JP2010287483A - Solid electrolyte type fuel battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte type fuel battery that prevents a fuel battery cell from being inactivated by carrying out a cleaning mode operation for removing sulfur adherent to a fuel battery cell under a predetermined condition during a power generation operation by a fuel battery module. <P>SOLUTION: The battery includes a desulfurizer 36 for removing sulfur contained in a fuel gas, a fuel flow adjustment unit 38 for supplying the fuel gas to a reformer 20, an air flow adjustment unit 45 for power generation which supplies air for power generation to a fuel battery cell assembly 12, a hydrogen flow adjustment unit 48 for adjusting a proportion of hydrogen to be supplied to the fuel battery cell assembly 12, a control section for increasing a proportion of hydrogen to be supplied to the fuel battery cell assembly 12 when reaching a predetermined condition, so as to carry out the cleaning mode operation for removing sulfur adherent to the fuel battery cell assembly 12. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting fuel gas and air.

固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, supplies fuel gas on one side, and supplies the other This is a fuel cell that operates at a relatively high temperature by supplying an oxidizing agent (air, oxygen, etc.) to the side.

このSOFCにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気及び/又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、SOFC外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、SOFC及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。   In this SOFC, water vapor and / or carbon dioxide is generated by the reaction between oxygen ions that have passed through the oxide ion conductive solid electrolyte and fuel, and electric energy and thermal energy are generated. Electric energy is taken out of the SOFC and used for various electrical applications. On the other hand, thermal energy is transmitted to fuel, SOFC, oxidant, etc., and used to increase their temperature.

従来のSOFCにおいては、発電出力が一定に保たれた状態で運転されるのが一般的であったが、夜間に電気需要が殆どない施設や昼夜の電気需要が大きく変化する施設などへ、SOFCを設置する場合には、要求発電量に応じて、発電出力値を変化させる必要がある。
例えば、特許文献1に記載されている従来のSOFCにおいては、電力使用量の大小に応じて発電部の動作温度を高低二種類設定し、電力使用量が少ない時間帯においては、発電部の動作温度を低く設定することにより、発電部の動作温度を維持するための燃料ガス使用量を少なくし、コストを低下させると共にCO2排出量を少なくしている。
Conventional SOFCs are generally operated with power generation output kept constant. However, SOFCs can be used for facilities where there is almost no electricity demand at night or where there is a significant change in electricity demand during the day and night. When installing, it is necessary to change the power generation output value according to the required power generation amount.
For example, in the conventional SOFC described in Patent Document 1, two types of operating temperatures of the power generation unit are set depending on the amount of power usage, and the operation of the power generation unit is performed in a time zone where the power usage is low. By setting the temperature low, the amount of fuel gas used to maintain the operating temperature of the power generation unit is reduced, reducing costs and reducing CO 2 emissions.

また、このような従来のSOFCにおいては、燃料ガスとして用いられる都市ガスや灯油が硫黄を含むものであるため、この燃料ガスに含まれる硫黄が燃料電池セルに付着することによって、燃料電池セルの活性(発電能力)が低下してしまうという問題がある。   In such a conventional SOFC, since city gas and kerosene used as fuel gas contain sulfur, the sulfur contained in the fuel gas adheres to the fuel battery cell, and the activity of the fuel battery cell ( There is a problem that the power generation capacity) decreases.

特開2005−216618号公報JP 2005-216618 A

また、従来のSOFCにおいては、燃料ガスを改質して燃料電池セルに供給する改質器の上流側に燃料ガスに含まれる硫黄を除去する脱硫器を設けることにより、改質前の燃料ガスから硫黄を除去するものも周知技術として知られている。
しかしながら、このような脱硫器では、燃料ガスの微量なレベルの硫黄まで脱硫することが難しいため、発電運転が長期的に行われる程、これらの脱硫しきれない微量な硫黄が徐々に燃料電池セルに付着して蓄積し、燃料電池セルの活性(発電能力)が発電運転当初に比べて著しく低下してしまうという問題がある。
Further, in the conventional SOFC, a fuel gas before reforming is provided by providing a desulfurizer that removes sulfur contained in the fuel gas upstream of the reformer that reforms the fuel gas and supplies the fuel cell. What removes sulfur from the is also known as a well-known technique.
However, in such a desulfurizer, it is difficult to desulfurize even a very small amount of sulfur in the fuel gas. Therefore, as the power generation operation is performed for a long period of time, these small amounts of sulfur that cannot be completely desulfurized gradually become fuel cells. There is a problem in that the activity (power generation capacity) of the fuel battery cell is remarkably reduced as compared with the beginning of the power generation operation.

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池モジュールによる発電運転中、所定の条件に基づいて燃料電池セルに付着している硫黄を除去する運転(以下「クリーニングモード運転」)を実行することにより、燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and removes sulfur adhering to the fuel cell based on predetermined conditions during the power generation operation by the fuel cell module. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of preventing the inactivation of the fuel cell by performing the operation (hereinafter referred to as “cleaning mode operation”).

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスに含まれる硫黄を除去する脱硫器と、この脱硫器で脱硫した燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、この燃料ガス供給手段によって供給された燃料ガスを改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を調整する水素供給割合調整手段と、所定の条件に達したとき、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を増加させることにより、上記燃料電池セル集合体に付着している硫黄を除去するクリーニングモード運転を実行する制御部と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、所定の条件に達すると、制御部が、燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を増加させることにより、燃料電池セル集合体に付着している硫黄を除去するクリーニングモード運転を実行するため、脱硫器で脱硫しきれずに燃料電池セル集合体に付着している硫黄を除去することができ、硫黄の付着による燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell that generates electricity by reacting fuel gas and air, and is disposed in a power generation chamber in a fuel cell module, and a plurality of solid electrolyte fuels A fuel battery cell assembly including battery cells, a desulfurizer for removing sulfur contained in the fuel gas, fuel gas supply means for supplying fuel gas desulfurized by the desulfurizer, and the fuel gas supply means A reformer for reforming the supplied fuel gas and supplying the fuel cell assembly to the fuel cell assembly, power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly, and supply to the fuel cell assembly A hydrogen supply ratio adjusting means for adjusting a supply ratio of the generated hydrogen, and by increasing the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly when a predetermined condition is reached, It is characterized by having a control unit for executing a cleaning mode operation for removing sulfur attached to.
In the present invention configured as described above, when a predetermined condition is reached, the control unit attaches to the fuel cell assembly by increasing the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly. In this mode, the sulfur that has not been desulfurized by the desulfurizer can be removed and the fuel cell can be deactivated by the adhesion of sulfur. Can be prevented.

本発明において、好ましくは、上記制御部が上記クリーニングモード運転を実行するための所定の条件は、所定の発電運転時間が経過したときである。
このように構成された本発明においては、制御部が、所定の発電運転時間が経過したとき、クリーニングモード運転を行うので、脱硫器で脱硫しきれずに燃料電池セル集合体に付着している硫黄を除去することができ、硫黄の付着による燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる。クリーニングモード運転を実行するための所定の条件を所定の発電運転時間が経過することを条件としたので、むやみにクリーニングモード運転を実施する必要がなく、スムーズな定常の発電を維持することができると共に硫黄の付着による燃料電池セルの不具合にも対応することができる。
In the present invention, it is preferable that the predetermined condition for the control unit to execute the cleaning mode operation is when a predetermined power generation operation time has elapsed.
In the present invention configured as described above, since the control unit performs the cleaning mode operation when a predetermined power generation operation time has elapsed, the sulfur adhering to the fuel cell assembly without being completely desulfurized by the desulfurizer. And the inactivation of the fuel battery cell due to the adhesion of sulfur can be prevented. Since a predetermined condition for executing the cleaning mode operation is a condition that a predetermined power generation operation time elapses, it is not necessary to carry out the cleaning mode operation unnecessarily, and smooth steady power generation can be maintained. At the same time, it is possible to cope with the malfunction of the fuel battery cell due to the adhesion of sulfur.

本発明において、好ましくは、上記制御部が上記クリーニングモード運転を実行するための所定の条件は、上記燃料電池セルの電圧が所定電圧に達したとき発電運転時間が経過したときであってもよい。
このように構成された本発明においては、制御部が、燃料電池セルの電圧が所定電圧に達したとき、クリーニングモード運転を行うので、脱硫器で脱硫しきれずに燃料電池セル集合体に付着している硫黄を除去することができ、硫黄の付着による燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる。燃料電池セル自身の電圧を確認しながらクリーニング運転を行うため、何らかの不具合によって燃料電池セルに想定以上の硫黄が付着した場合にも適切なタイミングでクリーニングを行うことができる。
In the present invention, preferably, the predetermined condition for the control unit to execute the cleaning mode operation may be a time when a power generation operation time has elapsed when the voltage of the fuel cell reaches a predetermined voltage. .
In the present invention configured as described above, the control unit performs the cleaning mode operation when the voltage of the fuel cell reaches a predetermined voltage, so that the control unit adheres to the fuel cell assembly without being completely desulfurized by the desulfurizer. Sulfur contained can be removed, and inactivation of the fuel battery cell due to the adhesion of sulfur can be prevented. Since the cleaning operation is performed while checking the voltage of the fuel cell itself, cleaning can be performed at an appropriate timing even when more than expected sulfur is attached to the fuel cell due to some problem.

本発明において、好ましくは、上記水素供給割合調整手段は、上記燃料電池セル集合体に水素を供給する水素供給手段であり、上記制御部は、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域よりも高い水素供給割合まで増加させるように上記水素供給手段を制御し、上記クリーニングモード運転を実行する。
このように構成された本発明においては、制御部によりクリーニングモード運転が実行されると、燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合が、燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域よりも高い水素供給割合まで上昇するため、燃料電池セル集合体に付着している硫黄の除去量がより多くなり、硫黄の付着による燃料電池セルの不活性化を効果的に防ぐことができる。
In the present invention, preferably, the hydrogen supply ratio adjusting means is hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell assembly, and the control unit supplies hydrogen to be supplied to the fuel cell assembly. The hydrogen supply means is controlled so as to increase the ratio to a hydrogen supply ratio higher than a hydrogen supply ratio region in which steady power generation operation by the fuel cell module is possible, and the cleaning mode operation is executed.
In the present invention configured as described above, when the cleaning mode operation is executed by the control unit, the supply ratio of the hydrogen supplied to the fuel cell assembly allows a steady power generation operation by the fuel cell module. Since the hydrogen supply rate rises to a higher hydrogen supply rate than the region of the hydrogen supply rate, the removal amount of sulfur adhering to the fuel cell assembly is increased, which effectively inactivates the fuel cell due to sulfur adhesion. Can be prevented.

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合が上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内の所定水素供給割合未満である低負荷発電運転が行われている場合には、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を上記定常的な発電運転が可能な水素供給割合領域内の所定の水素供給割合以上まで上昇させて上記クリーニングモード運転を実行する。
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合が上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合領域内の所定の水素供給割合未満である低負荷発電運転が行われている場合には、燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を定常的な発電運転が可能な水素供給割合領域内の所定の水素供給割合以上まで上昇させてクリーニングモード運転を実行するため、クリーニングモード運転を実行中においても、定常的な発電運転を可能にすると共に、燃料電池セルに付着している硫黄を除去することができる。また、定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内で燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を上昇させてクリーニングモード運転を実行しているため、水素供給割合の上昇に伴う燃料電池セルへの負担も最小限に抑えることができる。
In the present invention, it is preferable that the control unit supply the predetermined hydrogen in a region where the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly is a hydrogen supply ratio in which steady power generation operation by the fuel cell module is possible. When a low load power generation operation that is less than the ratio is performed, the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly is set to a predetermined hydrogen in a hydrogen supply ratio region where the steady power generation operation is possible. The above cleaning mode operation is executed by increasing the supply rate to a value equal to or higher than the supply rate.
In the present invention configured as described above, the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly is less than a predetermined hydrogen supply ratio in a hydrogen supply ratio region in which steady power generation operation by the fuel cell module is possible. When the low load power generation operation is performed, the hydrogen supply ratio supplied to the fuel cell assembly is equal to or higher than a predetermined hydrogen supply ratio in the hydrogen supply ratio region where steady power generation operation is possible. Since the cleaning mode operation is performed by raising the temperature, it is possible to perform a steady power generation operation and remove sulfur adhering to the fuel cell even during the cleaning mode operation. In addition, since the cleaning mode operation is executed by increasing the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly within the range of the hydrogen supply ratio where steady power generation operation is possible, the hydrogen supply ratio is increased. The burden on the accompanying fuel cell can also be minimized.

本発明において、好ましくは、上記制御部は、クリーニングモード運転を実行するための上記所定の発電運転時間を、上記燃料電池モジュールによる運転の履歴に基づいて変更する。
このように構成された本発明においては、実際に燃料電池セルに付着する硫黄の付着量は燃料電池モジュールによる運転の履歴によって異なるが、クリーニングモード運転を実行するための条件である所定の発電運転時間を燃料電池モジュールによる運転の履歴に基づいて変更するようにしているため、実際の硫黄付着量に応じたクリーニングモード運転同士の時間間隔を適切に設定することができる。また、水素供給割合や発電室温度の上昇による燃料電池セルへの負担も最小限に抑えることができる。
ことができる。
In the present invention, it is preferable that the control unit changes the predetermined power generation operation time for executing the cleaning mode operation based on a history of operation by the fuel cell module.
In the present invention configured as described above, the amount of sulfur actually attached to the fuel cell varies depending on the operation history of the fuel cell module, but the predetermined power generation operation which is a condition for executing the cleaning mode operation Since the time is changed based on the operation history of the fuel cell module, the time interval between the cleaning mode operations according to the actual sulfur adhesion amount can be set appropriately. Further, the burden on the fuel cells due to the increase in the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature can be minimized.
be able to.

本発明において、好ましくは、上記制御部は、クリーニングモード運転を実行するための上記所定の発電運転時間を、燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合が上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内の所定の水素供給割合未満であるときに行われる低負荷発電運転の上記燃料電池モジュールによる運転の履歴中に占める割合が高い程、より短い時間に変更する。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールによる運転の履歴中に占める低負荷発電運転の割合が高い程、燃料電池セル集合体が高い水素供給割合または高温に曝される時間が短くなるため、燃料電池セルの硫黄の付着量も多くなるが、クリーニングモード運転の実行を終了した後に次のクリーニングモード運転を実行するまでの所定時間を短い時間に変更し、次のクリーニングモード運転の実行を早めることにより、実際の燃料電池セルの硫黄の付着量に応じた適切な運転を行うことができる。
In the present invention, it is preferable that the control unit sets the predetermined power generation operation time for performing the cleaning mode operation so that the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly is constant by the fuel cell module. Change to a shorter time as the ratio of low-load power generation operation in the operation history by the fuel cell module is lower when the power supply operation is less than a predetermined hydrogen supply ratio within the range of hydrogen supply ratio To do.
In the present invention configured as described above, the higher the ratio of the low load power generation operation in the operation history of the fuel cell module, the shorter the time during which the fuel cell assembly is exposed to a high hydrogen supply ratio or high temperature. Therefore, the amount of sulfur adhered to the fuel cell also increases, but the predetermined time until the next cleaning mode operation is executed after the execution of the cleaning mode operation is changed to a short time, and the next cleaning mode operation is performed. By accelerating the execution, it is possible to perform an appropriate operation according to the actual amount of sulfur attached to the fuel cell.

本発明において、好ましくは、上記制御部は、上記クリーニングモード運転を所定の継続時間実行すると共に、このクリーニングモード運転実行中に上記燃料電池セルの電圧が所定電圧に達すると、上記所定の継続時間内であっても、上記クリーニングモード運転を強制的に終了する。
このように構成された本発明においては、クリーニングモード運転が継続中であっても燃料電池モジュールの電圧が所定電圧に達すると、所定の継続時間内であっても、クリーニングモード運転を強制的に終了するようにしているので、燃料電池セルを無駄に高い水素供給割合または高温に曝すのを防ぐことができ、燃料電池セルの劣化を防ぐことができる。
In the present invention, preferably, the control unit performs the cleaning mode operation for a predetermined duration, and when the voltage of the fuel cell reaches a predetermined voltage during the execution of the cleaning mode operation, the predetermined duration time. Even within, the cleaning mode operation is forcibly terminated.
In the present invention configured as described above, if the voltage of the fuel cell module reaches a predetermined voltage even if the cleaning mode operation is continued, the cleaning mode operation is forcibly performed even within the predetermined duration. Since it is made to complete | finish, it can prevent exposing a fuel cell to a high hydrogen supply ratio or high temperature wastefully, and can prevent deterioration of a fuel cell.

本発明において、好ましくは、上記制御部は、クリーニングモード運転を実行するための条件である上記所定の発電運転時間を、上記燃料電池モジュールによる発電運転が行われる経年時間が長い程、より短い時間に設定する。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールの燃料電池セルの経年時間が経つにつれて燃料電池セルに硫黄が付着しやすくなることを考慮し、所定の発電運転時間を燃料電池モジュールによる発電運転が行われる経年時間が長い程、より短い時間に設定することにより、クリーニングモード運転の実行を早めることができ、実際の燃料電池セルの硫黄の付着量に応じた適切な運転を行うことができる。
In the present invention, it is preferable that the control unit sets the predetermined power generation operation time, which is a condition for executing the cleaning mode operation, to be shorter as the aging time during which the power generation operation is performed by the fuel cell module is longer. Set to.
In the present invention configured as described above, in consideration of the fact that sulfur easily adheres to the fuel cell as the aging time of the fuel cell of the fuel cell module elapses, the predetermined power generation operation time is generated by the fuel cell module. The longer the operating time, the shorter the execution time of the cleaning mode operation can be set by setting it to a shorter time, and it is possible to perform an appropriate operation according to the actual amount of sulfur adhered to the fuel cell. it can.

本発明において、好ましくは、上記制御部が上記クリーニングモード運転を実行するための所定の条件は、手動操作であり、上記制御部は、この手動操作により上記クリーニングモード運転を強制的に実行する。
このように構成された本発明においては、脱硫器が故障する等、燃料ガスの脱硫工程に不具合が生じた場合であっても、手動操作によりクリーニングモード運転を強制的に実行して対応することができるため、燃料電池セルに付着している硫黄を確実に除去することができる。
In the present invention, it is preferable that the predetermined condition for the control unit to execute the cleaning mode operation is a manual operation, and the control unit forcibly executes the cleaning mode operation by the manual operation.
In the present invention configured as described above, even if a failure occurs in the desulfurization process of the fuel gas, such as failure of the desulfurizer, the cleaning mode operation is forcibly executed by manual operation. Therefore, sulfur adhering to the fuel battery cell can be surely removed.

本発明の燃料電池によれば、燃料電池モジュールによる発電運転中、所定の条件に基づいて燃料電池セルに付着している硫黄を除去するクリーニングモード運転を実行することにより、燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる。   According to the fuel cell of the present invention, during the power generation operation by the fuel cell module, the fuel cell is inactivated by performing a cleaning mode operation for removing sulfur adhering to the fuel cell based on a predetermined condition. Can be prevented.

本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of operation stop of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第1例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the cleaning mode driving | operation of the 1st example of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 図5の比較例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the comparative example of FIG. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第2例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the cleaning mode driving | operation of the 2nd example of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第3例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the cleaning mode driving | operation of the 3rd example of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第4例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the cleaning mode driving | operation of the 4th example of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第5例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the cleaning mode driving | operation of the 5th example of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。)を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、複数個の燃料電池セルスタック14を備え、この燃料電池セルスタック14は、複数本の燃料電池セルユニット16から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、複数本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。
また、各燃料電池セルユニット16は、セラミックス材料で形成された有底筒状の部材であり、その内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。
さらに、燃料電池セルユニット16の内壁(空気極)に空気が接触すると共に、燃料電池セルユニット16の外壁(燃料極)に燃料ガスが接触すると、燃料電池セルユニット16内でO2-イオンが移動して電気化学反応が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じることにより、発電が行われるようになっている。
The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material (not shown, but the heat insulating material is not an essential component and may not be necessary). Is formed. In addition, you may make it not provide a heat insulating material. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes a plurality of fuel cell stacks 14, and the fuel cell stack 14 includes a plurality of fuel cell units 16. Thus, the fuel cell assembly 12 has a plurality of fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.
Each fuel cell unit 16 is a bottomed cylindrical member made of a ceramic material, and forms a multilayer structure of an air electrode, a solid oxide electrolyte, and a fuel electrode from the inside to the outside. .
Further, when the air contacts the inner wall (air electrode) of the fuel cell unit 16 and the fuel gas contacts the outer wall (fuel electrode) of the fuel cell unit 16, O 2− ions are generated in the fuel cell unit 16. It moves, and an electrochemical reaction takes place, and a potential difference is generated between the air electrode and the fuel electrode, so that power generation is performed.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、燃焼室18内には、燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16の空気極に発電用の空気を供給する発電用空気ヘッダ19が配置されている。
A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas.
In the combustion chamber 18, a power generation air header 19 that supplies power generation air to the air electrode of each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 is disposed.

つぎに、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
また、この改質器20の上方には、改質器20に供給する前の燃料ガス及び改質用空気を予熱する予熱器21が配置されている。
さらに、予熱器21の上方には、蒸発器22が配置され、この蒸発器22によって、改質器20における改質に必要な水が気化されて改質器20に供給されるようになっている。
また、発電室10の下方には、燃料ガス分散室23が配置され、改質器20で改質された燃料ガスは燃料ガス分散室23内で均一に分散され、燃料電池セル集合体12に供給されるようになっている。
Next, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. is doing.
Further, a preheater 21 for preheating the fuel gas and the reforming air before being supplied to the reformer 20 is disposed above the reformer 20.
Further, an evaporator 22 is disposed above the preheater 21, and water necessary for reforming in the reformer 20 is vaporized and supplied to the reformer 20 by the evaporator 22. Yes.
In addition, a fuel gas dispersion chamber 23 is disposed below the power generation chamber 10, and the fuel gas reformed by the reformer 20 is uniformly dispersed in the fuel gas dispersion chamber 23, and is formed in the fuel cell assembly 12. It comes to be supplied.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整して蒸発器23に所定の流量の水を供給する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。
また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。
さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)とを備えている。また、発電用空気流量調整ユニット45によって所定の流量に調整された空気は、燃料電池モジュール2内の発電用空気ヘッダ19に供給されるようになっている。
さらに、補機ユニット4は、水素ボンベ等の水素供給源46から供給される水素を遮断する電磁弁47と、水素の流量を調整する水素流量調整ユニット48とを備え、水素流量調整ユニット48によって所定の流量に調整された水素は、改質器20で改質された燃料ガスが燃料ガス分散室23に供給される経路の途中又は燃料ガス分散室23に供給されるようになっている。
Next, the auxiliary unit 4 evaporates by adjusting the flow rate of the water supplied from the pure water tank 26 that stores the water from the water supply source 24 such as a water supply and uses the filter to obtain pure water. A water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) for supplying water at a predetermined flow rate to the vessel 23 is provided.
The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided.
Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjusting unit. 45 (such as an “air blower” driven by a motor). The air adjusted to a predetermined flow rate by the power generation air flow rate adjustment unit 45 is supplied to the power generation air header 19 in the fuel cell module 2.
Furthermore, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 47 that shuts off hydrogen supplied from a hydrogen supply source 46 such as a hydrogen cylinder, and a hydrogen flow rate adjustment unit 48 that adjusts the flow rate of hydrogen. Hydrogen adjusted to a predetermined flow rate is supplied to the fuel gas dispersion chamber 23 in the middle of the path through which the fuel gas reformed by the reformer 20 is supplied to the fuel gas dispersion chamber 23.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に図2により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図2に示すように、固体電解質型燃料電池1は、制御部60を備え、この制御部60には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置62、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置64、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置66が接続されている。なお、この報知装置66は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 60. The control unit 60 includes an operation button such as “ON” or “OFF” for operation by the user. A device 62, a display device 64 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 66 for issuing a warning (warning) in an abnormal state are connected. In addition, this alerting | reporting apparatus 66 may be connected to the management center in a remote place, and may notify this management center of an abnormal state.

次に、制御部60には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ70は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ72は、本来排気ガス通路(図示せず)等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ74は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 60.
First, the combustible gas detection sensor 70 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4.
In the CO detection sensor 72, CO in the exhaust gas that is originally discharged to the outside through an exhaust gas passage (not shown) or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the accessory unit 4. This is to detect whether or not
The hot water storage state detection sensor 74 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ76は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。また、この電力状態検出センサ76は、特に、インバータ54内において燃料電池セル集合体12で発生した電力(或いは電流及び電圧)を検知することができるようになっている。
発電用空気流量検出センサ78は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ80は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ82は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power state detection sensor 76 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown). In addition, the power state detection sensor 76 can specifically detect the power (or current and voltage) generated in the fuel cell assembly 12 in the inverter 54.
The power generation air flow rate detection sensor 78 is for detecting the flow rate of the power generation air supplied to the power generation chamber 10.
The reforming air flow rate sensor 80 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow sensor 82 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ84は、改質器20に供給される純水(水蒸気)の流量を検出するためのものである。
水位センサ86は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ88は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ90は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water flow rate sensor 84 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20.
The water level sensor 86 is for detecting the water level of the pure water tank 26.
The pressure sensor 88 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
The exhaust temperature sensor 90 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ92は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、発電室10内の燃料電池セルスタック14の近傍の温度(以下「発電室温度」)を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セルユニット16自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ94は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ96は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ98は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ100は、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 92 is provided on the front side and the rear side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 in the power generation chamber 10 (hereinafter referred to as “power generation”). The temperature of the fuel cell stack 14 (that is, the fuel cell unit 16 itself) is estimated by detecting the room temperature ").
The combustion chamber temperature sensor 94 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 96 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
The reformer temperature sensor 98 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
The outside air temperature sensor 100 is for detecting the temperature of outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部60に送られ、制御部60は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45、水素流量調整ユニット48に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御部60は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the control unit 60, and the control unit 60, based on data from these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjustment unit 45 and the hydrogen flow rate adjustment unit 48 to control each flow rate in these units.
Further, the control unit 60 sends a control signal to the inverter 54 to control the power supply amount.

次に図3により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図3は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of starting by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a time chart showing the operation at the time of start-up of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the fuel cell module 2, the operation is started in a no-load state, that is, in a state where a circuit including the fuel cell module 2 is opened. At this time, since no current flows through the circuit, the fuel cell module 2 does not generate power.

先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を燃料電池モジュール2の予熱器21を経由して改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を燃料電池モジュール2の発電用空気ヘッダ19へ供給する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、予熱器21を経由して改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料ガス分散室23を通過して発電室10内に供給され、燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。また、発電室10内においては、燃料ガス分散室23から導入された燃料ガスが各燃料電池セルユニット16の燃料極に接触することにより、発電用空気ヘッダ19から各燃料電池セルユニット16の空気極に供給された発電用空気と電気化学反応し、発電が行われる。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjustment unit 44 to the reformer 20 via the preheater 21 of the fuel cell module 2. At the same time, power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the power generation air header 19 of the fuel cell module 2.
Immediately after this, fuel gas is also supplied from the fuel flow rate adjusting unit 38, and the fuel gas mixed with the reforming air via the preheater 21 passes through the reformer 20 and the fuel gas dispersion chamber 23. It is supplied into the power generation chamber 10, passes through the fuel cell stack 14 and the fuel cell unit 16, and reaches the combustion chamber 18. Further, in the power generation chamber 10, the fuel gas introduced from the fuel gas dispersion chamber 23 comes into contact with the fuel electrode of each fuel cell unit 16, so that the air in each fuel cell unit 16 is generated from the power generation air header 19. Electricity is generated by an electrochemical reaction with the air for power generation supplied to the electrode.

次に、点火装置(図示せず)により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスが、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、温水製造装置50に供給される。
このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス分散室23から燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
Next, ignition is performed by an ignition device (not shown), and the fuel gas and air (reforming air and generating air) in the combustion chamber 18 are combusted. Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, and the exhaust gas warms the fuel gas containing the reforming air in the reformer 20 and is supplied to the hot water production apparatus 50.
At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the reformer 20 by the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44. The partial oxidation reforming reaction POX shown in FIG. Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the startability is good. Further, the heated fuel gas is supplied from the fuel gas dispersion chamber 23 to the lower side of the fuel cell stack 14, whereby the fuel cell stack 14 is heated from below, and the combustion chamber 18 also has the fuel gas and air. The fuel cell stack 14 is also heated from above, and as a result, the fuel cell stack 14 can be heated substantially uniformly in the vertical direction. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction between the fuel gas and air continues in the combustion chamber 18.

mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1) C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ98により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。   When the reformer temperature sensor 98 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate adjustment unit 28 and the fuel flow rate adjustment unit 38 are detected. In addition, the reforming air flow rate adjusting unit 44 supplies a gas in which fuel gas, reforming air, and water vapor are mixed in advance to the reformer 20. At this time, in the reformer 20, an autothermal reforming reaction ATR in which the partial oxidation reforming reaction POX described above and a steam reforming reaction SR described later are used proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 20 in a thermally independent state. That is, when oxygen (air) is large, heat generation by the partial oxidation reforming reaction POX is dominant, and when there is much steam, an endothermic reaction by the steam reforming reaction SR is dominant. At this stage, the initial stage of startup has already passed, and the temperature inside the power generation chamber 10 has been raised to a certain temperature. Therefore, even if the endothermic reaction is dominant, no significant temperature drop is caused. Further, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18 even while the autothermal reforming reaction ATR is in progress.

式(2)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ146により改質器20が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット44による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット28による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器20には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器20において、式(3)の水蒸気改質反応SRが進行する。   When the reformer temperature sensor 146 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) after the start of the autothermal reforming reaction ATR shown in Formula (2), the reforming air flow rate The supply of reforming air by the adjustment unit 44 is stopped, and the supply of water vapor by the water flow rate adjustment unit 28 is increased. As a result, the reformer 20 is supplied with a gas that does not contain air and contains only fuel gas and water vapor, and the steam reforming reaction SR of formula (3) proceeds in the reformer 20.

mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)

この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室18からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール2の起動の最終段階であるため、発電室10内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室10が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室18では継続して燃焼反応が進行する。   Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the combustion chamber 18. At this stage, since the fuel cell module 2 is in the final stage of start-up, the power generation chamber 10 is heated to a sufficiently high temperature. Therefore, even if the endothermic reaction proceeds, the power generation chamber 10 is greatly reduced in temperature. There is nothing. Even if the steam reforming reaction SR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18.

このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置(図示せず)により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セルユニット16の温度が燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セルユニット16自体も発熱し、燃料電池セルユニット16の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。   Thus, after the fuel cell module 2 is ignited by an ignition device (not shown), the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed sequentially, The temperature in the power generation chamber 10 gradually increases. Next, when the temperature in the power generation chamber 10 and the fuel cell unit 16 reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature at which the fuel cell module 2 is stably operated, the circuit including the fuel cell module 2 is closed and the fuel cell module 16 is closed. Electricity generation by the battery module 2 is started, whereby current flows through the circuit. Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell unit 16 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell unit 16 also rises. As a result, the rated temperature at which the fuel cell module 2 is operated becomes, for example, 600 ° C. to 800 ° C.

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セルユニット16で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, fuel gas and air larger than the amount of fuel gas and air consumed by the fuel cell unit 16 are supplied, and combustion in the combustion chamber 18 is continued. During power generation, power generation proceeds in a steam reforming reaction SR with high reforming efficiency.

次に、図4により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を説明する。図4は、本実施形態により固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図4に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
Next, the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
As shown in FIG. 4, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, first, the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28 are operated to supply fuel gas and water vapor to the reformer 20. Reduce the amount.

また、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット44による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応SRを終了する。この発電用空気の供給は、改質器20の温度が所定温度、例えば、200℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。   Further, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, the amount of fuel gas and water vapor supplied to the reformer 20 is reduced, and at the same time, the fuel cell module for generating air by the reforming air flow rate adjusting unit 44 The supply amount into 2 is increased, the fuel cell assembly 12 and the reformer 20 are cooled by air, and these temperatures are lowered. Thereafter, when the temperature of the power generation chamber decreases to a predetermined temperature, for example, 400 ° C., the supply of fuel gas and steam to the reformer 20 is stopped, and the steam reforming reaction SR of the reformer 20 is ended. This supply of power generation air continues until the temperature of the reformer 20 decreases to a predetermined temperature, for example, 200 ° C., and when this temperature is reached, the power generation air from the power generation air flow rate adjustment unit 45 is supplied. Stop supplying.

このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール2の運転停止を行うとき、改質器20による水蒸気改質反応SRと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。   As described above, in the present embodiment, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, the steam reforming reaction SR by the reformer 20 and the cooling by the power generation air are used in combination. The operation of the fuel cell module can be stopped.

つぎに、図5及び図6により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第1例のクリーニングモード運転時の動作を説明する。
図5は本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第1例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートであり、図6は図5の比較例を示すタイムチャートである。
Next, the operation during the cleaning mode operation of the first example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 is a time chart showing the operation during the cleaning mode operation of the first example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, and FIG. 6 is a time chart showing a comparative example of FIG.

まず、図5において、縦軸は、水素供給割合、発電室温度(T)、セル電圧(V)(燃料電池セル集合体12の電圧)を示し、横軸は、時間(t)を示している。
ここで、特に、図5の縦軸である「水素供給割合」は、燃料ガス分散室23から燃料電池セル集合体12に供給される水素量とメタン量との比(H2/CH4)を意味している。特に、水素供給割合における水素量については、改質器20において燃料ガスから改質されて燃料ガス分散室23を経て燃料電池セル集合体12に供給される水素量に水素流量調整ユニット48から供給される水素量を加えた水素量を示している。また、水素供給割合におけるメタン量については、改質器20において燃料ガスから改質されて燃料ガス分散室23に供給されるメタン量を示している。
本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)1による第1例のクリーニングモード運転は、発電室温度(T)が850℃以上950℃以下となる温度領域に対応する水素供給割合の領域(以下「定常発電運転領域」)内にあり、且つ、セル電圧(V)が下限電圧値V0(=0.76V)よりも大きな値で定常的な発電運転が行われているときに所定の条件下で実行されるようになっている。
First, in FIG. 5, the vertical axis represents the hydrogen supply ratio, the power generation chamber temperature (T), the cell voltage (V) (the voltage of the fuel cell assembly 12), and the horizontal axis represents the time (t). Yes.
Here, in particular, the “hydrogen supply ratio” on the vertical axis in FIG. 5 is the ratio of the amount of hydrogen supplied from the fuel gas dispersion chamber 23 to the fuel cell assembly 12 and the amount of methane (H 2 / CH 4 ). Means. In particular, the hydrogen amount in the hydrogen supply ratio is supplied from the hydrogen flow rate adjustment unit 48 to the hydrogen amount reformed from the fuel gas in the reformer 20 and supplied to the fuel cell assembly 12 through the fuel gas dispersion chamber 23. The amount of hydrogen added to the amount of hydrogen generated is shown. The methane amount at the hydrogen supply ratio indicates the amount of methane that is reformed from the fuel gas in the reformer 20 and is supplied to the fuel gas dispersion chamber 23.
In the cleaning mode operation of the first example by the solid oxide fuel cell (SOFC) 1 of the present embodiment, the hydrogen supply ratio region (hereinafter referred to as the temperature region in which the power generation chamber temperature (T) is 850 ° C. or higher and 950 ° C. or lower) “Constant power generation operation region”), and the cell voltage (V) is larger than the lower limit voltage value V0 (= 0.76 V) and a constant power generation operation is performed under a predetermined condition. It is supposed to be executed in.

より具体的に説明すると、まず、図3により説明した燃料電池モジュール2の起動運転後、時刻t0で発電運転が開始される。
つぎに、時刻t0で発電運転を開始してから時刻t1でクリーニングモード運転を開始するまでの発電運転時間τ1(=5000時間)とセル電圧(V)の下限電圧値V0(=0.76V)については、クリーニングモード運転を開始するか否かを判断するための基準値として予め定められている。
例えば、図5に示すように、時刻t0から発電運転時間τ1が経過した時刻t1までに、セル電圧(V)が下限電圧値V0にならない場合には、時刻t1において、制御部60が水素供給手段である水素流量調整ユニット48に信号を送り、それまでの発電運転による発電量に関わらず、初回のクリーニングモード運転が開始される。
一方、時刻t0から発電運転時間τ1が経過した時刻t1までに電力状態検出センサ76で検知したセル電圧(V)が下限電圧値V0に達した場合には、その時点で時刻t0から発電運転時間τ1の経過を待たずに、それまでの発電運転による発電量に関わらず、強制的に初回のクリーニングモード運転が開始される。
More specifically, first, after the start-up operation of the fuel cell module 2 described with reference to FIG. 3, the power generation operation is started at time t0.
Next, the power generation operation time τ1 (= 5000 hours) from the start of the power generation operation at time t0 to the start of the cleaning mode operation at time t1 and the lower limit voltage value V0 (= 0.76V) of the cell voltage (V). Is determined in advance as a reference value for determining whether or not to start the cleaning mode operation.
For example, as shown in FIG. 5, when the cell voltage (V) does not reach the lower limit voltage value V0 from time t0 to time t1 when the power generation operation time τ1 has elapsed, the control unit 60 supplies hydrogen at time t1. A signal is sent to the hydrogen flow rate adjustment unit 48 as the means, and the first cleaning mode operation is started regardless of the power generation amount by the power generation operation so far.
On the other hand, when the cell voltage (V) detected by the power state detection sensor 76 reaches the lower limit voltage value V0 by the time t1 when the power generation operation time τ1 has elapsed from the time t0, the power generation operation time from the time t0 at that time. Without waiting for the elapse of τ1, the first cleaning mode operation is forcibly started regardless of the amount of power generated by the previous power generation operation.

また、時刻t1で初回のクリーニングモード運転を開始するとき、制御部60から水素流量調整ユニット48に送られた信号に基づき、それまでの発電運転による発電量に関わらず、発電室温度(T)が定常発電運転領域よりも高い所定温度(950℃〜1000℃)まで強制的に昇温されるように、水素流量調整ユニット48から燃料ガス分散室23に水素が供給されるため、時刻t0〜t1までに行われている定常発電運転のときに発電室10内の燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合が増加する。   Further, when the first cleaning mode operation is started at time t1, based on the signal sent from the control unit 60 to the hydrogen flow rate adjustment unit 48, the power generation chamber temperature (T) regardless of the power generation amount generated until then. Is supplied from the hydrogen flow rate adjustment unit 48 to the fuel gas dispersion chamber 23 so that the temperature is forcibly increased to a predetermined temperature (950 ° C. to 1000 ° C.) higher than the steady power generation operation region. The supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10 during the steady power generation operation performed until t1 increases.

すなわち、クリーニングモード運転においては、燃料ガス分散室23を経て発電室10内の燃料電池セル集合体12に供給される水素が、改質器20で改質された燃料ガスに含まれる水素以外にも、水素流量調整ユニット48からも燃料電池セル集合体12に水素が追加されるが、この水素流量調整ユニット48から燃料電池セル集合体12に追加される水素については、水蒸気改質反応(吸熱反応)を伴わずに直接的に燃料電池セル集合体12に供給されるため、燃料電池セル集合体12の温度を上昇させて高温化させることができる。
このように、クリーニングモード運転において、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合を増加させることにより、燃料電池セル集合体12を高温化させた結果、各燃料電池セルユニット16に付着している硫黄が除去される。
In other words, in the cleaning mode operation, hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10 through the fuel gas dispersion chamber 23 is other than hydrogen contained in the fuel gas reformed by the reformer 20. In addition, hydrogen is also added to the fuel cell assembly 12 from the hydrogen flow rate adjustment unit 48. The hydrogen added from the hydrogen flow rate adjustment unit 48 to the fuel cell assembly 12 is subjected to a steam reforming reaction (endothermic reaction). Since it is directly supplied to the fuel cell assembly 12 without any reaction), the temperature of the fuel cell assembly 12 can be increased to increase the temperature.
As described above, in the cleaning mode operation, the ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is increased to increase the temperature of the fuel cell assembly 12, and as a result, the fuel cell assembly 12 adheres to each fuel cell unit 16. Sulfur is removed.

つぎに、時刻t1で初回のクリーニングモード運転が開始され、時刻t2で初回のクリーニングモード運転が終了するまでのクリーニングモード運転が継続される時間(t2−t1)については、2時間以上3時間以下の所定時間に予め設定されている。
また、図5に示すように、時刻t2で初回のクリーニングモードが終了した時点のセル電圧は、各燃料電池セルユニット16に付着している硫黄が除去されたため、時刻t1のセル電圧よりも上昇し、電圧が回復している。
さらに、時刻t2から時刻t3までは、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合が定常発電運転領域内にある定常発電運転が再び実行される。
Next, the time (t2-t1) during which the first cleaning mode operation is started at time t1 and the cleaning mode operation is continued until the first cleaning mode operation is completed at time t2 is 2 hours or more and 3 hours or less. The predetermined time is set in advance.
Further, as shown in FIG. 5, the cell voltage at the time when the initial cleaning mode is completed at time t2 is higher than the cell voltage at time t1 because sulfur adhering to each fuel cell unit 16 is removed. The voltage has recovered.
Furthermore, from time t2 to time t3, the steady power generation operation in which the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is within the steady power generation operation region is executed again.

ここで、n回目(n≧2)のクリーニングモード運転においては、前回のクリーニングモード運転が終了した時刻から次のクリーニングモード運転が開始される時刻までの発電運転時間τnが5000時間に到達するか、又は、この発電運転時間τnが5000時間に到達する前にセル電圧が下限電圧値V0に達するかのいずれか一方の条件に達した場合には、それまでの発電運転による発電量に関わらず、直ちにクリーニングモード運転が実行されるように予め設定されている。   Here, in the n-th (n ≧ 2) cleaning mode operation, does the power generation operation time τn from the time when the previous cleaning mode operation ends to the time when the next cleaning mode operation starts reaches 5000 hours? Or, when the cell voltage reaches either one of the conditions until the power generation operation time τn reaches 5000 hours before the power generation operation time τn reaches 5000 hours, regardless of the power generation amount by the power generation operation so far The cleaning mode operation is set in advance so as to be executed immediately.

例えば、図5に示す時刻t3では、セル電圧が下限電圧値V0に達していないが、時刻t2で初回のクリーニングモード運転が終了してからの発電運転時間τ2が5000時間に達したため、それまでの発電運転による発電量に関わらず、2回目のクリーニングモード運転を実行し、初回のクリーニングモード運転と同様に、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合を定常運転領域よりも高い所定の水素供給割合まで強制的に上昇(発電室温度(T)を定常発電運転領域よりも高い所定温度(950℃〜1000℃)まで強制的に上昇)させ、時刻t4で2回目のクリーニングモード運転を終了し、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合が定常発電運転領域内にある定常発電運転が再び実行される。
なお、2回目のクリーニングモード運転を開始してから終了するまでの運転継続時間(t4−t3)についても、初回のクリーニングモード運転と同様に、2時間以上3時間以下の所定時間に予め設定されている。
For example, at time t3 shown in FIG. 5, the cell voltage has not reached the lower limit voltage value V0, but since the power generation operation time τ2 after the completion of the first cleaning mode operation at time t2 has reached 5000 hours, Regardless of the amount of power generated by this power generation operation, the second cleaning mode operation is executed, and the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is higher than the steady operation region, as in the first cleaning mode operation. Forcibly increased to a predetermined hydrogen supply rate (power generation chamber temperature (T) is forcibly increased to a predetermined temperature (950 ° C. to 1000 ° C.) higher than the steady power generation operation region), and the second cleaning mode at time t4 The operation is terminated, and the steady power generation operation in which the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is within the steady power generation operation region is executed again.
Note that the operation continuation time (t4-t3) from the start to the end of the second cleaning mode operation is also set in advance to a predetermined time of 2 hours or more and 3 hours or less, as in the first cleaning mode operation. ing.

さらに、図5に示す時刻t5では、時刻t4で2回目のクリーニングモード運転が終了してからの発電運転時間τ3が5000時間に達する前にセル電圧の方が下限電圧値V0に達したため、それまでの発電運転による発電量に関わらず、3回目のクリーニングモード運転を実行し、初回及び2回目のクリーニングモード運転と同様に、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合を定常運転領域よりも高い所定の水素供給割合まで強制的に上昇(発電室温度(T)を定常発電運転領域よりも高い所定温度(950℃〜1000℃)まで強制的に上昇)させ、時刻t6で3回目のクリーニングモード運転を終了し、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合が定常発電運転領域内にある定常発電運転が再び実行される。
なお、3回目のクリーニングモード運転を開始してから終了するまでの運転継続時間(t6−t5)についても、初回及び2回目のクリーニングモード運転と同様に、2時間以上3時間以下の所定時間に予め設定されている。
Further, at time t5 shown in FIG. 5, since the power generation operation time τ3 after the end of the second cleaning mode operation at time t4 reaches 5000 hours, the cell voltage has reached the lower limit voltage value V0. Regardless of the amount of power generated by the power generation operation up to, the third cleaning mode operation is executed, and the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is steady operation as in the first and second cleaning mode operations. The temperature is forcibly increased to a predetermined hydrogen supply rate higher than the region (the power generation chamber temperature (T) is forcibly increased to a predetermined temperature (950 ° C. to 1000 ° C.) higher than the steady power generation operation region), and 3 at time t6. The second cleaning mode operation is ended, and the steady power generation operation in which the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is within the steady power generation operation region is executed again.
Note that the operation continuation time (t6-t5) from the start to the end of the third cleaning mode operation is also set to a predetermined time of 2 hours or more and 3 hours or less as in the first and second cleaning mode operations. It is set in advance.

同様に、図5に示す時刻t7では、時刻t6で3回目のクリーニングモード運転が終了してからの発電運転時間τ4が5000時間に達する前にセル電圧の方が下限電圧値V0に達したため、それまでの発電運転による発電量に関わらず、4回目のクリーニングモード運転を実行し、3回目までのクリーニングモード運転と同様に、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合を定常運転領域よりも高い所定の水素供給割合まで強制的に上昇(発電室温度(T)を定常発電運転領域よりも高い所定温度(950℃〜1000℃)まで強制的に上昇)させ、時刻t8で4回目のクリーニングモード運転を終了し、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合が定常発電運転領域内にある定常発電運転が再び実行される。
なお、3回目のクリーニングモード運転を開始してから終了するまでの運転継続時間(t8−t7)についても、初回及び2回目のクリーニングモード運転と同様に、2時間以上3時間以下の所定時間に予め設定されている。
Similarly, at the time t7 shown in FIG. 5, the cell voltage has reached the lower limit voltage value V0 before the power generation operation time τ4 reaches 5000 hours after the third cleaning mode operation ends at the time t6. Regardless of the amount of power generated by the previous power generation operation, the fourth cleaning mode operation is executed, and the supply rate of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is a steady operation as in the third cleaning mode operation. Forcibly increases to a predetermined hydrogen supply rate higher than the region (the power generation chamber temperature (T) is forcibly increased to a predetermined temperature (950 ° C. to 1000 ° C.) higher than the steady power generation operation region), and 4 at time t8. The second cleaning mode operation is ended, and the steady power generation operation in which the supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is within the steady power generation operation region is executed again.
Note that the operation continuation time (t8-t7) from the start to the end of the third cleaning mode operation is also set to a predetermined time of 2 hours or more and 3 hours or less, as in the first and second cleaning mode operations. It is set in advance.

一方、図6は、図5の比較例として、クリーニングモード運転が全く実行されなかった場合についてのタイムチャートである。
図6に示すように、時刻t0から発電運転時間τ1が経過した時刻t1でクリーニングモード運転が実行されなかった場合には、時刻t1後もセル電圧(V)が低下し続ける。 さらに、時刻t9でセル電圧(V)が下限電圧値V0に達してもクリーニングモード運転が実行されなかった場合には、時刻t9後もセル電圧(V)が比較的大きな傾きで低下し続ける。
On the other hand, FIG. 6 is a time chart when the cleaning mode operation is not executed at all as a comparative example of FIG.
As shown in FIG. 6, when the cleaning mode operation is not executed at time t1 when the power generation operation time τ1 has elapsed from time t0, the cell voltage (V) continues to decrease after time t1. Further, if the cleaning mode operation is not executed even when the cell voltage (V) reaches the lower limit voltage value V0 at time t9, the cell voltage (V) continues to decrease with a relatively large slope after time t9.

以上説明した本実施形態による第1例のクリーニングモード運転によれば、燃料電池モジュール2による発電量に関わらず、起動運転を終了して発電運転を開始してからの発電運転時間、及び、前回のクリーニングモード運転を終了して発電運転を再開してからの発電運転時間が所定時間(例えば、5000時間)に達するか、或いは、発電運転中のセル電圧が所定下限電圧値に達すると、制御部60により、クリーニングモード運転が実行され、燃料電池セル集合体12に供給される水素の供給割合を定常運転領域よりも高い所定の水素供給割合まで強制的に上昇(発電室温度(T)を定常発電運転領域よりも高い所定温度(950℃〜1000℃)まで強制的に上昇)させて燃料電池セル集合体12に付着している硫黄を効果的に除去することができる。この結果、硫黄の付着による燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる。   According to the cleaning mode operation of the first example according to the present embodiment described above, regardless of the power generation amount by the fuel cell module 2, the power generation operation time after the start operation is ended and the power generation operation is started, and the previous time When the power generation operation time after the completion of the cleaning mode operation and restarting the power generation operation reaches a predetermined time (for example, 5000 hours) or the cell voltage during the power generation operation reaches a predetermined lower limit voltage value, the control is performed. The cleaning mode operation is executed by the unit 60, and the supply rate of hydrogen supplied to the fuel cell assembly 12 is forcibly increased to a predetermined hydrogen supply rate higher than the steady operation region (the power generation chamber temperature (T) is increased). Forcibly rising to a predetermined temperature (950 ° C. to 1000 ° C.) higher than the steady power generation operation region) to effectively remove sulfur adhering to the fuel cell assembly 12 It is possible. As a result, inactivation of the fuel battery cell due to sulfur adhesion can be prevented.

つぎに、図7により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第2例のクリーニングモード運転時の動作を説明する。
図7は本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第2例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。
Next, the operation during the cleaning mode operation of the second example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a time chart showing the operation during the cleaning mode operation of the second example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment.

図7に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)1による第2例のクリーニングモード運転は、発電室温度(T)が850℃以上950℃以下となる定常発電運転領域内の所定温度未満(900℃未満)の領域に対応する水素供給割合の領域内にあり、且つ、セル電圧(V)が下限電圧値V0(=0.74V)よりも大きな値で低負荷発電運転が行われているときに所定の条件下で実行されるようになっている。   As shown in FIG. 7, the cleaning mode operation of the second example by the solid oxide fuel cell (SOFC) 1 of the present embodiment is in the steady power generation operation region where the power generation chamber temperature (T) is 850 ° C. or more and 950 ° C. or less. Low load power generation operation with a cell supply voltage (V) greater than the lower limit voltage value V0 (= 0.74V) in the region of the hydrogen supply ratio corresponding to the region below the predetermined temperature (less than 900 ° C.) Is executed under a predetermined condition when the operation is performed.

より具体的に説明すると、まず、図3により説明した燃料電池モジュール2の起動運転後、時刻t100で低負荷発電運転を開始してから時刻t101でクリーニングモード運転を開始するまでの発電運転時間τ1(=5000時間)とセル電圧(V)の下限電圧値V0(=0.74V)については、クリーニングモード運転を開始するか否かを判断するための基準値として予め定められている。
例えば、図7に示すように、時刻t100から発電運転時間τ1が経過した時刻t101までに、セル電圧(V)が下限電圧値V0にならない場合には、時刻t101において、制御部60が水素流量調整ユニット48に信号を送り、それまでの発電運転による発電量に関わらず、初回のクリーニングモード運転が開始される。
一方、時刻t100から発電運転時間τ1が経過した時刻t101までに電力状態検出センサ76で検知したセル電圧(V)が下限電圧値V0に達した場合には、その時点で時刻t100から発電運転時間τ1の経過を待たずに強制的に初回のクリーニングモード運転が開始され、所定時間(2〜3時間)運転後、時刻t102で初回のクリーニングモード運転を終了し、低負荷発電運転が再び実行される。
More specifically, first, after the start-up operation of the fuel cell module 2 described with reference to FIG. 3, the power generation operation time τ1 from the start of the low load power generation operation at time t100 to the start of the cleaning mode operation at time t101. (= 5000 hours) and the lower limit voltage value V0 (= 0.74V) of the cell voltage (V) are set in advance as reference values for determining whether or not to start the cleaning mode operation.
For example, as shown in FIG. 7, when the cell voltage (V) does not reach the lower limit voltage value V0 from time t100 to time t101 when the power generation operation time τ1 has elapsed, at time t101, the control unit 60 performs the hydrogen flow rate. A signal is sent to the adjustment unit 48, and the first cleaning mode operation is started regardless of the amount of power generated by the previous power generation operation.
On the other hand, when the cell voltage (V) detected by the power state detection sensor 76 reaches the lower limit voltage value V0 from time t100 to time t101 when the power generation operation time τ1 has elapsed, the power generation operation time from time t100 to that time. The first cleaning mode operation is forcibly started without waiting for the elapse of τ1, and after the predetermined time (2 to 3 hours) operation, the first cleaning mode operation is terminated at time t102, and the low load power generation operation is executed again. The

また、時刻t101で初回のクリーニングモード運転を開始するとき、制御部60から水素流量調整ユニット48に送られた信号に基づき、それまでの発電運転による発電量に関わらず、低負荷発電運転が行われる水素供給割合の領域(発電室温度(T)の定常発電運転領域(850℃〜950℃)に相当)の所定の水素供給割合(例えば、発電室温度(T)が950℃に相当)まで強制的に上昇させることにより、燃料電池セル集合体12の温度を上昇させて高温化させることができる。   Further, when the first cleaning mode operation is started at time t101, the low load power generation operation is performed based on the signal sent from the control unit 60 to the hydrogen flow rate adjustment unit 48 regardless of the power generation amount by the power generation operation so far. Up to a predetermined hydrogen supply rate (for example, the power generation chamber temperature (T) corresponds to 950 ° C.) in the range of the hydrogen supply rate (corresponding to the steady power generation operation range (850 ° C. to 950 ° C.) of the power generation chamber temperature (T)) By forcibly increasing the temperature, the temperature of the fuel cell assembly 12 can be increased and the temperature can be increased.

すなわち、このクリーニングモード運転により、燃料電池セル集合体12の温度を高温に保つことができ、各燃料電池セルユニット16に付着している硫黄を除去することができる。
また、n回目(n≧2)のクリーニングモード運転においても、前回のクリーニングモード運転が終了した時刻から次のクリーニングモード運転が開始される時刻までの発電運転時間τnが5000時間に到達するか、又は、この発電運転時間τnが5000時間に到達する前にセル電圧が下限電圧値V0に達した時点で、それまでの発電運転による発電量に関わらず、クリーニングモード運転が行われる。
That is, by this cleaning mode operation, the temperature of the fuel cell assembly 12 can be kept high, and the sulfur adhering to each fuel cell unit 16 can be removed.
Also, in the n-th (n ≧ 2) cleaning mode operation, whether the power generation operation time τn from the time when the previous cleaning mode operation ends to the time when the next cleaning mode operation starts reaches 5000 hours, Alternatively, when the cell voltage reaches the lower limit voltage value V0 before the power generation operation time τn reaches 5000 hours, the cleaning mode operation is performed regardless of the power generation amount by the power generation operation so far.

上述した本実施形態による第2例のクリーニングモード運転によれば、発電室の温度が燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内の所定水素供給割合未満の温度で低負荷発電運転が行われている場合であっても、燃料電池モジュール2による発電量に関わらず、起動運転を終了して低負荷発電運転を開始してからの低負荷発電運転時間、及び、前回のクリーニングモード運転を終了して低負荷発電運転を再開してからの発電運転時間が所定時間(例えば、5000時間)に達するか、或いは、発電運転中のセル電圧が所定下限電圧値に達すると、制御部60により、発電室温度(T)が定常発電運転の水素供給割合の領域内で低負荷発電運転が行われる水素供給割合よりも高い所定の水素供給割合(例えば、発電室温度950℃に相当)まで強制的に上昇されてクリーニングモード運転が実行される。このため、クリーニングモード運転を実行中においても、定常的な発電運転を可能にすると共に、燃料電池セル集合体12に付着している硫黄を効果的に除去することができ、硫黄の付着による燃料電池セルの不活性化を防ぐことができる。また、定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内(発電室温度850℃〜950℃に相当)で水素供給割合を上昇させてクリーニングモード運転を実行しているため、水素供給割合及び発電室温度の上昇に伴う加熱等よる燃料電池セルユニット16への負担も最小限に抑えることができる。   According to the cleaning mode operation of the second example according to the present embodiment described above, the temperature of the power generation chamber is low at a temperature lower than a predetermined hydrogen supply rate in the region of the hydrogen supply rate in which steady power generation operation by the fuel cell module is possible. Even when the load power generation operation is performed, regardless of the amount of power generated by the fuel cell module 2, the low load power generation operation time from the start of the start operation and the start of the low load power generation operation, and the previous time When the cleaning mode operation is finished and the low load power generation operation is restarted, the power generation operation time reaches a predetermined time (for example, 5000 hours), or the cell voltage during the power generation operation reaches a predetermined lower limit voltage value. The control unit 60 causes the power generation chamber temperature (T) to be higher than a hydrogen supply rate at which the low-load power generation operation is performed within the region of the hydrogen supply rate in the steady power generation operation (for example, Cleaning mode operation is performed forcibly raised to correspond) to the collector chamber temperature 950 ° C.. For this reason, even when the cleaning mode operation is being performed, it is possible to perform a steady power generation operation and to effectively remove sulfur adhering to the fuel cell assembly 12. Inactivation of the battery cell can be prevented. In addition, since the hydrogen supply rate is increased and the cleaning mode operation is executed within the region of the hydrogen supply rate in which steady power generation operation is possible (corresponding to the power generation chamber temperature of 850 ° C. to 950 ° C.), the hydrogen supply rate and The burden on the fuel cell unit 16 due to heating or the like accompanying an increase in the temperature of the power generation chamber can be minimized.

つぎに、図8により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第3例のクリーニングモード運転時の動作を説明する。
図8は本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第3例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。
Next, the operation during the cleaning mode operation of the third example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a time chart showing the operation during the cleaning mode operation of the third example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment.

図8に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)1による第3例のクリーニングモード運転は、発電室温度(T)が850℃以上950℃以下となる定常発電運転領域内に対応する水素供給割合の領域内にあり、且つ、セル電圧(V)が下限電圧値V0(=0.74V)よりも大きな値で定常的な発電運転が行われているときに所定の条件下で実行されるようになっている。   As shown in FIG. 8, the cleaning mode operation of the third example by the solid oxide fuel cell (SOFC) 1 of the present embodiment is in the steady power generation operation region where the power generation chamber temperature (T) is 850 ° C. or more and 950 ° C. or less. And a predetermined condition when a steady power generation operation is performed at a cell voltage (V) larger than the lower limit voltage value V0 (= 0.74 V). It is supposed to be executed below.

より具体的に説明すると、まず、図3により説明した燃料電池モジュール2の起動運転後、時刻t200で発電運転を開始してから時刻t201でクリーニングモード運転を開始するまでの発電運転時間τ1(=5000時間)とセル電圧(V)の下限電圧値V0(=0.74V)については、クリーニングモード運転を開始するか否かを判断するための基準値として予め定められている。
また、時刻t200で発電運転を開始してから時刻t201で初回のクリーニングモード運転が開始されるまでの発電運転時間τ1と、n回目(n≧2)のクリーニングモード運転が実行される場合に前回のクリーニングモード運転が終了した時刻から発電運転が再開し、次のクリーニングモード運転が開始される時刻までの発電運転時間τnについては、発電運転の状態に応じて変更されるようになっている。
More specifically, first, after the start-up operation of the fuel cell module 2 described with reference to FIG. 3, the power generation operation time τ1 (=) from the start of the power generation operation at time t200 to the start of the cleaning mode operation at time t201. 5000 hours) and the lower limit voltage value V0 (= 0.74V) of the cell voltage (V) are set in advance as reference values for determining whether or not to start the cleaning mode operation.
In addition, when the power generation operation time τ1 from when the power generation operation is started at time t200 to when the first cleaning mode operation is started at time t201 and when the nth (n ≧ 2) cleaning mode operation is executed, the previous time The power generation operation is restarted from the time when the cleaning mode operation is completed, and the power generation operation time τn from the time when the next cleaning mode operation is started is changed according to the state of the power generation operation.

より具体的には、発電運転状態を把握するために、発電運転中に発電室温度センサ92が検出した発電室温度とその運転時間による積分値や、発電室温度(T)が850℃以上950℃以下となる定常発電運転領域内の所定温度未満(900℃未満)の領域に対応する水素供給割合の領域内で低負荷条件下で発電運転が行われた積算時間等、代表的に実際の燃料電池モジュール2の運転履歴を示した定量的な値により、発電運転状態をある特定の量で定量化する。そして、これらの定量化した値に基づいて、発電運転を開始してから初回のクリーニングモード運転が開始されるまでの発電運転時間τ1や、n回目(n≧2)のクリーニングモード運転が実行される場合に前回のクリーニングモード運転が終了してから次のクリーニングモード運転が開始されるまでの発電運転時間τnについて、変更するか否かを決定する。   More specifically, in order to grasp the power generation operation state, the power generation chamber temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 92 during the power generation operation and the integrated value based on the operation time, or the power generation chamber temperature (T) is 850 ° C. or more and 950 Typically, the accumulated time during which the power generation operation is performed under the low load condition in the region of the hydrogen supply ratio corresponding to the region of less than the predetermined temperature (less than 900 ° C) in the steady power generation operation region that is below ℃ Based on the quantitative value indicating the operation history of the fuel cell module 2, the power generation operation state is quantified by a specific amount. Based on these quantified values, the power generation operation time τ1 from the start of the power generation operation to the start of the first cleaning mode operation or the nth (n ≧ 2) cleaning mode operation is executed. In this case, it is determined whether or not to change the power generation operation time τn from the end of the previous cleaning mode operation to the start of the next cleaning mode operation.

図8は、一例として、時刻t201で初回のクリーニングモード運転が開始されて所定時間後に時刻t202で初回のクリーニングモード運転が終了し、発電運転時間τ2(=5000時間)が経過した時刻t202で再び実行された定常発電運転が、時刻t200〜t201までの定常発電運転よりも水素供給割合及び発電室温度が高い状態で実行されている。この結果、時刻t202で初回のクリーニングモード運転が終了した時点よりも、時刻t204で2回目のクリーニングモード運転が終了した時点の方が、燃料電池セル集合体12に付着している硫黄を効果的に除去することができたため、時刻t204で2回目のクリーニングモード運転が終了して時刻t205で3回目のクリーニングモード運転を開始するまでの発電運転時間τ3を予め定められた5000時間から7000時間に変更している。   As an example, FIG. 8 shows an example in which the first cleaning mode operation is started at time t201, the initial cleaning mode operation ends at time t202 after a predetermined time, and again at time t202 when the power generation operation time τ2 (= 5000 hours) has elapsed. The executed steady power generation operation is executed in a state where the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature are higher than the steady power generation operation from time t200 to t201. As a result, the sulfur adhering to the fuel cell assembly 12 is more effective when the second cleaning mode operation is completed at time t204 than when the first cleaning mode operation is completed at time t202. Therefore, the power generation operation time τ3 from the end of the second cleaning mode operation at time t204 to the start of the third cleaning mode operation at time t205 is changed from a predetermined 5000 hours to 7000 hours. It has changed.

上述した本実施形態による第3例のクリーニングモード運転によれば、実際に燃料電池セル集合体12に付着する硫黄の付着量は燃料電池モジュール2の発電運転の履歴によって異なるが、n回目のクリーニングモード運転を行う前の発電運転時間τnを燃料電池モジュール2による発電運転が行われる運転履歴(発電運転時間、水素供給割合、発電室温度)に基づいて変更することができるため、実際の硫黄付着量に応じたクリーニングモード運転同士の時間間隔を適切に設定することができる。また、水素供給割合及び発電室温度の上昇に伴う加熱等よる燃料電池セルユニット16への負担も最小限に抑えることができる。   According to the cleaning mode operation of the third example according to the present embodiment described above, the amount of sulfur actually attached to the fuel cell assembly 12 varies depending on the history of the power generation operation of the fuel cell module 2, but the nth cleaning is performed. Since the power generation operation time τn before the mode operation can be changed based on the operation history (power generation operation time, hydrogen supply ratio, power generation chamber temperature) in which the power generation operation by the fuel cell module 2 is performed, actual sulfur adhesion The time interval between cleaning mode operations according to the amount can be set appropriately. In addition, the burden on the fuel cell unit 16 due to heating accompanying the increase in the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature can be minimized.

つぎに、図9により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第4例のクリーニングモード運転時の動作を説明する。
図8は本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第4例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。
Next, the operation of the fourth example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment during the cleaning mode operation will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a time chart showing the operation during the cleaning mode operation of the fourth example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment.

図9に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)1による第4例のクリーニングモード運転においては、まず、図3により説明した燃料電池モジュール2の起動運転後、時刻t300で低負荷発電運転を開始してから時刻t301まで発電室温度(T)が850℃以上950℃以下となる定常発電運転領域内の所定温度(T1)以下の領域内に対応する水素供給割合の領域内で、且つ、セル電圧(V)が下限電圧値V0(=0.74V)よりも大きな値で低負荷発電運転が実行される。
つぎに、時刻t301から時刻t302までについては、時刻t300〜t301までの低負荷発電運転よりも水素供給割合及び発電室温度が高い所定領域(T1<T≦T2)で、定常発電運転が実行され、時刻t302で初回のクリーニングモード運転が実行される。
ここで、時刻t300で低負荷発電運転を開始してから初回のクリーニングモード運転を実行するまでの発電運転時間τ1については、運転前に5000時間として予め定められているが、時刻t300〜t301まで低負荷発電運転が実行されるため、初回のクリーニングモード運転を早めるために、予め定められた所定時間(5000時間)をより短い時間(4000時間)に変更している。
As shown in FIG. 9, in the cleaning mode operation of the fourth example by the solid oxide fuel cell (SOFC) 1 of this embodiment, first, after the start-up operation of the fuel cell module 2 described with reference to FIG. The region of the hydrogen supply ratio corresponding to the region below the predetermined temperature (T1) in the steady power generation operation region where the power generation chamber temperature (T) is 850 ° C. or more and 950 ° C. or less from the start of the low load power generation operation to time t301. In addition, the low load power generation operation is performed with the cell voltage (V) being larger than the lower limit voltage value V0 (= 0.74V).
Next, from time t301 to time t302, the steady power generation operation is executed in a predetermined region (T1 <T ≦ T2) in which the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature are higher than the low load power generation operation from time t300 to t301. The first cleaning mode operation is executed at time t302.
Here, the power generation operation time τ1 from the start of the low load power generation operation at time t300 to the execution of the first cleaning mode operation is predetermined as 5000 hours before the operation, but from time t300 to t301. Since the low load power generation operation is executed, the predetermined time (5000 hours) is changed to a shorter time (4000 hours) in order to accelerate the initial cleaning mode operation.

また、時刻t302で初回のクリーニングモード運転を所定時間(2〜3時間)実行されてから時刻t303でクリーニングモード運転を終了し、再び、定常発電運転温度領域内の所定温度(T1)以下の温度領域内で低負荷発電運転が実行される。
時刻t304で2回目のクリーニングモード運転が実行されるが、時刻t303〜304では低負荷発電運転のみが実行されるため、2回目のクリーニングモード運転の開始を早めるために、初回のクリーニングモード運転が終了してから2回目のクリーニングモード運転を開始するまでの発電運転時間τ2を予め定められた所定時間(5000時間)をより短い時間(3000時間)に変更している。
In addition, after the first cleaning mode operation is executed for a predetermined time (2 to 3 hours) at time t302, the cleaning mode operation is ended at time t303, and the temperature is again below the predetermined temperature (T1) within the steady power generation operation temperature region. A low load power generation operation is performed in the region.
At time t304, the second cleaning mode operation is executed. At times t303 to 304, only the low load power generation operation is executed. Therefore, in order to accelerate the start of the second cleaning mode operation, the first cleaning mode operation is performed. The power generation operation time τ2 from the end to the start of the second cleaning mode operation is changed from a predetermined time (5000 hours) to a shorter time (3000 hours).

さらに、時刻t304で2回目のクリーニングモード運転を所定時間(2〜3時間)実行されてから時刻t305でクリーニングモード運転を終了し、時刻t305〜t306までの発電室温度(T)が定常発電運転温度領域内の所定温度T3(≧T2)で、定常発電運転が実行され、時刻t306で3回目のクリーニングモード運転が実行される。
ここで、時刻t305〜306では、時刻t300〜t302及び時刻t303〜t304よりも水素供給割合及び発電室温度が高い状態で定常発電運転が実行されるため、2回目のクリーニングモード運転が終了してから3回目のクリーニングモード運転を開始するまでの発電運転時間τ3が初回及び2回目のクリーニングモード運転を実行するまでの時間τ1,τ2よりも長くなっている。
Further, after the second cleaning mode operation is performed for a predetermined time (2 to 3 hours) at time t304, the cleaning mode operation is terminated at time t305, and the power generation chamber temperature (T) from time t305 to t306 is constant power generation operation. The steady power generation operation is executed at a predetermined temperature T3 (≧ T2) in the temperature region, and the third cleaning mode operation is executed at time t306.
Here, at times t305 to 306, since the steady power generation operation is performed in a state where the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature are higher than those at times t300 to t302 and t303 to t304, the second cleaning mode operation is completed. The power generation operation time τ3 from the start to the third cleaning mode operation is longer than the time τ1 and τ2 until the first and second cleaning mode operations are executed.

すなわち、本実施形態による第4例のクリーニングモード運転においては、クリーニングモード運転以外の水素供給割合及び発電室温度が定常発電運転領域内で実行される発電運転において、水素供給割合及び発電室温度が定常発電運転領域内の比較的低い領域で実行される低負荷発電運転が燃料電池モジュール2による運転の履歴中に占める割合が高い程、発電運転が開始してから初回のクリーニングモード運転が開始するまでの発電運転時間τ1や前回のクリーニングモード運転が終了してからn回目(n≧2)のクリーニングモード運転が開始するまでの時間τnが予め定められた時間(5000時間)よりも短い時間に変更できるようになっている。   That is, in the cleaning mode operation of the fourth example according to the present embodiment, in the power generation operation in which the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature other than the cleaning mode operation are executed in the steady power generation operation region, the hydrogen supply ratio and the power generation chamber temperature are The higher the proportion of low-load power generation operation performed in a relatively low region within the steady power generation operation region in the operation history of the fuel cell module 2, the first cleaning mode operation starts after the power generation operation starts. Power generation operation time τ1 and time τn from the end of the previous cleaning mode operation to the start of the nth (n ≧ 2) cleaning mode operation are shorter than a predetermined time (5000 hours). It can be changed.

上述した本実施形態による第4例のクリーニングモード運転によれば、燃料電池モジュール2による運転の履歴に占める低負荷発電運転の割合が高い程、燃料電池セル集合体12が高温に曝される時間が短くなるため、燃料電池セルユニット16の硫黄の付着量も多くなるが、発電運転が開始してから初回のクリーニングモード運転が開始するまでの発電運転時間τ1や前回のクリーニングモード運転が終了してからn回目(n≧2)のクリーニングモード運転が開始するまでの時間τnを予め定められた時間(5000時間)よりも、より短い時間に変更し、クリーニングモード運転の実行を早めたりすることができるため、実際の燃料電池セルユニット16の硫黄付着量に応じた適切な運転を行うことができる。   According to the cleaning mode operation of the fourth example according to this embodiment described above, the time during which the fuel cell assembly 12 is exposed to a higher temperature as the ratio of the low load power generation operation to the operation history by the fuel cell module 2 is higher. However, the amount of sulfur attached to the fuel cell unit 16 also increases, but the power generation operation time τ1 from the start of the power generation operation to the start of the first cleaning mode operation or the previous cleaning mode operation ends. The time τn until the nth (n ≧ 2) cleaning mode operation starts is changed to a shorter time than the predetermined time (5000 hours), and the execution of the cleaning mode operation is accelerated. Therefore, it is possible to perform an appropriate operation in accordance with the actual sulfur adhesion amount of the fuel cell unit 16.

つぎに、図10により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第5例のクリーニングモード運転時の動作を説明する。
図8は本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の第5例のクリーニングモード運転時の動作を示すタイムチャートである。
Next, the operation during the cleaning mode operation of the fifth example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a time chart showing the operation during the cleaning mode operation of the fifth example of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment.

図10に示すように、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)1による第5例のクリーニングモード運転においては、まず、図3により説明した燃料電池モジュール2の起動運転後、時刻t400で発電運転を開始し、時刻tnでn回目(n≧1)のクリーニングモード運転を開始する前の発電運転時間τn(=5000時間)とセル電圧(V)の下限電圧値V0(=0.76V)については、クリーニングモード運転を開始するか否かを判断するための基準値として予め定められている。   As shown in FIG. 10, in the cleaning mode operation of the fifth example by the solid oxide fuel cell (SOFC) 1 of this embodiment, first, after the start-up operation of the fuel cell module 2 described with reference to FIG. The power generation operation is started, and the power generation operation time τn (= 5000 hours) and the lower limit voltage value V0 (= 0.76 V) of the cell voltage (V) before starting the n-th (n ≧ 1) cleaning mode operation at time tn. ) Is determined in advance as a reference value for determining whether or not to start the cleaning mode operation.

さらに、時刻tnでn回目(n≧1)のクリーニングモード運転が開始されてから、時刻t(n+1)でこのn回目のクリーニングモード運転を終了するまでn回目のクリーニングモード運転を継続する継続時間は予め所定時間(2〜3時間)に定められている。
一方、このn回目のクリーニングモード運転が継続時間中の時刻t(n+1)でセル電圧が所定電圧(V1)まで上昇している場合には、制御部60が電力状態検出センサ76からその信号を受信し、燃料電池セル集合体12に付着する硫黄が除去されてセル電圧が回復しているものと判断し、予め定められたクリーニングモードの運転の所定継続時間(2〜3時間)にかかわらず、n回目のクリーニングモード運転を強制的に終了するようになっている。
Furthermore, the duration of continuing the nth cleaning mode operation from the start of the nth (n ≧ 1) cleaning mode operation at time tn until the end of the nth cleaning mode operation at time t (n + 1). Is determined in advance for a predetermined time (2 to 3 hours).
On the other hand, when the cell voltage has increased to the predetermined voltage (V1) at time t (n + 1) during the n-th cleaning mode operation, the control unit 60 sends a signal from the power state detection sensor 76. It is received and judged that sulfur adhering to the fuel cell assembly 12 has been removed and the cell voltage has been recovered, regardless of a predetermined duration (2 to 3 hours) of operation in a predetermined cleaning mode. The nth cleaning mode operation is forcibly terminated.

上述した本実施形態による第5例のクリーニングモード運転によれば、クリーニングモード運転が継続中であっても燃料電池モジュールの電圧が所定電圧に達すると、予め定められたクリーニングモード運転の所定の継続時間にかかわらず、クリーニングモード運転を強制的に終了するため、燃料電池セル集合体12を無駄に高温に曝すのを防ぐことができ、燃料電池セルユニット16の劣化を防ぐことができる。   According to the cleaning mode operation of the fifth example according to this embodiment described above, when the voltage of the fuel cell module reaches a predetermined voltage even if the cleaning mode operation is continued, a predetermined continuation of the predetermined cleaning mode operation is performed. Regardless of the time, the cleaning mode operation is forcibly terminated, so that it is possible to prevent the fuel cell assembly 12 from being unnecessarily exposed to a high temperature and to prevent deterioration of the fuel cell unit 16.

なお、以上説明した第1例〜第5例のクリーニングモード運転を実行する本実施形態においては、n回目(n≧1)のクリーニングモード運転を実行する前の発電時間τnが所定時間に達するか、又は、セル電圧が所定電圧に達した場合に、クリーニングモード運転を実行するために燃料ガス分散室23から燃料電池セル集合体12に供給される水素供給割合を強制的に上昇させる手段として、制御部60から水素供給手段(水素流量調整ユニット48)に送られる信号により、水素流量調整ユニット48から燃料ガス分散室23に供給される水素を増量させる形態について説明したが、このような形態に限定されず、他の形態についても適用可能である。   In the present embodiment in which the cleaning mode operation of the first to fifth examples described above is executed, is the power generation time τn before the n-th (n ≧ 1) cleaning mode operation reaches a predetermined time? Alternatively, as a means for forcibly increasing the hydrogen supply rate supplied from the fuel gas dispersion chamber 23 to the fuel cell assembly 12 in order to execute the cleaning mode operation when the cell voltage reaches a predetermined voltage, The embodiment has been described in which the amount of hydrogen supplied from the hydrogen flow rate adjustment unit 48 to the fuel gas dispersion chamber 23 is increased by a signal sent from the control unit 60 to the hydrogen supply means (hydrogen flow rate adjustment unit 48). The present invention is not limited and can be applied to other forms.

例えば、クリーニングモード運転を実行する際に、燃料流量調整ユニット38から改質器20を経て燃料ガス分散室23に供給される燃料ガスの代わりに、その分だけ水素流量調整ユニット48から燃料ガス分散室23を経て燃料電池セル集合体12に水素を直接的に供給するようにしてもよい。ただし、このように燃料ガスの代わりに燃料電池セル集合体12に直接的に水素を供給する場合には、燃料電池セルユニット16が改質反応を伴わない分、セルの温度(発電室温度)が急上昇したり、高温によるセルの劣化が生じる可能性もある。したがって、このようなセルの温度上昇を抑制するために、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気ヘッダ19に供給される発電用空気を増量させて燃料電池セルユニット16を冷却することにより、燃料電池セル集合体12の温度変化をさせずに水素供給割合のみを増加させてクリーニングモード運転を実行することができる。   For example, when performing the cleaning mode operation, instead of the fuel gas supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38 to the fuel gas dispersion chamber 23 via the reformer 20, the fuel gas dispersion unit 48 distributes the fuel gas accordingly. Hydrogen may be directly supplied to the fuel cell assembly 12 through the chamber 23. However, when hydrogen is directly supplied to the fuel cell assembly 12 instead of the fuel gas in this way, the temperature of the cell (power generation chamber temperature) is equivalent to the amount that the fuel cell unit 16 does not undergo the reforming reaction. May rise rapidly, or the cell may deteriorate due to high temperature. Therefore, in order to suppress such a temperature rise of the cell, by increasing the amount of power generation air supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the power generation air header 19 and cooling the fuel cell unit 16, The cleaning mode operation can be executed by increasing only the hydrogen supply ratio without changing the temperature of the fuel cell assembly 12.

また、クリーニングモード運転を実行するために燃料ガス分散室23から燃料電池セル集合体12に供給される水素供給割合を強制的に上昇させる水素供給割合調整手段として、改質器20の温度を上昇させて改質器20における改質率を高めることにより、燃料ガスから改質された水素の供給割合を高めるようにしてもよい。この場合、改質器20そのものを加熱する加熱手段や改質器20に供給される燃料ガスや改質用空気を加熱するためのヒーターやバーナー等の加熱手段を別途設けることにより、実現可能である。   Further, the temperature of the reformer 20 is increased as a hydrogen supply ratio adjusting means for forcibly increasing the hydrogen supply ratio supplied from the fuel gas dispersion chamber 23 to the fuel cell assembly 12 in order to execute the cleaning mode operation. By increasing the reforming rate in the reformer 20, the ratio of supplying hydrogen reformed from the fuel gas may be increased. In this case, it can be realized by separately providing a heating means for heating the reformer 20 itself, or a heating means such as a heater or a burner for heating the fuel gas or reforming air supplied to the reformer 20. is there.

さらに、本実施形態において、改質器20に供給される燃料ガスや発電用空気ヘッダ19に供給される発電用空気を加熱するためのヒーターやバーナー等の加熱手段を別途設けることにより、クリーニングモード運転を行う際に水素供給割合や発電室温度をさらに効果的に上昇させるように工夫してもよい。   Further, in the present embodiment, by separately providing a heating means such as a heater or a burner for heating the fuel gas supplied to the reformer 20 and the power generation air supplied to the power generation air header 19, a cleaning mode is provided. You may devise so that a hydrogen supply rate and a power generation room temperature may be raised more effectively at the time of operation.

また、本実施形態による第1例〜第5例のクリーニングモード運転に加えて、燃料電池モジュール2の発電が長期的に行われ、燃料電池セルユニット16の所定の経年時間(例えば、40000時間)が経つにつれて燃料電池セルユニット16に硫黄が付着しやすくなることを考慮し、燃料電池モジュール2による発電運転が行われる経年時間の長さが長くなる程、前回のクリーニングモード運転を終了してから次回のクリーニングモード運転を開始するまでの発電時間の間隔を短くするように設定し、クリーニングモード運転を実行してもよい。これより、経年時間が経った燃料電池セル集合体12については、クリーニングモード運転の実行を早めることにより、実際の燃料電池セルユニット16の硫黄の付着量に応じた適切な運転を行うことができる。   Further, in addition to the cleaning mode operation of the first to fifth examples according to the present embodiment, the fuel cell module 2 generates power for a long period of time, and a predetermined aging time of the fuel cell unit 16 (for example, 40000 hours). In consideration of the fact that sulfur tends to adhere to the fuel cell unit 16 over time, the longer the aging time during which the power generation operation by the fuel cell module 2 is performed, the longer the previous cleaning mode operation ends. The cleaning mode operation may be executed by setting the power generation time interval until the next cleaning mode operation is started. Thus, the fuel cell assembly 12 that has passed over time can be appropriately operated according to the amount of sulfur adhering to the actual fuel cell unit 16 by advancing the execution of the cleaning mode operation. .

さらに、本実施形態による第1例〜第5例のクリーニングモード運転に加えて、制御部60を適宜手動操作することにより、クリーニングモード運転を強制的に実行することができるようにしてもよい。これにより、脱硫器36が故障する等、燃料ガスの脱硫工程に不具合が生じた場合であっても、適宜燃料電池セル集合体12に付着している硫黄を確実に除去することができる。   Furthermore, in addition to the cleaning mode operations of the first to fifth examples according to the present embodiment, the cleaning mode operation may be forcibly executed by manually operating the controller 60 as appropriate. Thereby, even if a failure occurs in the desulfurization process of the fuel gas, such as a failure of the desulfurizer 36, the sulfur adhering to the fuel cell assembly 12 can be reliably removed as appropriate.

なお、上述した本実施形態では、一例として、脱硫器36が燃料流量調整ユニット38の上流側に設けられた形態について説明したが、このような形態に限定されず、脱硫器36が燃料流量調整ユニット38の下流側に設けられてもよい。   In the above-described embodiment, an example in which the desulfurizer 36 is provided on the upstream side of the fuel flow rate adjustment unit 38 has been described as an example. However, the present invention is not limited to such a configuration. It may be provided on the downstream side of the unit 38.

1 固体電解質型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(固体電解質型燃料電池セル)
18 燃焼室
19 発電用空気ヘッダ
20 改質器
21 予熱器
22 蒸発器
23 燃料ガス分散室
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット(燃料ガス供給手段)
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用空気供給手段)
46 水素供給源
47 電磁弁
48 水素流量調整ユニット(水素供給手段)
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
60 制御部
62 操作装置
64 表示装置
66 警報装置
76 電力状態検出センサ
92 発電室温度センサ
100 外気温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide type fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary unit 8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (solid oxide fuel cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Combustion chamber 19 Power generation air header 20 Reformer 21 Preheater 22 Evaporator 23 Fuel gas dispersion chamber 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 36 Desulfurizer 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel) Gas supply means)
40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit (power generation air supply means)
46 Hydrogen supply source 47 Solenoid valve 48 Hydrogen flow rate adjustment unit (hydrogen supply means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 Hot water manufacturing apparatus 52 Control box 54 Inverter 60 Control part 62 Operation apparatus 64 Display apparatus 66 Alarm apparatus 76 Electric power state detection sensor 92 Power generation room temperature sensor 100 Outside temperature sensor

Claims (10)

燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
燃料ガスに含まれる硫黄を除去する脱硫器と、
燃料ガスを改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
この改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を調整する水素供給割合調整手段と、
所定の条件に達したとき、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を増加させることにより、上記燃料電池セル集合体に付着している硫黄を除去するクリーニングモード運転を実行する制御部と、
を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell that generates electricity by reacting fuel gas and air,
A fuel cell assembly that is disposed in a power generation chamber in the fuel cell module and includes a plurality of solid electrolyte fuel cells;
A desulfurizer for removing sulfur contained in the fuel gas;
A reformer for reforming fuel gas and supplying the fuel cell assembly to the reformer;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the reformer;
Power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly;
A hydrogen supply rate adjusting means for adjusting a supply rate of hydrogen supplied to the fuel cell assembly;
Control that executes a cleaning mode operation for removing sulfur adhering to the fuel cell assembly by increasing a supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly when a predetermined condition is reached. And
A solid oxide fuel cell comprising:
上記制御部が上記クリーニングモード運転を実行するための所定の条件は、所定の発電運転時間が経過したときである請求項1記載の固体電解質型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the predetermined condition for the control unit to execute the cleaning mode operation is when a predetermined power generation operation time has elapsed. 上記制御部が上記クリーニングモード運転を実行するための所定の条件は、上記燃料電池セルの電圧が所定電圧に達したときである請求項1記載の固体電解質型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the predetermined condition for the control unit to execute the cleaning mode operation is when the voltage of the fuel cell reaches a predetermined voltage. 上記水素供給割合調整手段は、上記燃料電池セル集合体に水素を供給する水素供給手段であり、上記制御部は、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域よりも高い水素供給割合まで増加させるように上記水素供給手段を制御し、上記クリーニングモード運転を実行する請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   The hydrogen supply rate adjusting means is hydrogen supply means for supplying hydrogen to the fuel cell assembly, and the control unit determines a supply rate of hydrogen supplied to the fuel cell assembly by the fuel cell module. 4. The cleaning mode operation according to claim 1, wherein the hydrogen supply unit is controlled so as to increase to a hydrogen supply rate higher than a hydrogen supply rate range in which steady power generation operation is possible, and the cleaning mode operation is executed. The solid oxide fuel cell as described. 上記制御部は、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合が上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内の所定水素供給割合未満である低負荷発電運転が行われている場合には、上記燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合を上記定常的な発電運転が可能な水素供給割合領域内の所定の水素供給割合以上まで上昇させて上記クリーニングモード運転を実行する請求項1乃至3の何れか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   The control unit is a low-load power generation in which a supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly is less than a predetermined hydrogen supply ratio in a hydrogen supply ratio region in which steady power generation operation by the fuel cell module is possible When the operation is performed, the hydrogen supply ratio supplied to the fuel cell assembly is increased to a predetermined hydrogen supply ratio or more in the hydrogen supply ratio region where the steady power generation operation is possible. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the cleaning mode operation is executed. 上記制御部は、クリーニングモード運転を実行するための上記所定の発電運転時間を、上記燃料電池モジュールによる運転の履歴に基づいて変更する請求項2に記載の固体電解質型燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the control unit changes the predetermined power generation operation time for executing the cleaning mode operation based on a history of operation by the fuel cell module. 上記制御部は、クリーニングモード運転を実行するための上記所定の発電運転時間を、燃料電池セル集合体に供給される水素の供給割合が上記燃料電池モジュールによる定常的な発電運転が可能な水素供給割合の領域内の所定の水素供給割合未満であるときに行われる低負荷発電運転の上記燃料電池モジュールによる運転の履歴中に占める割合が高い程、より短い時間に変更する請求項2記載の固体電解質型燃料電池。   The control unit is configured to supply the predetermined power generation operation time for performing the cleaning mode operation, a hydrogen supply rate at which a supply ratio of hydrogen supplied to the fuel cell assembly allows a steady power generation operation by the fuel cell module. 3. The solid according to claim 2, wherein the shorter the time is, the higher the ratio of the low-load power generation operation performed in the operation history by the fuel cell module performed when the ratio is less than the predetermined hydrogen supply ratio in the ratio area. Electrolytic fuel cell. 上記制御部は、上記クリーニングモード運転を所定の継続時間実行すると共に、このクリーニングモード運転実行中に上記燃料電池セルの電圧が所定電圧に達すると、上記所定の継続時間内であっても、上記クリーニングモード運転を強制的に終了する請求項1乃至7の何れか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   The control unit executes the cleaning mode operation for a predetermined duration, and when the voltage of the fuel cell reaches a predetermined voltage during the execution of the cleaning mode operation, The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the cleaning mode operation is forcibly terminated. 上記制御部は、クリーニングモード運転を実行するための条件である上記所定の発電運転時間を、上記燃料電池モジュールによる発電運転が行われる経年時間が長い程、より短い時間に設定する請求項2乃至8の何れか1項に記載の固体電解質型燃料電池。   The control unit sets the predetermined power generation operation time, which is a condition for executing the cleaning mode operation, to a shorter time as the aging time during which the power generation operation by the fuel cell module is performed is longer. 9. The solid oxide fuel cell according to any one of 8 above. 上記制御部が上記クリーニングモード運転を実行するための所定の条件は、手動操作であり、上記制御部は、この手動操作より上記クリーニングモード運転を強制的に実行する請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。   2. The solid electrolyte according to claim 1, wherein the predetermined condition for the control unit to execute the cleaning mode operation is a manual operation, and the control unit forcibly executes the cleaning mode operation by the manual operation. Type fuel cell.
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