計35は、特許請求の範囲の「貯蔵量検出部」に相当する。
A
図9は、SOFC/SOECシステム3の作動を説明するフローチャートである。次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム3の作動について説明する。ここでは、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2の作動とは特に異なる点について説明する。 FIG. 9 is a flowchart illustrating the operation of the SOFC/SOEC system 3. Next, the operation of the SOFC/SOEC system 3 of this embodiment will be explained. Here, particularly different points from the operation of the SOFC/SOEC system 2 of the second embodiment will be explained.
図9に示すフローチャートに沿って作動が行われるとき、SOFC/SOECシステム3は、第2実施形態と同様のSOFCモードで発電が行われている(ステップS10)。このとき、制御部100は、圧力計35が出力する酸素タンク32内の酸素の圧力Pが、酸素下限圧力Plimit以上であるか否かを判定する(ステップS11)。ここで、酸素下限圧力Plimitとは、例えば、酸素タンク32が貯蔵可能な酸素の最大圧力Pmaxの0.01倍とする。なお、酸素下限圧力Plimitは、これに限定されない。制御部100は、酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimit以上であると判定すると、流量制御バルブ92と排気バルブ36とを閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する(ステップS12)。一方、制御部100は、酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimitより小さいと判定すると、後述するステップS15に進む。
When the operation is performed according to the flowchart shown in FIG. 9, the SOFC/SOEC system 3 is generating power in the same SOFC mode as in the second embodiment (step S10). At this time, the
ステップS12の次に、制御部100は、流量制御バルブ34に配管77を流れる酸素の流量を設定する(ステップS13)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12には、設定された流量の酸素が酸素タンク32から供給される。
After step S12, the
次に、制御部100は、酸素タンク32内の酸素の圧力Pが、酸素下限圧力Plimitより小さいか否かを判定する(ステップS14)。制御部100は、酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimitより小さいと判定すると、流量制御バルブ34とオンオフバルブ33とを閉じ、排気バルブ36を開く指令を出力する(ステップS15)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12への酸素タンク32からの酸素の供給が停止する。酸素の圧力Pが酸素下限圧力Plimit以上であると判定すると、ステップS12に戻り、流量制御バルブ92と排気バルブ36とを閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する。
Next, the
ステップS15の次に、制御部100は、配管91を流れる空気の流量を流量制御バルブ92に設定する(ステップS16)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12には、大気中の空気に含まれる酸素が発電用に供給される。このとき、制御部100は、ステップS13で設定した酸素流量と同じ量の酸素が酸素側12に供給されるように、流量制御バルブ92に空気の流量を設定する。
After step S15, the
ステップS16の次に、制御部100は、SOFC/SOECシステム3がSOECモードで運転しているか否かを判定する(ステップS17)。制御部100は、SOFC/SOECシステム3がSOECモードで運転していると判定すると、SOECモードでの運転を続行する指令を出力する(ステップS18)。制御部100は、SOFC/SOECシステム3がSOECモードで運転していないと判定すると、ステップS10に戻り、ステップS10からステップS16を再度実行する。
Next to step S16, the
図10は、本実施形態のSOFC/SOECスタックにおける熱収支を説明する図である。図10(a)には、出力3.8kWeでの酸素を用いたSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示し、図10(b)には、同じ出力3.8kWeでの空気を用いたSOFCモードでのSOFC/SOECスタック10の熱収支を示している。
FIG. 10 is a diagram illustrating the heat balance in the SOFC/SOEC stack of this embodiment. FIG. 10(a) shows the heat balance of the SOFC/
酸素を用いたSOFCモード(図10(a)参照)では、第2実施形態のSOFCモードの場合と同様に、SOFC/SOECスタック10での発熱量は、2.27kWであり、SOFC/SOECスタック10からの放熱量は、0.52kWとなっている。そこで、蓄熱部80への伝熱量(蓄熱材81aの蓄熱量)を1.75kWとすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させている。
In the SOFC mode using oxygen (see FIG. 10(a)), the amount of heat generated in the SOFC/
空気を用いたSOFCモード(図10(b)参照)では、SOFC/SOECスタック10での発熱量は、2.25kWと酸素を用いたSOFCモードとほぼ同等である。しかしながら、SOFC/SOECスタック10からの放熱量は、酸素側12を流れる気体、すなわち、空気の流量が酸素のみを流した場合(図10(a)の場合)に比べ増加するため、「C:酸素側ΔH」が大きくなり、合計が1.55kWとなる。そこで、蓄熱部80への伝熱量(蓄熱材81aの蓄熱量)を0.70kWとすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させている。
In the SOFC mode using air (see FIG. 10(b)), the amount of heat generated in the SOFC/
このように、SOFCモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給する気体を、酸素から空気に切り替えると、酸素側12を流れる気体の流量が増大するため、顕熱による放熱量が変化する。そこで、本実施形態では、制御部100は、蓄熱部80の流量制御バルブ83を制御して、蓄熱材81aの蓄熱速度を調整し、酸素および空気のいずれにもおいて、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。
In this way, in SOFC mode, when the gas supplied to the
以上説明したように、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3では、制御部100は、圧力計35によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、SOFC/SOECスタック10への、酸素貯蔵部30に貯蔵されている酸素の供給と、空気取り入れ部90による空気の供給とを切り替えるように、酸素貯蔵部30と空気取り入れ部90とを制御する。これにより、酸素の貯蔵量が少ないとき、酸素の代わりに空気をSOFC/SOECスタック10に供給することでセルにおける発電を継続することができる。
As described above, in the SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment, the
<第4実施形態>
図11は、第4実施形態のSOFC/SOECスタック10と熱貯蔵部81の模式図である。図12は、本実施形態のSOFC/SOECシステムにおけるスタック熱収支モデルの説明図である。第4実施形態のSOFC/SOECシステムでは、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2と比較して、SOFC/SOECスタック10の温度予測を行う点が異なる。
<Fourth embodiment>
FIG. 11 is a schematic diagram of the SOFC/
本実施形態のSOFC/SOECシステムは、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、これらを接続する複数の配管と、制御部200と、を備える。
The SOFC/SOEC system of this embodiment includes a SOFC/
蓄熱部80の熱輸送部82には、2つの熱電対TC1、Tc2が配置されている。熱電対TC1と熱電対TC2とは、図11(a)に示すように、間隔δ[m]となるように配置されている。熱電対TC1、Tc2のそれぞれが検出する温度T1、T2は、制御部200に出力される。2個の熱電対TC1、TC2は、特許請求の範囲の「熱流束計測部」に相当する。
Two thermocouples TC1 and Tc2 are arranged in the
SOFC/SOECスタック10には、燃料側インターコネクト流路11aと酸素側インターコネクト流路12aとの断面図である図11(b)に示すように、それぞれの流路における入口と出口とのそれぞれの気体の温度を計測する熱電対Tf1、Tf2、To1、Tf2が配置されている。熱電対Tf1、Tf2、To1、Tf2のそれぞれが検出する温度Tf_in、Tf2_out、To_in、To_outは、制御部200に出力される。
In the SOFC/
第4実施形態のSOFC/SOECシステムの制御部200は、SOFC/SOECスタック10と熱貯蔵部81との間の熱収支を演算するスタック熱収支モデルを実装している。第4実施形態のSOFC/SOECシステムでは、制御部200は、このスタック熱収支モデルを用いて、SOFC/SOECスタック10と熱貯蔵部81との間の熱収支の事前予測に基づいてSOFC/SOECスタック10の温度予測を行い、その温度予測を用いて、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。以下に、その方法について説明する。
The
制御部200には、以下のパラメータが検出値として入力される。
・熱電対Tf1、Tf2、To1、Tf2のそれぞれが検出する温度Tf_in[K]、Tf2_out[K]、To_in[K]、To_out[K]
・熱電対TC1、Tc2のそれぞれが検出する温度T1、T2の温度差ΔT(=T1-T2)[K]
なお、SOFCモードでは、SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81に向かう熱流束が発生するため、温度差ΔTは負となり、SOECモードでは、熱貯蔵部81からSOFC/SOECスタック10に向かう熱流束が発生するため、温度差ΔTは正となる。
The following parameters are input to the
・Temperatures Tf_in[K], Tf2_out[K], To_in[K], To_out[K] detected by thermocouples Tf1, Tf2, To1, and Tf2, respectively
・Temperature difference ΔT (=T1-T2) [K] between temperatures T1 and T2 detected by thermocouples TC1 and Tc2, respectively
Note that in the SOFC mode, a heat flux from the SOFC/
また、制御部200には、以下のパラメータが設定値として入力されている。
・SOFC/SOECスタック10を構成する1つのSOFC/SOECセルに印加される単セル電圧V[V]
・SOFC/SOECセルの温度T[K]
・燃料側インターコネクト流路11aおよび酸素側インターコネクト流路12aに流入する入口側ガス量miH2[mol/s]、miH2O[mol/s]、miO2[mol/s]
・熱輸送部82の熱伝導方向に垂直な方向の熱伝導部断面積Ac[m2]
熱伝導部断面積Acは、以下の式(3)で示される。
Ac=Wc×tc ・・・(3)
ここで、Wc[m]は、熱輸送部82の幅であり、tc[m]は、熱輸送部82の厚みである(図11(a)参照)。
Further, the following parameters are input to the
・Single cell voltage V [V] applied to one SOFC/SOEC cell configuring the SOFC/
・Temperature T [K] of SOFC/SOEC cell
・Inlet side gas amount mi H2 [mol/s], mi H2O [mol/s], mi O2 [mol/s] flowing into the fuel side
・Heat conduction section cross-sectional area Ac [m 2 ] in the direction perpendicular to the heat conduction direction of the
The heat conduction section cross-sectional area Ac is expressed by the following equation (3).
Ac=Wc×tc...(3)
Here, Wc [m] is the width of the
さらに、制御部200には、以下の定数が入力されている。
SOFC/SOECセルの発電/電解有効面積 Ae[cm2]
ファラデー定数 F[C/mol]
標準温度 Tc[K]
スタックモデル熱容量Ks[J/K]
Furthermore, the following constants are input to the
Power generation/electrolysis effective area of SOFC/SOEC cell Ae [cm 2 ]
Faraday constant F [C/mol]
Standard temperature Tc [K]
Stack model heat capacity Ks [J/K]
制御部200は、これらの検出値と、設定値と、定数とを用いて、(I)熱流束qc[W/m2]と、(II)熱量残差Qres[W]と、(III)スタック温度変化速度dT_dt[K/s]と、を算出する。以下、これらの算出方法の詳細を説明する。
The
(I)熱流束qc[W/m2]
SOFC/SOECスタック10から熱貯蔵部81への熱移動について、上述したように、温度差ΔTは、SOFCモードでは負となり、SOECモードでは正となることから、熱輸送部82の熱伝導率λc[W/(m・K)]を用いた式(4)によって算出される。
qc=λc×ΔT/δ ・・・(4)
(I) Heat flux qc [W/m 2 ]
Regarding heat transfer from the SOFC/
qc=λc×ΔT/δ...(4)
(II)熱量残差Qres[W]
熱量残差Qresは、次の式(5)によって算出される。
Qres=QASR+QIRV+ΔHf+ΔHo+Ac×qc+Qloss(T)・・・(5)
式(5)の右辺の構成要素であるQASRは、内部発熱量であり、以下の式(6)によって算出される。
QASR[W]=i2×ASR(T) ・・・(6)
式(6)におけるiは、電流密度[A/cm2]であり、以下の式(7)で表される。
i=(V-Voc(T))/ASR(T) ・・・(7)
ここで、Voc(T)は、温度Tにおける閉回路電圧[V]を表す関数であり、ASR(T)は、温度Tにおけるスタック総括抵抗[Ω・cm2]を表す関数である。
(II) Calorific value residual Q res [W]
The calorific value residual Q res is calculated by the following equation (5).
Q res =Q ASR +Q IRV +ΔHf+ΔHo+Ac×qc+Q loss (T)...(5)
Q ASR , which is a component on the right side of equation (5), is the internal heat generation amount and is calculated by the following equation (6).
Q ASR [W] = i 2 × ASR (T) ... (6)
i in equation (6) is current density [A/cm 2 ], and is expressed by equation (7) below.
i=(V-Voc(T))/ASR(T)...(7)
Here, Voc(T) is a function representing the closed circuit voltage [V] at temperature T, and ASR(T) is a function representing the stack overall resistance [Ω·cm 2 ] at temperature T.
式(5)の右辺の構成要素であるQIRVは、以下の式(8)によって算出される。
QIRV=T×ΔS(T) ・・・(8)
式(8)におけるΔS(T)は、温度Tにおけるエントロピーの変化量である。
Q IRV , which is a component on the right side of equation (5), is calculated by equation (8) below.
Q IRV = T x ΔS (T) ... (8)
ΔS(T) in equation (8) is the amount of change in entropy at temperature T.
式(5)の右辺の構成要素であるΔHfとΔHoは、燃料側インターコネクト流路11aおよび酸素側インターコネクト流路12aから流出する出口側ガス量を用いて求められる。具体的には、水素の出口側ガス量moH2[mol/s]と、水の出口側ガス量moH2O[mol/s]と、酸素の出口側ガス量moO2[mol/s]は、燃料側インターコネクト流路11aおよび酸素側インターコネクト流路12aに流入する水素、水、酸素のそれぞれの入口側ガス量miH2[mol/s]、miH2O[mol/s]、miO2[mol/s]と流量変化分との加減によって求められる。このとき、流量変化分は、水素の反応量(i×Ae/F/2[mol/s])と、酸素の反応量(i×Ae/F/4[mol/s])から算出される。以下の式(9)、(10)、(11)のそれぞれに、水素の出口側ガス量moH2[mol/s]と、水の出口側ガス量moH2O[mol/s]と、酸素の出口側ガス量moO2[mol/s]と、を示す。
moH2=miH2±i×Ae/F/2 ・・・(9)
moH2O=miH2O+i×Ae/F/2 ・・・(10)
moO2=miO2±i×Ae/F/4 ・・・(11)
なお、式(9)および式(11)に示されている「±」は、SOECモードでは、出口側ガス量は入口側ガス量から増加することから「+」となり、SOFCモードでは、出口側ガス量は入口側ガス量より減少することから「-」となる。
ΔHf and ΔHo, which are the components on the right side of equation (5), are determined using the amount of outlet side gas flowing out from the fuel side
mo H2 =mi H2 ±i×Ae/F/2 (9)
mo H2O =mi H2O +i×Ae/F/2...(10)
mo O2 =mi O2 ±i×Ae/F/4 (11)
Note that "±" shown in equations (9) and (11) becomes "+" because in SOEC mode, the amount of gas on the outlet side increases from the amount of gas on the inlet side, and in SOFC mode, the amount of gas on the outlet side increases. The gas amount is "-" because it is smaller than the gas amount on the inlet side.
したがって、ΔHfとΔHoは、出口エンタルピー量と入口エンタルピー量の差(標準温度T0[K]、ガスの種類iの低圧比熱Cpi(T)で算出することができることから、以下の式(12)、(13)で算出することができる。
ΔHf=(Tf_out-T0)
×{(miH2±i×Ae/F/2)×CpH2(Tf_out)
+(miH2O+i×Ae/F/2)×CpH2O(Tf_out)}
-(Tf_in-T0)
×{miH2×CpH2(Tf_in)+miH2O×CpH2O(Tf_in)}
・・・(12)
ΔHo=(To_out-T0)
×(miO2±i×Ae/F/4)×CpO2(To_out)
-(To_in-T0)×miO2×CpO2(To_in)・・・(13)
ここで、Cpは、それぞれの対象分子および温度での比熱[J/mol/K]である。また、式(5)の右辺の構成要素であるQlossは、外周放熱[W]を表す関数である。
Therefore, ΔHf and ΔHo can be calculated using the difference between the outlet enthalpy amount and the inlet enthalpy amount (standard temperature T 0 [K], low pressure specific heat Cpi (T) of gas type i), and the following formula (12) is used. , (13).
ΔHf=(Tf_out−T 0 )
× {(mi H2 ±i×Ae/F/2)×Cp H2 (Tf_out)
+(mi H2O +i×Ae/F/2)×Cp H2O (Tf_out)}
-(Tf_in-T 0 )
×{mi H2 ×Cp H2 (Tf_in)+mi H2O ×Cp H2O (Tf_in)}
...(12)
ΔHo=(To_out−T 0 )
×(mi O2 ±i×Ae/F/4)×Cp O2 (To_out)
-(To_in-T 0 )×mi O2 ×Cp O2 (To_in)...(13)
Here, Cp is the specific heat [J/mol/K] for each target molecule and temperature. Furthermore, Q loss , which is a component on the right side of equation (5), is a function representing outer heat radiation [W].
(III)スタック温度変化速度dT_dt[K/s]
スタック温度変化速度dT_dtは、上述した方法によって算出された熱流束qcと熱量残差Qresを用いて、以下の式(14)で表される。
dT_dt=Qres/Ks ・・・(14)
(III) Stack temperature change rate dT_dt [K/s]
The stack temperature change rate dT_dt is expressed by the following equation (14) using the heat flux qc and the heat amount residual Q res calculated by the method described above.
dT_dt=Q res /Ks...(14)
本実施形態のSOFC/SOECシステムでは、制御部200は、上述した方法によって、スタック温度変化速度dT_dtを算出する。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtを用いて、SOFC/SOECスタック10の熱収支が成立するように、酸素貯蔵部30がSOFC/SOECスタック10に供給する酸素の量や、変圧器14によるSOFC/SOECスタック10に印加される電圧の値の調整を行う。
In the SOFC/SOEC system of this embodiment, the
SOFC/SOECスタックにおける熱収支は、SOFC/SOECスタックの内部抵抗、不可逆熱、燃料側/空気側の顕熱変化量、スタック表面からの放熱の熱収支、熱貯蔵部からの熱流などによって決まる。特に、SOFC/SOECスタックの温度が変化する場合、例えば、熱貯蔵部から供給される熱量の変化や、燃料側/空気側の流入ガス温度の変化などが発生すると、SOFC/SOECスタックにおける熱収支は、安定した状態から、正(温度上昇)または負(温度低下)へと変化する。そのため、SOFCモードまたはSOECモードでの運転における、SOFC/SOECスタックの温度変化速度を予測することは重要となる。 The heat balance in the SOFC/SOEC stack is determined by the internal resistance of the SOFC/SOEC stack, irreversible heat, the amount of sensible heat change on the fuel side/air side, the heat balance of heat radiation from the stack surface, the heat flow from the heat storage part, etc. In particular, when the temperature of the SOFC/SOEC stack changes, such as a change in the amount of heat supplied from the heat storage section or a change in the inflow gas temperature on the fuel side/air side, the heat balance in the SOFC/SOEC stack changes. changes from a steady state to either positive (increase in temperature) or negative (increase in temperature). Therefore, it is important to predict the rate of temperature change in the SOFC/SOEC stack when operating in SOFC mode or SOEC mode.
以上説明したように、第4実施形態のSOFC/SOECシステム4では、制御部200は、熱輸送部82に配置された2つの熱電対TC1、TC2によって計測される2か所の温度から算出される熱貯蔵部81とSOFC/SOECスタック10との間の熱流束を用いて、SOFC/SOECスタック10の温度変化速度dT_dtを算出する。これにより、算出されたSOFC/SOECスタック10の温度変化速度dT_dtを用いて、SOFC/SOECスタック10の温度を予測することができるため、この予測結果に基づいて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることができる。したがって、SOFC/SOECスタック10の温度変化を抑制することができる。
As explained above, in the SOFC/SOEC system 4 of the fourth embodiment, the
また、SOFC/SOECスタックの熱容量が大きく、対流熱伝達を介した熱移動を伴う場合、熱電対などの温度検出手段による検出値では、熱収支ゼロからのずれを即時に検出することができない。これは、SOFC/SOECスタックの熱容量による温度応答遅れに起因しているためであり、SOFC/SOECスタックの温度変化として現れるには時間を要するおそれがある。第4実施形態のSOFC/SOECシステムでは、熱電対TC1,TC2などで検出される温度などを用いてSOFC/SOECスタック10の温度変化速度dT_dtを算出するため、SOFC/SOECスタック10の温度変化を予測することができる。これにより、SOFC/SOECスタック10の内部温度が変化する場合や、外乱が発生する場合などでも、SOFC/SOECスタック10の内部の熱収支を速やかに予測し、SOFC/SOECスタック10の内部温度を測定するよりも早く検出することができる。
Further, when the heat capacity of the SOFC/SOEC stack is large and heat transfer occurs through convective heat transfer, a deviation from the zero heat balance cannot be immediately detected using a value detected by a temperature detection means such as a thermocouple. This is due to a delay in temperature response due to the heat capacity of the SOFC/SOEC stack, and there is a possibility that it will take time for the temperature change to appear in the SOFC/SOEC stack. In the SOFC/SOEC system of the fourth embodiment, the temperature change rate dT_dt of the SOFC/
<第5実施形態>
図13は、第5実施形態のSOFC/SOECシステム5のブロック図である。第5実施形態のSOFC/SOECシステム5では、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3と比較して、バイパス管93を備える点、および、制御部100の代わりに制御部200を備える点が異なる。
<Fifth embodiment>
FIG. 13 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 5 of the fifth embodiment. The SOFC/SOEC system 5 of the fifth embodiment differs from the SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment in that it includes a
本実施形態のSOFC/SOECシステム5は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、空気取り入れ部90と、バイパス管93を含む、これらを接続する複数の配管と、制御部200と、を備える。
The SOFC/SOEC system 5 of this embodiment includes a SOFC/
バイパス管93は、一端が、SOFC/SOECスタック10の酸素側12の出口と、酸素側熱交換器20の排気流路21と、に接続する配管79に接続されている。バイパス管93の他端は、排気管37が接続されている配管78に接続されている。バイパス管93には、制御部200の指令に応じて、バイパス管93を流れる気体の流量を調整する流量制御バルブ94が配置されている。
One end of the
図14は、SOFC/SOECシステム5の作動を説明するフローチャートである。次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム5の作動について説明する。ここでは、第3実施形態のSOFC/SOECシステム3の作動とは特に異なる点について説明する。図14に示すフローチャートは、SOFCモードのときに常時行われる。 FIG. 14 is a flowchart illustrating the operation of the SOFC/SOEC system 5. Next, the operation of the SOFC/SOEC system 5 of this embodiment will be explained. Here, particularly different points from the operation of the SOFC/SOEC system 3 of the third embodiment will be described. The flowchart shown in FIG. 14 is always performed in the SOFC mode.
最初に、SOFCモードにおけるスタック温度変化速度dT_dtを算出する(ステップS20)。制御部200は、実装されているスタック熱収支モデル(第4実施形態参照)を用いて、SOFCモードにおけるスタック温度変化速度dT_dtを算出する。
First, the stack temperature change rate dT_dt in SOFC mode is calculated (step S20). The
次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitより小さいか否かを判定する(ステップS21)。ここで、スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitとは、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合から設定される値である。スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitは、例えば、SOFC/SOECスタック10の放熱量が50kWの場合であり、SOFC/SOECスタック10の熱容量が1×104[J/K]の場合、dT_dtlimitは、5×10-3とするように、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合などで設定することができる。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、流量制御バルブ94を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する(ステップS22)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、後述するステップS25に進む。
Next, the
ステップS22の次に、制御部200は、流量制御バルブ34に配管77を流れる酸素の流量を設定し、流量制御バルブ83に接続配管85を流れる水素ガスの流量を設定する(ステップS23)。これにより、SOFC/SOECスタック10の酸素側12には、発電に必要な量の酸素が酸素タンク32から供給されるとともに、SOFC/SOECスタック10で発生した熱が蓄熱部80の蓄熱材81aによって蓄熱されるように、熱貯蔵部81に水素ガスが供給される。
Next to step S22, the
次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimit以上であるか否かを判定する(ステップS24)。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、排気バルブ36と流量制御バルブ83とオンオフバルブ84を閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する(ステップS25)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、ステップS22に戻り、流量制御バルブ94を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する。
Next, the
ステップS25の次に、制御部200は、流量制御バルブ34に、配管77を流れる酸素の流量を変更するように指令を出力するとともに、流量制御バルブ94に、バイパス管93を流れる気体の流量を設定する(ステップS26)。ここで、流量制御バルブ34による酸素の流量を変更について説明する。ステップS24において、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定される場合、熱貯蔵部81においてSOFC/SOECスタック10の熱を蓄熱できないため、SOFC/SOECスタック10の温度が上昇する。そこで、ステップS26では、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給する酸素の流量を増加させることによって、SOFC/SOECスタック10の熱を酸素の顕熱によって放出させることで、SOFC/SOECスタック10の温度上昇を抑制する。このとき、制御部200は、酸素の流量を、もともと流れていた流量に補正酸素流量ΔmO2を加えた流量とすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。補正酸素流量ΔmO2[mol/s]は、第4実施形態で説明したスタック熱収支モデルを用いて、以下の式(15)で算出することができる。
ΔmO2
={Qres+i×Ae/F/4×Cp(To_out)×(To_out-T0)}
/{(To_out-T0)-(To_in-T0)×Cp(To_in)}
・・・(15)
ここで、Cp(To_in)は、酸素側インターコネクト流路12aの入口ガスの低圧比熱であり、Cp(To_out)は、酸素側インターコネクト流路12aの出口ガスの低圧比熱である。上限値dT_dtlimitは、特許請求の範囲の「所定値」に相当する。
Next to step S25, the
Δm O2
= {Q res +i×Ae/F/4×Cp(To_out)×(To_out−T 0 )}
/{(To_out-T 0 )-(To_in-T 0 )×Cp(To_in)}
...(15)
Here, Cp(To_in) is the low-pressure specific heat of the gas at the inlet of the oxygen-side
ステップS26の次に、制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOECモードで運転しているか否かを判定する(ステップS27)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOECモードで運転していると判定すると、SOECモードでの運転を続行する指令を出力する(ステップS28)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOECモードで運転していないと判定すると、ステップS20に戻り、ステップS20からステップS26を再度実行する。
Next to step S26, the
SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転されているとき、SOFC/SOECスタック10で発生する熱は、熱貯蔵部81に放熱されることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は成立する。しかしながら、熱貯蔵部81が蓄熱できる熱量には限りがあるため、例えば、SOFCモードで長時間運転した場合など、熱貯蔵部81が蓄熱できなくなった場合、SOFC/SOECスタック10は放熱することができなくなり、SOFC/SOECスタック10の温度が上昇するおそれがある。
When the SOFC/SOEC system 5 is operated in the SOFC mode, the heat generated in the SOFC/
以上、第5実施形態のSOFC/SOECシステム5では、制御部200は、SOFCモードにおいて、算出されたSOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上のとき、SOFC/SOECスタック10に供給される酸素の流量を増大させて、酸素の顕熱量を大きくする。SOFCモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上であることは、SOFC/SOECスタック10における発熱量が比較的多いために温度上昇が比較的速いことを示していることから、酸素の供給量を増大させて、SOFC/SOECスタック10から排出される酸素の顕熱を利用してSOFC/SOECスタック10を冷却する。これにより、SOFC/SOECスタック10の急激な温度変化を抑制することができる。したがって、熱貯蔵部81の蓄熱が完了しても、スタック熱収支モデルにより放熱状態を予測し、補正酸素流量ΔmO2によりSOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させることで温度変化を抑制することができる。
As described above, in the SOFC/SOEC system 5 of the fifth embodiment, when the absolute value of the calculated temperature change rate of the SOFC/
<第6実施形態>
図15は、第6実施形態のSOFC/SOECシステム6のブロック図である。第6実施形態のSOFC/SOECシステム6では、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1と比較して、制御部100の代わりに制御部200を備える点が異なる。
<Sixth embodiment>
FIG. 15 is a block diagram of the SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment. The SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment differs from the SOFC/
本実施形態のSOFC/SOECシステム6は、SOFC/SOECスタック10と、酸素側熱交換器20と、酸素貯蔵部30と、燃料側熱交換器40と、水蒸気生成部50と、水素貯蔵部60と、蓄熱部80と、これらを接続する複数の配管と、制御部200と、を備える。すなわち、第6実施形態のSOFC/SOECシステム6は、第2実施形態のSOFC/SOECシステム2において、制御部100の代わりに、スタック熱収支モデルを用いた演算を行う制御部200を備えている。
The SOFC/SOEC system 6 of this embodiment includes a SOFC/
図16は、SOFC/SOECシステム6の作動を説明するフローチャートである。次に、本実施形態のSOFC/SOECシステム6の作動について説明する。ここでは、第1実施形態のSOFC/SOECシステム1の作動とは特に異なる点について説明する。図16に示すフローチャートは、SOECモードのときに常時行われる。
FIG. 16 is a flowchart illustrating the operation of the SOFC/SOEC system 6. Next, the operation of the SOFC/SOEC system 6 of this embodiment will be explained. Here, points that are particularly different from the operation of the SOFC/
最初に、SOECモードにおけるスタック温度変化速度を算出する(ステップS30)制御部200は、実装されているスタック熱収支モデル(第4実施形態参照)を用いて、SOECモードにおけるスタック温度変化速度dT_dtを算出する。
First, the
次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitより小さいか否かを判定する(ステップS31)。ここで、スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitとは、第5実施形態と同様に、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合から設定される値である。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、流量制御バルブ34を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する(ステップS32)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、後述するステップS35に進む。上限値dT_dtlimitは、特許請求の範囲の「所定値」に相当する。
Next, the
ステップS32の次に、制御部200は、流量制御バルブ74に流量分配器73から酸素側熱交換器20に送られる燃料ガスの流量を設定し、流量制御バルブ83に接続配管85を流れる燃料ガスの流量を設定する(ステップS33)。これにより、SOFC/SOECスタック10の燃料側11には、水蒸気電解される水蒸気が供給されるとともに、SOFC/SOECスタック10での水蒸気電解による吸熱を補完する熱が、蓄熱部80の蓄熱材81aにおいて発生するように、熱貯蔵部81に水が供給される。
Next to step S32, the
次に、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値がスタック温度変化速度の上限値dT_dtlimit以上であるか否かを判定する(ステップS34)。制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定すると、流量制御バルブ34、83とオンオフバルブ84を閉じ、オンオフバルブ33を開く指令を出力する(ステップS35)。一方、制御部200は、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimitより小さいと判定すると、ステップS32に戻り、流量制御バルブ34を閉じ、オンオフバルブ33、84を開く指令を出力する。
Next, the
ステップS35の次に、制御部200は、SOFC/SOECスタック10に印加される電圧を上昇させる設定を変圧器14に出力する(ステップS36)。ここで、変圧器14によるSOFC/SOECスタック10への供給電圧の変更について説明する。ステップS34において、算出したスタック温度変化速度dT_dtの絶対値が上限値dT_dtlimit以上であると判定される場合、熱貯蔵部81においてSOFC/SOECスタック10に供給できる熱が生成できないため、SOFC/SOECスタック10の温度が低下する。そこで、ステップS36では、SOFC/SOECスタック10への供給電圧を上昇させることによって、SOFC/SOECスタック10での抵抗発熱量を増加させ、SOFC/SOECスタック10の温度上昇を抑制する。このとき、制御部200は、SOFC/SOECスタック10への供給電圧を、サーモニュートラル電圧に、補正電圧ΔVを加えた電圧とすることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支を成立させる。補正電圧ΔV[V]は、第4実施形態で説明したスタック熱収支モデルを用いて、以下の式(16)で算出することができる。
ΔV=-(ASR/Qres)0.5 ・・・(16)
Next to step S35, the
ΔV=-(ASR/Qres) 0.5 ...(16)
ステップS36の次に、制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転しているか否かを判定する(ステップS37)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転していると判定すると、SOFCモードでの運転を続行する指令を出力する(ステップS38)。制御部200は、SOFC/SOECシステム5がSOFCモードで運転していないと判定すると、ステップS30に戻ってスタック温度変化速度を算出する。
Next to step S36, the
SOFC/SOECシステム6がSOECモードで運転されているとき、SOFC/SOECスタック10には、熱貯蔵部81において生成される熱が輸送されることで、SOFC/SOECスタック10全体での熱収支は成立する。しかしながら、熱貯蔵部81が生成できる熱量には限りがあるため、例えば、SOECモードの運転時間が長くなった場合など、熱貯蔵部81が熱を供給できなくなった場合、SOFC/SOECスタック10の温度が低下するおそれがある。
When the SOFC/SOEC system 6 is operated in the SOEC mode, the heat generated in the
以上、第6実施形態のSOFC/SOECシステム6では、制御部200は、SOECモードにおいて、算出されたSOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上であるとき、SOFC/SOECスタック10に印加される電圧を上昇させて、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱の量を大きくする。SOECモードにおいて、SOFC/SOECスタック10の温度の変化速度の絶対値が上限値dT_dtlimit以上であることは、SOFC/SOECスタック10の温度低下が比較的速いことを示していることから、SOFC/SOECスタック10に印加される電圧を上昇させて、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱を利用してSOFC/SOECスタック10を加熱する。これにより、SOFC/SOECスタック10の急激な温度変化を抑制することができる。したがって、熱貯蔵部81の放熱が完了しても、スタック熱収支モデルにより放熱状態を予測し、単セル電圧を補正することにより発熱成分を補うことができる。したがって、スタック熱収支を成立させることで温度変化を抑制することができる。
As described above, in the SOFC/SOEC system 6 of the sixth embodiment, when the absolute value of the calculated temperature change rate of the SOFC/
<本実施形態の変形例>
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
<Modification of this embodiment>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the spirit thereof. For example, the following modifications are also possible.
[変形例1]
上述の実施形態では、SOFCモードでの運転において、SOFC/SOECスタック10には、酸素タンク32に貯蔵されている酸素、すなわち、純酸素がSOFC/SOECスタック10の酸素側12に供給されるとした。しかしながら、SOFCモードでの運転において、SOFC/SOECスタック10の酸素側12に純酸素が供給されなくてもよい。空気を供給する場合に比べ、酸素濃度が高ければよい。これにより、SOFC/SOECスタック10における濃度抵抗の影響が小さくなるため、発電効率を向上することができる。
[Modification 1]
In the embodiment described above, when operating in the SOFC mode, the SOFC/
[変形例2]
第1実施形態では、SOECモードでの追加電圧やSOFCモードでの酸素の流量は、制御部100に事前に入力されているマップから決定されるとした。しかしながら、追加電圧や酸素の流量を決定する方法はこれに限定されない。例えば、SOECモードでの追加電圧の場合、燃料側11に供給される水の量からマップを用いて決定してもよい。また、SOFCモードでの酸素の流量は、SOFC/SOECスタック10が出力する電圧の大きさからマップを用いて決定してもよい。第2実施形態における制御部100による、流量制御バルブ83を用いた熱貯蔵部81への水または水素の供給量の制御も同様である。
[Modification 2]
In the first embodiment, the additional voltage in the SOEC mode and the oxygen flow rate in the SOFC mode are determined from a map input to the
[変形例3]
第2実施形態では、熱貯蔵部81は、燃料ガスに含まれる水によってFeが酸化されることで発熱し、水素によってFe3O4が還元されることで吸熱する蓄熱材81aを有するとした。しかしながら、蓄熱材81aにおいて発熱反応と吸熱反応とを行う材料の組合せはこれに限定されない。
[Modification 3]
In the second embodiment, the
[変形例4]
第3実施形態では、圧力計35によって、酸素タンク32内の酸素の圧力を検出し、酸素タンク32内に貯蔵されている酸素の量を検出するとした。しかしながら、「貯蔵量検出部」はこれに限定されない。酸素タンク32内に貯蔵されている酸素の量を検出できる手段であればよい。
[Modification 4]
In the third embodiment, the pressure of oxygen in the
[変形例5]
第4実施形態では、熱輸送部82における熱流束を用いたスタック温度変化速度dT_dtを算出するスタック熱収支モデルの一例を示したが、スタック熱収支モデルはこれに限定されない。
[Modification 5]
In the fourth embodiment, an example of the stack heat balance model that calculates the stack temperature change rate dT_dt using the heat flux in the
[変形例6]
第5実施形態および第6実施形態では、スタック温度変化速度の上限値dT_dtlimitを、SOFC/SOECスタック10の熱容量に対する放熱量の割合から設定される値であるとした。しかしながら、「所定値」はこれに限定されない。
[Modification 6]
In the fifth embodiment and the sixth embodiment, the upper limit value dT_dt limit of the stack temperature change rate is a value set from the ratio of the heat radiation amount to the heat capacity of the SOFC/
[変形例7]
第5実施形態では、スタック熱収支モデルによって算出されるスタック温度変化速度dT_dtlimitを用いる制御を、空気取り入れ部90を備えるSOFC/SOECシステム3に適用するとした。蓄熱部80を備えていないSOFC/SOECシステム1や、空気取り入れ部90を備えていないSOFC/SOECシステム2に適用してもよい。
[Modification 7]
In the fifth embodiment, control using the stack temperature change rate dT_dt limit calculated by the stack heat balance model is applied to the SOFC/SOEC system 3 including the
[変形例8]
第6実施形態では、スタック熱収支モデルによって算出されるスタック温度変化速度dT_dtlimitを用いる制御を、SOFC/SOECシステム1に適用するとした。蓄熱部80を備えるSOFC/SOECシステム2や、空気取り入れ部90を備えるSOFC/SOECシステム3に適用してもよい。
[Modification 8]
In the sixth embodiment, control using the stack temperature change rate dT_dt limit calculated by the stack heat balance model is applied to the SOFC/
[変形例9]
上述した実施形態において、SOFC/SOECスタック10の内部抵抗による発熱と、酸素の流量の増大とによってSOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させる第1実施形態と、蓄熱部80を用いて、SOFC/SOECスタック10での吸熱と発熱とに対応して熱の供給と蓄熱とを行うことでSOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させる第2~6実施形態とを組み合わせて、SOFC/SOECスタック10の熱収支を成立させてもよい。
[Modification 9]
In the embodiments described above, the first embodiment establishes the heat balance of the SOFC/
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。 Although the present aspect has been described above based on the embodiments and modified examples, the embodiments of the above-described aspect are for facilitating understanding of the present aspect, and do not limit the present aspect. This aspect may be modified and improved without departing from the spirit and scope of the claims, and this aspect includes equivalents thereof. Furthermore, if the technical feature is not described as essential in this specification, it can be deleted as appropriate.
1,2,3,5,6…SOFC/SOECシステム
10…SOFC/SOECスタック
14…変圧器
20…酸素側熱交換器
30…酸素貯蔵部
35…圧力計
40…燃料側熱交換器
50…水蒸気生成部
60…水素貯蔵部
71…放熱器
72…気液分離器
73…流量分配器
80…蓄熱部
82…熱輸送部
90…空気取り入れ部
100,200…制御部
dT_dt…スタック温度変化速度
1, 2, 3, 5, 6...SOFC/
Claims (7)
水の電気分解によって水素と酸素を生成するSOECモードと、水素を酸化して発電するSOFCモードと、の2つの運転モードを有するセルと、
前記セルに印加される電圧を調整する電圧調整部と、
SOECモードの前記セルにおいて生成される酸素が貯蔵される酸素貯蔵部と、
前記セルの運転モードを切り替える制御部と、を備え、
前記制御部は、
SOECモードの前記セルに、サーモニュートラル状態となる値として予め設定されている電圧値より高い値の電圧を印加させるように、前記電圧調整部を制御し、
SOFCモードの前記セルに、前記セルに供給される水素を全て酸化させる量として予め設定されている量よりも多い量の酸素を供給させるように、前記酸素貯蔵部を制御する、
SOFC/SOECシステム。 SOFC/SOEC system,
A cell having two operating modes: a SOEC mode in which hydrogen and oxygen are generated by electrolysis of water, and an SOFC mode in which hydrogen is oxidized to generate electricity;
a voltage adjustment unit that adjusts the voltage applied to the cell;
an oxygen storage unit in which oxygen generated in the cell in SOEC mode is stored;
A control unit that switches the operation mode of the cell,
The control unit includes:
Controlling the voltage regulator so as to apply a voltage higher than a voltage value preset as a value for thermoneutral state to the cell in SOEC mode;
controlling the oxygen storage unit to supply the cell in SOFC mode with an amount of oxygen greater than a preset amount to oxidize all the hydrogen supplied to the cell;
SOFC/SOEC system.
前記酸素貯蔵部が貯蔵する酸素の貯蔵量を検出する貯蔵量検出部と、
前記セルに空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記制御部は、前記貯蔵量検出部によって検出された酸素の貯蔵量を用いて、前記酸素貯蔵部に貯蔵されている酸素の前記セルへの供給と、前記空気供給部による空気の前記セルへの供給と、を切り替える、
SOFC/SOECシステム。 The SOFC/SOEC system according to claim 1 further comprises:
a storage amount detection unit that detects the storage amount of oxygen stored in the oxygen storage unit;
an air supply unit that supplies air to the cell,
The control unit controls the supply of oxygen stored in the oxygen storage unit to the cell and the air supply unit to supply air to the cell using the storage amount of oxygen detected by the storage amount detection unit. supply and switch between,
SOFC/SOEC system.
前記セルに接続されており、SOFCモードの前記セルで発生する熱を蓄熱し、SOECモードの前記セルに熱を供給する熱貯蔵部を備え、
前記制御部は、前記熱貯蔵部による、前記セルで発生する熱の蓄熱と前記セルへの熱の供給と、を切り替える、
SOFC/SOECシステム。 The SOFC/SOEC system according to claim 1 or 2 further comprises:
A heat storage unit connected to the cell, storing heat generated in the cell in SOFC mode, and supplying heat to the cell in SOEC mode,
The control unit switches between storage of heat generated in the cell and supply of heat to the cell by the heat storage unit.
SOFC/SOEC system.
前記熱貯蔵部は、前記セルに供給される水素または水が供給されることで、前記セルで発生する熱の蓄熱、または、前記セルへの熱の供給、を切り替える、
SOFC/SOECシステム。 The SOFC/SOEC system according to claim 3,
The heat storage unit switches storage of heat generated in the cell or supply of heat to the cell when hydrogen or water is supplied to the cell.
SOFC/SOEC system.
前記熱貯蔵部は、前記セルとの間の熱流束を計測する熱流束計測部を有し、
前記制御部は、
前記熱流束計測部によって計測された熱流束を用いて、前記セルの温度の変化速度を算出し、
算出した前記セル温度の変化速度を用いて、前記酸素貯蔵部による前記セルへの酸素の供給量、および、電圧調整部による前記セルに印加される電圧値の少なくとも一方を調整する、
SOFC/SOECシステム。 The SOFC/SOEC system according to claim 3 or 4,
The heat storage unit includes a heat flux measurement unit that measures heat flux with the cell,
The control unit includes:
Calculating the rate of change in temperature of the cell using the heat flux measured by the heat flux measurement unit,
adjusting at least one of the amount of oxygen supplied to the cell by the oxygen storage unit and the voltage value applied to the cell by a voltage adjustment unit using the calculated rate of change in the cell temperature;
SOFC/SOEC system.
前記制御部は、SOFCモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに供給される酸素の流量を増大させる、
SOFC/SOECシステム。 The SOFC/SOEC system according to claim 5,
The control unit increases the flow rate of oxygen supplied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOFC mode is equal to or higher than a predetermined value.
SOFC/SOEC system.
前記制御部は、SOECモードにおいて算出された前記セル温度の変化速度の絶対値が所定値以上であるとき、前記セルに印加される電圧を上昇させる、
SOFC/SOECシステム。 The SOFC/SOEC system according to claim 5 or 6,
The control unit increases the voltage applied to the cell when the absolute value of the rate of change of the cell temperature calculated in the SOEC mode is equal to or higher than a predetermined value.
SOFC/SOEC system.
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