(57)【要約】【課題】固態酸化物燃料電池の代わりに、必要とする素子の初期システム統合テストを行い、テストコストを低下する燃料電池熱シミュレータを提供する。【解決手段】燃料電池熱シミュレータは、通過する気体を予熱する少なくとも一つの予熱ユニットと、当該予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成される少なくとも一つのシミュレーションバーンユニットと、から成る。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
通過する気体を予熱する少なくとも一つの予熱ユニットと、
当該予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成される少なくとも一つのシミュレーションバーンユニットと、
が含有されることを特徴とする燃料電池熱シミュレータ。
【請求項２】
当該予熱ユニットは、電熱方式により気体を予熱することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項３】
当該予熱ユニット上に、複数の吸込管が設置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項４】
少なくとも、
通過する気体を予熱する予熱ユニットと、
当該予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成されるシミュレーションバーンユニットと、
当該予熱ユニットに連接され、必要とする蒸気を供給する蒸気ボイラーと、
当該予熱ユニットと当該シミュレーションバーンユニットに連接され、必要とする圧縮エアを供給する空気圧縮機と、
当該シミュレーションバーンユニットに連接される送気ユニットと、
当該送気ユニット、当該空気圧縮機及び当該シミュレーションバーンユニットに連接され、多種類の気体を混合するミキサーと、
当該シミュレーションバーンユニットに連接される測定物と、
が含有されることを特徴とする燃料電池熱シミュレータ。
【請求項５】
当該送気ユニットは、メタン（CH4）や天然ガスを供給する送気鋼円筒であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項６】
当該測定物は、熱交換器であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項７】
当該蒸気ボイラーと当該予熱ユニットとの間、当該空気圧縮機と当該予熱ユニットとの間、当該空気圧縮機と当該ミキサーとの間及び当該送気ユニットと当該ミキサーとの間に、それぞれ、マスフローコントローラー（MFC）があることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項８】
少なくとも、
通過する気体を予熱する第１の予熱ユニットと、
通過する気体を予熱する第２の予熱ユニットと、
当該第１の予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成される第１のシミュレーションバーンユニットと、
当該第２の予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成される第２のシミュレーションバーンユニットと、
当該第１の予熱ユニットに連接され、必要とする圧縮エアを供給する空気圧縮機と、
当該第１のシミュレーションバーンユニットに連接される第１の送気ユニットと、
当該第２のシミュレーションバーンユニットに連接される第２の送気ユニットと、
当該第２の予熱ユニットに連接される第３の送気ユニットと、
当該第１のシミュレーションバーンユニットと当該第２の予熱ユニットに連接される測定物と、
が含有されることを特徴とする燃料電池熱シミュレータ。
【請求項９】
当該第１の送気ユニットは、メタン（CH4）や水素（H2）を供給する送気鋼円筒であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１０】
当該第２の送気ユニットは、水素（H2）や酸素（O2）を供給する送気鋼円筒であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１１】
当該第３の送気ユニットは、メタン（CH4）や水素（H2）、一酸化炭素（CO）及び二酸化炭素（CO2）を供給する送気鋼円筒であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１２】
当該測定物は、シーケンシャルバーナーであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１３】
当該測定物は、互いに連接されるシーケンシャルバーナーと熱交換器であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１４】
当該空気圧縮機と当該第１の予熱ユニットとの間、当該第１の送気ユニットと当該第１のシミュレーションバーンユニットとの間、当該第２の送気ユニットの各送気鋼円筒と第２のシミュレーションバーンユニットとの間及び当該第３の送気ユニットの各送気鋼円筒と当該第２のシミュレーションバーンユニットとの間に、それぞれ、マスフローコントローラーがあることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１５】
少なくとも、
通過する気体を予熱する；予熱ユニットと、
当該予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成されるシミュレーションバーンユニットと、
当該予熱ユニットに連接され、気体を水素を含む気体にする改質炉と、
当該改質炉に連接され、当該改質炉に必要とする蒸気を供給する蒸気ボイラーと、
当該改質炉に連接される送気ユニットと、
当該予熱ユニットに連接され、必要とする圧縮エアを供給する空気圧縮機と、
当該シミュレーションバーンユニットに連接される測定物と、
が含有されることを特徴とする燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１６】
当該送気ユニットは、メタン（CH4）を供給する送気鋼円筒であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１７】
当該測定物は、熱交換器であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【請求項１８】
蒸気ボイラーと当該改質炉との間、当該送気ユニットと当該改質炉との間及び当該空気圧縮機と当該予熱ユニットとの間に、それぞれ、マスフローコントローラーがあることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池熱シミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池熱シミュレータに関し、特に、固態酸化物燃料電池（Solid Oxide Fuel
Cell、 SOFC）の代わりに、必要とする素子の初期システム統合テストを行い、テストコストを低下する効果が得られるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー値段が高く続く現在において、エネルギー問題を解決するのは、世界の課題である。その中、エネルギーの使用効率を向上するのは、最も良い方法である。燃料電池は、主として、水素と酸素との電気化学反応により電力を生成し、その発電効率は、小パワーの3C製品の応用においても、百万ワットグレードの発電所においても、既存な発電技術により重要視される潜在性がある。また、全ての燃料電池分野において、固態酸化物燃料電池の効率が、最高であるが、高温（600-1000℃）である操作条件や高温排気のため、その技術の難しさも、全ての燃料電池において、最も高い。操作温度が高い600-1000℃であるため、そのサブシステムについて、例えば、改質炉やシーケンシャルバーナー及び熱交換器等について、熱システムを統合する時、各素子のパフォーマンスパラメーターを把握するのが、統合の前提条件であり、その設計は、高温作動の条件を満足しなければならないため、固態酸化物燃料電池の各システムの統合について、全工場に対するマッチ分析の他に、実際の実験が最も重要である。
【０００３】
図６は、一般の従来の固態酸化物燃料電池のシステムの配置であり、固態酸化物燃料電池８と、固態酸化物燃料電池８に連接されるエア用熱交換器８０と、固態酸化物燃料電池８に連接され、起動燃料８１１を有するシーケンシャルバーナー８１と、エア８３を圧縮して、エアスタートアップ８２１とエア用熱交換器８０及びシーケンシャルバーナー８１に供給する空気圧縮機８２と、エア用熱交換器８０に連接される蒸気生成器８４と、水ポンプ８６により蒸気生成器８４に水源を供給する水槽８５と、固態酸化物燃料電池８とエア用熱交換器８０及びシーケンシャルバーナー８１に連接され、改質炉８７１を有する混合ガス用熱交換器８７と、蒸気生成器８４と混合ガス用熱交換器８７に連接され、燃料ポンプ８８２により燃料８８３を供給する燃料用予熱器８８１が連接される燃料/蒸気ミキサー８８とが含有される。
【０００４】
しかし、固態酸化物燃料電池８は、コストが高くて、構造強度が良くないため、本体が弱く、そのため、激変な操作条件に絶えず、また、単価が非常に高いから、操作条件の変動がやや大きければ、膨大な損失を来す恐れがあり、初期システム統合テストに向いてない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の主な目的は、固態酸化物燃料電池のコストが高い問題を解消する、必要とする素子の初期システム統合テストを行い、テストコストを低減できる燃料電池熱シミュレータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
通過する気体を予熱する少なくとも一つの予熱ユニットと、予熱ユニットの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成される少なくとも一つのシミュレーションバーンユニットとが含有され、そして、予熱ユニットとシミュレーションバーンユニットに、蒸気ボイラーと空気圧縮機、複数の送気ユニットと、ミキサー及び改質炉を合わせて、シーケンシャルバーナーや熱交換器及び他の素子をテストすることができ、固態酸化物燃料電池の代わりに、必要とする素子の初期システム統合テストを行い、テストコストを低下する効果が得られる燃料電池熱シミュレータである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明に係わる基本構造の概念図である。図のように、本発明は、燃料電池熱シミュレータであり、当該熱シミュレータ１は、少なくとも一つの予熱ユニット１１と、少なくとも一つのシミュレーションバーンユニット１２とが含有され、固態酸化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、 SOFC）の代わりに、必要とする素子の初期システム統合テストを行い、テストコストを低下する効果が得られる。
【０００８】
当該予熱ユニット１１は、通過する気体を、所定の温度（400〜600℃）に予熱して、シミュレーションバーンユニット１２に、足りない熱量を補充し、また、当該予熱ユニット１１は、電熱方式により気体を予熱し、また、複数の吸込管１１１が設置される。
【０００９】
当該シミュレーションバーンユニット１２は、当該予熱ユニット１１の一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分を生成し、また、シーケンシャルバーナーや熱交換器及び他の素子の出口成分を模擬することに供する。上記の構造により、新規な燃料電池熱シミュレータが構成される。
【００１０】
図２は、本発明に係わる第１の実施例の概念図である。本発明は、図のように、使用する時、熱シミュレータ１の予熱ユニット１１とシミュレーションバーンユニット１２に、蒸気ボイラー２と空気圧縮機３、送気ユニット４及びミキサー５を合わせて、熱交換器である測定物６のテストを行う。
【００１１】
当該予熱ユニット１１は、通過する気体を、所定の温度（400〜600℃）に予熱して、シミュレーションバーンユニット１２に、足りない熱量を補充する。
【００１２】
当該シミュレーションバーンユニット１２は、当該予熱ユニット１１の一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成され、また、熱交換器の出口成分を模擬することに供する。
【００１３】
当該蒸気ボイラー２は、当該予熱ユニット１１に連接され、熱交換器の出口にある含水量を模擬することに供し、また、熱シミュレータ１に、必要な蒸気を供給し、また、当該蒸気ボイラー２と予熱ユニット１１との間に、マスフローコントローラー（MFC、mass flow controller）２１がある。
【００１４】
当該空気圧縮機３は、当該予熱ユニット１１とシミュレーションバーンユニット１２に連接され、必要とする圧縮エアを供給し、また、当該空気圧縮機３と予熱ユニット１１との間に、マスフローコントローラー３１がある。
【００１５】
当該送気ユニット４は、当該シミュレーションバーンユニット１２に連接され、メタン（CH4）や天然ガスを供給する送気鋼円筒であり、また、当該送気ユニット４とミキサー５との間に、マスフローコントローラー４１がある。
【００１６】
当該ミキサー５は、当該送気ユニット４と空気圧縮機３及びシミュレーションバーンユニット１２の間に設置され、多種類の気体を混合し、当該空気圧縮機３とミキサー５との間に、マスフローコントローラー３２がある。
【００１７】
当該測定物６は、当該シミュレーションバーンユニット１２に連接される。
【００１８】
本実施例において、測定物６が熱交換器である。図のように、当該測定物６は、シミュレーションバーンユニット１２の下流に配置され、シミュレーションバーンユニット１２の出口の熱エネルギーを回収し、これにより、シミュレーションバーンユニット１２でシーケンシャルバーナー８１の出口条件を模擬すれば、測定物６（熱交換器）の性能をテストできる。シーケンシャルバーナー８１の出口成分がメタン（CH4）とエアとの燃焼生成物（当該エアが過量状態である）で、また、その温度が、完全な燃焼方式より高い（これは、SOFCシステムの特性である）ため、シミュレーションバーンユニット１２で、シーケンシャルバーナー８１の出口状態を模擬する時、不足である温度を、予熱ユニット１１により補充する。
【００１９】
図３は、本発明に係わる第２の実施例の概念図である。図のように、本発明は、第１の熱シミュレータ１ａの第１の予熱ユニット１１aと、第１のシミュレーションバーンユニット１２aと、第２の熱シミュレータ１ｂの第２の予熱ユニット１１bと、第２のシミュレーションバーンユニット１２bとを利用し、空気圧縮機３と、第１の送気ユニット４aと、第２の送気ユニット４b及び第３の送気ユニット４cを合わせて、第１の測定物６ａのテストを行い、また、当該第１の測定物６ａは、シーケンシャルバーナーである。
【００２０】
当該第１の予熱ユニット１１aと第２の予熱ユニット１１bにより、通過する気体が、所定の温度（400〜600℃）に予熱され、第１のシミュレーションバーンユニット１２aと第２のシミュレーションバーンユニット１２bに、足りない熱量を補充する。
【００２１】
当該第１のシミュレーションバーンユニット１２aは、当該第１の予熱ユニット１１aの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成され、また、固態酸化物燃料電池の陰極の出口気体の成分を模擬することに供する。
【００２２】
当該第２のシミュレーションバーンユニット１２bは、当該第２の予熱ユニット１１bの一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成され、また、固態酸化物燃料電池の陽極の出口気体の成分を模擬することに供する。
【００２３】
当該空気圧縮機３は、当該第１の予熱ユニット１１aに連接され、必要とする圧縮エアを供給し、また、当該空気圧縮機３と第１の予熱ユニット１１aとの間に、マスフローコントローラー３１aがある。
【００２４】
当該第１の送気ユニット４aは、当該第１のシミュレーションバーンユニット１２aに連接され、メタン（CH4）や水素（H2）を供給する送気鋼円筒であり、また、当該第１の送気ユニット４aと第１のシミュレーションバーンユニット１２aとの間に、マスフローコントローラー４１aがある。
【００２５】
当該第２の送気ユニット４bは、当該第２のシミュレーションバーンユニット１２bに連接され、水素（H2）と酸素（O2）を供給する送気鋼円筒４２b、４３bであり、また、各送気鋼円筒４２b、４３bと第２のシミュレーションバーンユニット１２bとの間に、それぞれ、マスフローコントローラー４２１b、４３１bがある。
【００２６】
当該第３の送気ユニット４cは、当該第２の予熱ユニット１１bに連接され、メタン（CH4）や水素（H2）、一酸化炭素（CO）及び二酸化炭素（CO2）を供給する送気鋼円筒４４c、４５c、４６c、４７cであり、また、各送気鋼円筒４４c、４５c、４６c、４７cと第２の予熱ユニット１１bとの間に、それぞれ、マスフローコントローラー４４１c、４５１c、４６１c、４７１cがある。
【００２７】
当該第１の測定物６aは、当該第１のシミュレーションバーンユニット１２aと第２の予熱ユニット１１bに連接される。
【００２８】
一般に、固態酸化物燃料電池の陰極の出口は、高温のエアであり、その成分は、一般のエアと比較すると、固態電解質を介して陽極と反応するから、酸素分がやや低く、そのため、本実施例において、第１の熱シミュレータ１ａで模擬し、適量の燃料を第１のシミュレーションバーンユニット１２aに添加することにより、エアにある一部の酸素を燃焼し、固態酸化物燃料電池の陰極の出口の酸素分（CO2とH2Oが生成するが、量が僅かであるため、シーケンシャルバーナーに殆ど影響しない）を模擬し、また、気流の全体温度を上昇させ、第１の予熱ユニット１１aに必要されるパワーが低減される。固態酸化物燃料電池の陽極の出口の成分は、H2やCH4、CO、CO2及びH2O（最も多いのはH2Oで、その次がH2とCO2である）が含有され、第２の熱シミュレータ１ｂによって、模擬され、第２のシミュレーションバーンユニット１２bの中でH2とO2を燃焼することにより、必要とするH2O成分を生成するだけでなく、第２の予熱ユニット１１bに必要されるパワーが低減される。他の燃料成分は、第３の送気ユニット４cのマスフローコントローラー４４１c、４５１c、４６１c、４７１cにより、第２の予熱ユニット１１bの中に送られて、第２のシミュレーションバーンユニット１２bからの出口の成分と混合され、固態酸化物燃料電池の陽極の出口状態が得られる。
【００２９】
図４は、本発明に係わる第３の実施例の概念図である。本発明は、図のように、更に、当該第１のシミュレーションバーンユニット１２aの後端に二つの互いに連接される測定物が設置され、当該測定物は、シーケンシャルバーナーである第１の測定物６ａと熱交換器である第２の測定物６ｂであり、これにより、同時に、第１の測定物６aと第２の測定物６ｂとの二つの測定物のテストが行われる。
【００３０】
図５は、本発明に係わる第４の実施例の概念図である。本発明は、図のように、使用する時、熱シミュレータ１の予熱ユニット１１とシミュレーションバーンユニット１２に、改質炉７と蒸気ボイラー２、送気ユニット４及び空気圧縮機３を合わせて、シーケンシャルバーナー以外の全ての素子である測定物６のテストが行われ、例えば、熱交換器等である。
【００３１】
当該予熱ユニット１１は、通過する気体を、所定の温度（400〜600℃）に予熱して、シミュレーションバーンユニット１２に、足りない熱量を補充する。
【００３２】
当該シミュレーションバーンユニット１２は、当該予熱ユニット１１の一端に設置され、一部の燃料をバーンして気体の温度を上昇させ、必要とする気体成分が生成され、また、シーケンシャルバーナー以外の全ての素子（例えば、熱交換器である）の出口成分を模擬することに供する。
【００３３】
当該改質炉７は、当該第１のシミュレーションバーンユニット１２に連接され、炭化水素燃料を、水素を一杯含有する気体にする。
【００３４】
蒸気ボイラー２は、当該改質炉７に連接され、当該改質炉７に、必要な蒸気を供給し、また、当該蒸気ボイラー２と改質炉７との間に、マスフローコントローラー２２がある。
【００３５】
当該送気ユニット４は、当該改質炉７に連接され、メタン（CH4）や天然ガスを供給する送気鋼円筒であり、また、当該送気ユニット４と改質炉７との間に、マスフローコントローラー４８がある。
【００３６】
当該空気圧縮機３は、当該予熱ユニット１１に連接され、必要とする圧縮エアを供給し、また、当該空気圧縮機３と予熱ユニット１１との間に、マスフローコントローラー３３がある。
【００３７】
当該測定物６は、当該シミュレーションバーンユニット１２に連接される熱交換器である。
【００３８】
当該第４の実施例は、第１の実施例の延伸状態であり、元に外部から供給される燃料や蒸気が、改質炉７により供給され（必要とする燃料や蒸気が含まれる）、そのため、固態酸化物燃料電池やシーケンシャルバーナー以外の全ての素子のテストが行われる。
【００３９】
以上のように、本発明に係わる燃料電池熱シミュレータは、有効的に従来の欠点を改善でき、可藉由予熱ユニットとシミュレーションバーンユニットに、蒸気ボイラーと空気圧縮機、複数の送気ユニット、ミキサー及び改質炉を合わせて、シーケンシャルバーナーや熱交換器及び他の素子をテストすることができ、固態酸化物燃料電池の代わりに、必要とする素子の初期システム統合テストを行い、テストコストを低下する効果が得られ、そのため、本発明は、実用的であり、法に従って、特許請求を出願する。
【００４０】
以上は、ただ、本発明のより良い実施例であり、本発明に係わる特許請求の範囲は、それによって制限されず、本発明に係わる特許請求の範囲及び明細書内容に従って、等価の変更や修正は、全てが、本発明に係わる特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係わる基本構造の概念図
【図２】本発明に係わる第１の実施例の概念図
【図３】本発明に係わる第２の実施例の概念図
【図４】本発明に係わる第３の実施例の概念図
【図５】本発明に係わる第４の実施例の概念図
【図６】従来の配置状態の概念図
【符号の説明】
【００４２】
（本発明部分）
１                   熱シミュレータ
１a                  第１の熱シミュレータ
１ｂ                 第２の熱シミュレータ
１１                 予熱ユニット
１１a                第１の予熱ユニット
１１b                第２の予熱ユニット
１１１               吸込管
１２                 シミュレーションバーンユニット
１２a                第１のシミュレーションバーンユニット
１２b                第２のシミュレーションバーンユニット
２                   蒸気ボイラー
２１、２２          マスフローコントローラー
３                   空気圧縮機
３１、３１a         マスフローコントローラー
３２、３３          マスフローコントローラー
４                   送気ユニット
４a                  第１の送気ユニット
４b                  第２の送気ユニット
４c                  第３の送気ユニット
４１、４１a         マスフローコントローラー
４２b、４３b         送気鋼円筒
４２１b、４３１b     マスフローコントローラー
４４c、４５c、４６c、４７c             送気鋼円筒
４４１c、４５１c、４６１c、４７１c     マスフローコントローラー
４８                 マスフローコントローラー
５                   ミキサー
６                   測定物
６a                  第１の測定物
６ｂ                 第２の測定物
７                   改質炉
（従来部分）
８                   固態酸化物燃料電池
８０                エア用熱交換器
８１                 シーケンシャルバーナー
８１１               起動燃料
８２                 空気圧縮機
８２１               エアスタートアップ
８３                 エア
８４                 蒸気生成器
８５                 水槽
８６                 水ポンプ
８７                 混合ガス用熱交換器
８７１               改質炉
８８                 燃料/蒸気ミキサー
８８１               燃料用予熱器
８８２               燃料ポンプ
８８３               燃料
【図１】
2007149355.tif 000003
【図２】
2007149355.tif 000004
【図３】
2007149355.tif 000005
【図４】
2007149355.tif 000006
【図５】
2007149355.tif 000007
【図６】
2007149355.tif 000008