JP2012221791A - Olid oxide fuel cell device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell device capable of continuing operation with high power generation efficiency while maintaining excellent power generation capacity by preventing the degradation in power generation performance during operation.SOLUTION: A control means provided in a solid oxide fuel cell device starts power generation operation after a start mode operation before power generation is executed, and detects the lapsed time tr from the power generation start time then. When the lapsed time tr is compared with a predetermined value t1, and tr is larger than t1, the control means assumes that a fuel battery cell is in an oxide excessive state, and in that case, during executing the start mode operation, refresh control is executed by supplying fuel gas to a fuel electrode layer so that the fuel battery cell has a prescribed reduction promoting condition.

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell device that generates power using a fuel gas and an oxidant gas.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」ともいう)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、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。   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, and supplies fuel gas to one side. This is a fuel cell device that generates power by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side and generating a power generation reaction at a relatively high temperature.

具体的には、SOFCは、一般に、内側電極層である燃料極層と外側電極層である空気極層との間に固体電解質層が挟持されてなる管状の燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス(空気、酸素等)とが、その燃料電池セルの一端側から他端側へと流れることによって作動する。SOFCの外部からは、原料ガスである被改質ガス(都市ガス等)が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、それが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。   Specifically, the SOFC generally includes a plurality of tubular fuel cells each having a solid electrolyte layer sandwiched between a fuel electrode layer that is an inner electrode layer and an air electrode layer that is an outer electrode layer. The fuel cell and the oxidant gas (air, oxygen, etc.) are operated by flowing from one end side to the other end side of the fuel cell. From the outside of the SOFC, a gas to be reformed (city gas, etc.), which is a raw material gas, is supplied, and the gas to be reformed is introduced into a reformer containing a reforming catalyst, and reformed into a hydrogen-rich fuel gas. After being refined, it is configured to be supplied to the fuel cell assembly.

また、SOFCは、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質(Partial Oxidation Reforming:POX)反応工程、オートサーマル改質(Auto Thermal Reforming:ATR)反応工程、及び、水蒸気改質(Steam Reforming:SR)反応工程を経て、発電工程へ移行するように構成されている。SOFCでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。   In addition, the SOFC includes a plurality of processes for reforming the fuel gas in the reformer in the start-up process, that is, a partial oxidation reforming (POX) reaction process, an auto thermal reforming (ATR). The reaction process and the steam reforming (SR) reaction process are followed to shift to the power generation process. In SOFC, the reformer, the fuel cell stack, and the like disposed in the fuel cell module storage chamber can be heated to the operating temperature by sequentially executing these steps.

ここで、燃料電池装置では、一般に、燃料電池セルの周囲に残存する空気等により電極が酸化することに起因して発電性能が低下する傾向にある。かかる事象に関し、例えば、特許文献1には、燃料電池セルの燃料極層に供給される還元性ガス(水素ガス)が少ないと、酸化剤ガスである空気が、燃料電池セルの外部から燃料極層に侵入してしまい、また、固体電解質層を通過する酸素イオンが燃料ガスと結合しないと、燃料極層に酸素イオンが拡散してしまうことが記載されている。特許文献1によれば、このようにして燃料極層に侵入した空気中の酸素ガスや酸素イオンは、金属を含む燃料極層を酸化させ、その結果、燃料極層中に形成された酸化物によって電極反応が抑制されるため、燃料電池の発電性能が劣化してしまうことが指摘されている。   Here, in the fuel cell device, in general, the power generation performance tends to decrease due to the oxidation of the electrode by the air remaining around the fuel cell. With regard to such an event, for example, Patent Document 1 discloses that when the reducing gas (hydrogen gas) supplied to the fuel electrode layer of the fuel cell is small, the oxidant gas is supplied from the outside of the fuel cell to the fuel electrode. It is described that oxygen ions diffuse into the fuel electrode layer unless oxygen ions that penetrate the layer and pass through the solid electrolyte layer are combined with the fuel gas. According to Patent Document 1, the oxygen gas and oxygen ions in the air that have entered the fuel electrode layer in this manner oxidize the fuel electrode layer containing metal, and as a result, the oxide formed in the fuel electrode layer. It has been pointed out that since the electrode reaction is suppressed by this, the power generation performance of the fuel cell deteriorates.

特開2007-311288号公報JP 2007-31288 A

ところで、SOFCの発電時には、燃料極層には燃料ガスである水素ガス等の還元性ガスが供給されるので、その還元性ガスが燃料極層内に拡散していくことにより、たとえ特許文献1に記載されたようなメカニズムによって燃料極層が酸化されたとしても、通常の発電運転を続ければ、燃料極層は継続的に還元され、発電性能の低下は抑制されるものと推定される。しかし、本発明者らがSOFCの運転特性について詳細に検討及び評価を行ったところ、SOFCの運転を適正に継続しても、その発電性能は、経時的に且つ不可避的に徐々に低下してしまうことが確認された。   By the way, at the time of SOFC power generation, a reducing gas such as hydrogen gas that is a fuel gas is supplied to the fuel electrode layer, so that the reducing gas diffuses into the fuel electrode layer, so Even if the fuel electrode layer is oxidized by the mechanism described in (1), it is estimated that if the normal power generation operation is continued, the fuel electrode layer is continuously reduced and the decrease in power generation performance is suppressed. However, when the present inventors have examined and evaluated the operation characteristics of SOFC in detail, even if the operation of SOFC is continued properly, the power generation performance gradually and inevitably decreases gradually. It was confirmed that.

これに対し、SOFCの燃料極層における斯様な酸化物の生成を抑制するには、SOFCの運転中、燃料極層が常時強く還元される条件となるような量の燃料ガスを、定常的に供給することが有効であると考えられる。しかし、その場合には、SOFCの発電効率が低下してしまい、経済性の観点からも問題がある。   On the other hand, in order to suppress the formation of such oxides in the fuel electrode layer of the SOFC, an amount of fuel gas that is a condition that the fuel electrode layer is always strongly reduced during the operation of the SOFC is constantly increased. It is considered effective to supply to However, in that case, the power generation efficiency of the SOFC is lowered, and there is a problem from the viewpoint of economy.

そこで、本発明はかかる事情及び知見に鑑みてなされたものであり、運転中における発電性能の低下を有効に防止することができ、これにより、優れた発電能力を維持しつつ高い発電効率で運転を継続することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances and knowledge, and can effectively prevent a decrease in power generation performance during operation, thereby enabling operation with high power generation efficiency while maintaining excellent power generation capacity. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell device capable of continuing the above.

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を進めたところ、SOFCの運転時に、酸化された燃料極層おいて還元されるのは、燃料ガスの流路側のごく表面に過ぎず、酸素イオンが通過してくる固体電解質層と燃料極層との界面付近の部位では、燃料極層は還元されることなく酸化が進行し易く、そのため、発電性能が徐々に低下してしまうこと、また、燃料電池セルの一端側から他端側に向けて燃料ガスが供給されるSOFCの場合、燃料ガスの濃度が比較的低くなる下流側(他端側)において、固体電解質層と燃料極層との界面付近における燃料極層の酸化の程度が顕著であることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted extensive research. As a result, during the operation of the SOFC, it is only the very surface on the fuel gas flow path side that is reduced in the oxidized fuel electrode layer. In the vicinity of the interface between the solid electrolyte layer and the fuel electrode layer through which oxygen ions pass, the fuel electrode layer is easily reduced without being reduced, and therefore the power generation performance gradually decreases. Also, in the case of SOFC in which fuel gas is supplied from one end side to the other end side of the fuel cell, the solid electrolyte layer and the fuel electrode are disposed on the downstream side (the other end side) where the concentration of the fuel gas is relatively low. The inventors have found that the degree of oxidation of the fuel electrode layer in the vicinity of the interface with the layer is remarkable, and have completed the present invention.

すなわち、本発明による固体酸化物形燃料電池(SOFC)装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行うものであって、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質器と、燃料ガスが供給される燃料極層、酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、燃料極層と空気極層との間に設けられた固体電解質層を有し、且つ、一端側から他端側に燃料ガスが流される燃料電池セルと、燃料極層に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気極層に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、このSOFC装置の運転状態を監視及び制御する制御手段と、燃料電池セルが酸化物過多状態にあるか否かを推定する酸化推定手段とを備えており、制御手段は、酸化推定手段によって燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された場合に、所定の還元促進条件となるように燃料極層に燃料ガスを供給するリフレッシュ制御を実行するものである。   In other words, a solid oxide fuel cell (SOFC) device according to the present invention generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and reforms a raw material gas containing hydrocarbons to produce a fuel gas containing hydrogen gas. A fuel electrode layer supplied with fuel gas, an air electrode layer supplied with oxidant gas, and a solid electrolyte layer provided between the fuel electrode layer and the air electrode layer. And fuel cell in which fuel gas flows from one end side to the other end side, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode layer, and oxidant gas supply for supplying oxidant gas to the air electrode layer Means, a control means for monitoring and controlling the operating state of the SOFC device, and an oxidation estimation means for estimating whether or not the fuel cell is in an excessive oxide state. The control means comprises an oxidation estimation means. Causes the fuel cell to become over-oxidized If it is presumed that, and executes a refresh control for supplying fuel gas to the fuel electrode layer so as to have a predetermined reduction accelerated conditions.

ここで、「酸化物過多状態」とは、所定の方向に延在する燃料電池セルの両端部のうちの他端側(寄り)において、発電中に空気極層側から固体電解質層を通過して燃料極層に到達した酸素イオンと、燃料極層に含まれる金属との酸化反応によって生成される、固体電解質層と燃料極層との界面及び界面近傍における燃料極層の酸化物が、予め設定された所定量に達した状態を意味する。また、「所定の還元促進条件」とは、燃料電池セルが酸化物過多状態にない場合(非酸化物過多状態にある場合)に比して、燃料極層の酸化物が還元され易くなる(反応)条件を意味する。   Here, “excess oxide state” means that the other end side (near side) of both ends of the fuel cell extending in a predetermined direction passes through the solid electrolyte layer from the air electrode layer side during power generation. The oxide of the fuel electrode layer in the vicinity of the interface between the solid electrolyte layer and the fuel electrode layer, which is generated by an oxidation reaction between oxygen ions that have reached the fuel electrode layer and the metal contained in the fuel electrode layer, It means a state where a predetermined amount is reached. In addition, the “predetermined reduction promotion condition” means that the oxide in the fuel electrode layer is more easily reduced than when the fuel battery cell is not in an excessive oxide state (in a non-excess excessive state) ( Reaction) conditions.

このように構成されたSOFC装置においては、通常時は発電効率が高い状態で発電を行いながら、酸化推定手段及び制御手段によって燃料電池セルの状態をモニターし、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された場合には、その酸化物が比較的還元され易い還元促進条件となるように、原料ガスを改質して得られる水素ガスリッチな(還元性に富む)燃料ガス(燃料極層の酸化物の還元を目的とする意味において、還元促進用の燃料ガスとも言える)の所定量を燃料極層に供給することにより、燃料極層ひいては燃料電池セルのリフレッシュ(初期状態又はそれに近い状態への回復)が行われる。   In the SOFC device configured as described above, the state of the fuel cell is monitored by the oxidation estimation unit and the control unit while the power generation efficiency is normally high, and the fuel cell is in an excessive oxide state. If it is estimated that there is a hydrogen gas-rich (rich in reducing property) fuel gas (fuel electrode layer) obtained by reforming the raw material gas so that the oxide is in a reduction promoting condition that is relatively easy to reduce. By supplying a predetermined amount of the fuel electrode in the sense for the purpose of reducing the oxide of the fuel to the fuel electrode layer, the fuel electrode layer and thus the fuel cell is refreshed (initial state or a state close thereto) Recovery).

よって、燃料電池セルが酸化物過多状態となるまでは、発電に寄与しない燃料ガスの供給を極力抑えた状態でSOFC装置の発電効率を高めることができる一方、燃料電池セルが酸化物過多状態になった場合には、リフレッシュ制御の実行により、燃料電池セルの燃料極層の酸化物を十分に還元して、その発電性能を運転初期の高い状態に回復させることができる。   Therefore, until the fuel cell is in an excessive oxide state, the power generation efficiency of the SOFC device can be increased while suppressing the supply of fuel gas that does not contribute to power generation as much as possible, while the fuel cell is in an excessive oxide state. In this case, by performing the refresh control, the oxide in the fuel electrode layer of the fuel cell can be sufficiently reduced, and the power generation performance can be recovered to a high initial state of operation.

また、制御手段が、リフレッシュ制御を実行している時の燃料ガスの利用率を、リフレッシュ制御を実行していない時の燃料ガスの利用率よりも低下させるようにしてもよい。なお、「燃料ガスの利用率」とは、燃料電池セルに供給される燃料ガスのうち発電に寄与する燃料ガスの割合を示す。   Further, the control means may lower the fuel gas utilization rate when the refresh control is being executed than the fuel gas utilization rate when the refresh control is not being executed. The “fuel gas utilization rate” indicates the proportion of fuel gas that contributes to power generation in the fuel gas supplied to the fuel cells.

このようにすれば、リフレッシュ制御の実行時に燃料ガスの利用率を通常の発電時から変化させない場合に比して、燃料電池セルの他端側(寄り)における燃料ガスに含まれる還元性の水素ガス濃度が高められるので、燃料極層の固体電解質層との界面及びその近傍に生成した酸化物がより効果的に還元され、これにより、燃料電池セルの発電性能を確実に且つ迅速に回復させることが可能となる。   In this way, reducing hydrogen contained in the fuel gas on the other end side (closer) of the fuel cell than in the case where the utilization rate of the fuel gas is not changed from the time of normal power generation when the refresh control is executed. Since the gas concentration is increased, the oxide produced at and near the interface between the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer is more effectively reduced, thereby reliably and quickly restoring the power generation performance of the fuel cell. It becomes possible.

さらに、燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により燃料電池セルを加熱する燃焼部を備え、制御手段が、リフレッシュ制御を実行している時は、リフレッシュ制御を実行していない時よりも燃料ガスの利用率を低下させるとともに、燃料電池セルを通過する燃料ガスの流量を増加させて燃焼熱を大きくするよう構成しても好適である。   Furthermore, a combustion unit that burns the fuel gas that has passed through the fuel cell and heats the fuel cell by the combustion heat is provided, and the refresh control is not executed when the control means is executing the refresh control. It is also preferable to reduce the utilization rate of the fuel gas as compared to the time and increase the flow rate of the fuel gas passing through the fuel cells to increase the combustion heat.

このように構成すれば、燃料電池セルの他端側(寄り)における還元性の水素ガスの流量が増加するので、燃料極層の固体電解質層との界面及びその近傍に生成した酸化物がさらに効果的に還元される。また、燃料電池セルでの発電に使用されずに燃料電池セルの他端から流出する残余の燃料ガスが増加するが、その残余の燃料ガスの燃焼による燃焼熱も大きくなり、燃料電池セルがさらに加熱されて昇温されるので、燃料極層における酸化物の還元反応が促進され、その結果、燃料電池セルの発電性能をより確実に且つ迅速に回復させることが可能となる。   With this configuration, the flow rate of reducing hydrogen gas at the other end side (near side) of the fuel cell increases, so that the oxide generated at and near the interface of the fuel electrode layer with the solid electrolyte layer further increases. Effectively reduced. Further, although the residual fuel gas flowing out from the other end of the fuel cell without being used for power generation in the fuel cell increases, the combustion heat due to the combustion of the remaining fuel gas also increases, and the fuel cell further increases. Since the temperature is raised by heating, the reduction reaction of the oxide in the fuel electrode layer is promoted, and as a result, the power generation performance of the fuel cell can be recovered more reliably and quickly.

このとき、制御手段が、リフレッシュ制御を実行している時の燃料電池セルの温度を、リフレッシュ制御を実行していない時の発電電力に応じて予め定められている温度よりも高くするものであっても好ましい。   At this time, the control means makes the temperature of the fuel cell when the refresh control is executed higher than a temperature predetermined according to the generated power when the refresh control is not executed. Even preferable.

一般に、SOFCでは、燃料電池セルの発電性能が、その温度に依存する(換言すれば、燃料電池セルの温度と取り出される電力が正の相関関係を有する)傾向にあるところ、リフレッシュ制御実行時の燃料電池セルの温度を、リフレッシュ制御を実行していない時の発電電力に依らずその発電電力に応じて設定された温度よりも高めることにより、燃料極層における酸化物の還元反応が更に促進され、その結果、燃料電池セルの発電性能をより一層確実に且つ迅速に回復させることができる。   In general, in the SOFC, the power generation performance of a fuel cell tends to depend on its temperature (in other words, the temperature of the fuel cell and the extracted power have a positive correlation). By raising the temperature of the fuel cell above the temperature set according to the generated power regardless of the generated power when refresh control is not executed, the reduction reaction of the oxide in the fuel electrode layer is further promoted. As a result, the power generation performance of the fuel cell can be recovered more reliably and quickly.

この場合さらに、制御手段が、リフレッシュ制御を実行している時の燃料電池セルの温度を、リフレッシュ制御を実行していない時の発電電力の上限に応じて予め定められている温度よりも高くするように制御しても好ましい。   In this case, further, the control means sets the temperature of the fuel cell when the refresh control is being executed to be higher than the temperature predetermined according to the upper limit of the generated power when the refresh control is not being executed. Such control is also preferable.

リフレッシュ制御の実行時における燃料電池セルの温度を、このように制御すれば、燃料極層における酸化物の還元反応が、通常の発電運転時よりも確実に促進されるので、燃料電池セルの発電性能を更に一層確実に且つ迅速に回復させることができる。   If the temperature of the fuel cell at the time of performing the refresh control is controlled in this way, the reduction reaction of the oxide in the fuel electrode layer is more reliably promoted than in the normal power generation operation. Performance can be recovered even more reliably and quickly.

またさらに、制御手段が、リフレッシュ制御を実行している時に、燃料電池セルにおける発電を、燃料電池セルが酸化物過多状態にない場合に比して抑制するものであっても好適である。   Furthermore, it is also preferable that the control means suppresses power generation in the fuel battery cell when the refresh control is executed as compared with a case where the fuel battery cell is not in an excessive oxide state.

このようにして発電を抑制することで、燃料電池セルの燃料極層へ新たに供給される酸素イオンの量が低減されるので、燃料極層の還元を行うためのリフレッシュ制御の実行時に、燃料極層における新たな酸化物の生成が有効に抑制される。その結果、燃料電池セルの発電性能を殊更に迅速に回復させ得る利点がある。   By suppressing power generation in this manner, the amount of oxygen ions newly supplied to the fuel electrode layer of the fuel cell is reduced, so that the fuel can be reduced during the refresh control for reducing the fuel electrode layer. Formation of new oxides in the extreme layer is effectively suppressed. As a result, there is an advantage that the power generation performance of the fuel cell can be recovered particularly quickly.

さらにまた、制御手段が、燃料電池セルを発電可能な温度に加熱する起動モード運転を実行するように構成されており、且つ、酸化推定手段によって燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された後の最初の起動モード運転時に、上述したリフレッシュ制御を実行するものであると有用である。   Furthermore, the control means is configured to execute a start-up mode operation in which the fuel cell is heated to a temperature capable of generating power, and the fuel cell is estimated to be in an excessive oxide state by the oxidation estimation means. It is useful that the refresh control described above is executed during the first start-up mode operation.

かかる制御手段を備えると、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された後、直ちにリフレッシュ制御を実行することなく、次の起動モード運転時にリフレッシュ制御が実行されるので、その起動モード運転までは、低発電効率ながらも発電を継続することが可能であり、これにより、不意な発電停止を回避してSOFC装置の実使用上(運用上)の不便を軽減することができる。また、発電に先駆けて、起動モード運転時に燃料電池セルの発電性能(能力)を回復させることができるので、効率よい発電を実現することが可能となる。   With such a control means, after it is estimated that the fuel cell is in an excessive oxide state, the refresh control is executed at the next start mode operation without performing the refresh control immediately. Up to this point, it is possible to continue power generation with low power generation efficiency, thereby avoiding an unexpected power generation stop and reducing inconvenience in practical use (operation) of the SOFC device. In addition, prior to power generation, the power generation performance (capability) of the fuel cell can be recovered during the start-up mode operation, so that efficient power generation can be realized.

或いは、制御手段が、リフレッシュ制御を実行する起動モード運転において燃料極層に供給する燃料ガスの供給量を、リフレッシュ制御を実行しない起動モード運転において燃料極層に供給する燃料ガスの供給量よりも大きくするような制御を行うものであってもよい。   Alternatively, the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode layer in the start-up mode operation in which the refresh control is executed is greater than the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode layer in the start-up mode operation in which the refresh control is not executed. You may perform control which enlarges.

そうすることにより、リフレッシュ制御を実行しない通常の起動モード運転では、燃料電池セルの加熱に必要十分な量の燃料ガスを供給して燃料ガスの使用量の増大を抑止しつつ、リフレッシュ制御を行う起動モード運転では、燃料電池セルへの燃料ガスの供給量を増大させることによって燃料極層の酸化物の還元力を高めることができるので、経済性を向上させると共に、燃料極層の酸化物を確実に還元してその発電性能を回復させ易くなる。   By doing so, in normal start-up mode operation in which refresh control is not performed, refresh control is performed while supplying a sufficient amount of fuel gas necessary for heating the fuel cells to suppress an increase in the amount of fuel gas used. In the start-up mode operation, the reducing power of the fuel electrode layer oxide can be increased by increasing the supply amount of the fuel gas to the fuel cell, thereby improving the economy and reducing the fuel electrode layer oxide. The power generation performance is easily recovered by reliably reducing the power generation performance.

このとき、起動モード運転において、部分酸化改質反応(POX)工程、オートサーマル改質反応(ATR)工程、及び、水蒸気改質反応(SR)工程を実行し、且つ、リフレッシュ制御を実行する起動モード運転における水蒸気改質反応(SR)工程の実行時間を、リフレッシュ制御を実行しない通常の起動モード運転における水蒸気改質反応(SR)工程の実行時間よりも長くするように、制御手段を構成しても好適である。なお、各工程の詳細については、後述する。   At this time, in the start-up mode operation, the partial oxidation reforming reaction (POX) process, the autothermal reforming reaction (ATR) process, and the steam reforming reaction (SR) process are executed and the refresh control is executed. The control means is configured to make the execution time of the steam reforming reaction (SR) process in the mode operation longer than the execution time of the steam reforming reaction (SR) process in the normal start-up mode operation without executing the refresh control. Is also suitable. Details of each process will be described later.

この場合、後述する各反応式より化学量論的にも明らかなとおり、上述の3つの工程のなかでも、改質器への原料ガスの供給量に対して得られる水素ガスの収率が最も高い水蒸気改質反応(SR)工程を、リフレッシュ制御を実行する起動モード運転において比較的長時間行うことにより、燃料電池セルの燃料極層への水素ガスの供給量をより高めることができ、効率よく且つ確実に燃料極層の酸化物を還元させて発電性能を効果的に回復させることができる。   In this case, as is apparent from the stoichiometry from each reaction formula described later, the yield of hydrogen gas obtained with respect to the supply amount of the raw material gas to the reformer is the highest among the above three steps. By performing a high steam reforming reaction (SR) process for a relatively long time in the start-up mode operation in which refresh control is performed, the amount of hydrogen gas supplied to the fuel electrode layer of the fuel cell can be further increased, and the efficiency The power generation performance can be effectively recovered by reducing the oxide of the fuel electrode layer well and reliably.

より具体的には、酸化推定手段は、運転開始後の累積発電時間、又は、実行したリフレッシュ制御後の累積発電時間が予め設定された所定値に達したときに、燃料電池セルが酸化物過多状態であると推定するものであると有用である。   More specifically, the oxidation estimating means determines that the fuel cell has excessive oxide when the accumulated power generation time after the start of operation or the accumulated power generation time after the executed refresh control reaches a predetermined value set in advance. It is useful to presume that it is a state.

本発明者らの知見によれば、SOFCにおいては、累積発電時間(発電時間の累積値)が大きくなるほど、燃料電池セルの燃料極層への酸素イオンの累積供給量(供給量の累積値)も大きくなることに起因して多量の酸化物が生成されているものと推測される。したがって、酸化推定手段により、運転開始後の累積発電時間、又は、実行したリフレッシュ制御後の累積発電時間が、予め設定された所定値に達したときに、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定すれば、その推定精度(確度)を十分に且つ極めて簡便に高めることが可能となるので、燃料電池セルの発電性能を適時に且つ更に効果的に回復させることができる。   According to the knowledge of the present inventors, in SOFC, as the cumulative power generation time (cumulative value of power generation time) increases, the cumulative supply amount of oxygen ions (cumulative value of supply amount) to the fuel electrode layer of the fuel cell. It is presumed that a large amount of oxide is generated due to the increase in size. Therefore, when the cumulative power generation time after the start of operation or the cumulative power generation time after the executed refresh control reaches the predetermined value set in advance by the oxidation estimating means, the fuel cell is in an excessive oxide state. Therefore, the estimation accuracy (accuracy) can be sufficiently and extremely easily increased, and the power generation performance of the fuel cell can be recovered in a timely and more effective manner.

その際、運転開始後のリフレッシュ制御の累積実行回数(実行回数の累積値)に応じて、その推定に用いる所定値を変化させるように酸化推定手段を構成しても好適である。具体的には、例えば、リフレッシュ制御の実行回数が比較的多い場合には、リフレッシュ制御の実行回数が比較的少ない場合に比して、燃料電池セルの酸化物過多状態を推定してリフレッシュ制御への移行を判定するための累積発電時間の所定値をより小さくする例が挙げられる。   At this time, it is also preferable to configure the oxidation estimating means so as to change a predetermined value used for the estimation in accordance with the cumulative number of executions of the refresh control after the start of operation (accumulated value of the number of executions). Specifically, for example, when the number of executions of the refresh control is relatively large, the excessive oxide state of the fuel cell is estimated and the refresh control is performed compared to the case where the number of executions of the refresh control is relatively small. An example is given in which the predetermined value of the accumulated power generation time for determining the transition is reduced.

本発明者らの更なる知見によれば、燃料電池セルが長く使用されて累積発電時間が大きくなると、リフレッシュ制御の実行によっても還元されずに燃料極層と固体電解質層との界面及びその近傍に残留する酸化物が増加していく傾向にある。したがって、燃料電池セルの酸化物過多状態を推定してリフレッシュ制御への移行を判定するための累積発電時間の所定値を、運転開始後のリフレッシュ制御の累積実行回数に応じて可変にすることにより、残留する酸化物の増加に対応して、燃料電池セルが酸化物過多状態にあるか否かを更に正確に推定することが可能となり、燃料電池セルの発電性能を一層適切に且つ効果的に回復させることができる。   According to the further knowledge of the present inventors, when the fuel cell is used for a long time and the accumulated power generation time becomes long, the interface between the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer and the vicinity thereof are not reduced by the execution of the refresh control. There is a tendency for the oxide remaining in the substrate to increase. Accordingly, by making the predetermined value of the accumulated power generation time for estimating the transition to the refresh control by estimating the excessive oxide state of the fuel battery cell according to the accumulated number of executions of the refresh control after the start of operation, In response to the increase in the remaining oxide, it becomes possible to more accurately estimate whether or not the fuel cell is in an excessive oxide state, and the power generation performance of the fuel cell is more appropriately and effectively Can be recovered.

さらに、酸化推定手段は、運転開始後の総発電量、又は、前回実行したリフレッシュ制御後の総発電量が予め設定された所定値に達したときに、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定するものであっても好ましい。   Further, the oxidation estimating means indicates that the fuel cell is in an excessive oxide state when the total power generation amount after the start of operation or the total power generation amount after the refresh control executed last time reaches a predetermined value set in advance. It is preferable even if it is estimated.

SOFCにおいては、総発電量が大きくなるほど、燃料電池セルの燃料極層への酸素イオンの累積供給量も大きくなることから、この場合にも、燃料極層においては多量の酸化物が生成されているものと推測される。したがって、酸化推定手段により、運転開始後の総発電量、又は、前回実行したリフレッシュ制御後の総発電量が予め設定された所定値に達したときに、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定しても、その推定精度(確度)を十分に且つ極めて簡便に高めることが可能となるので、燃料電池セルの発電性能を適時に且つ更に効果的に回復させることができる。   In the SOFC, as the total power generation amount increases, the cumulative supply amount of oxygen ions to the fuel electrode layer of the fuel cell also increases. In this case as well, a large amount of oxide is generated in the fuel electrode layer. Presumed to be. Therefore, when the total power generation after the start of operation or the total power generation after the refresh control executed last time reaches a predetermined value set in advance by the oxidation estimating means, the fuel cell is in an excessive oxide state. Even if it is estimated, the estimation accuracy (accuracy) can be increased sufficiently and very easily, and the power generation performance of the fuel cell can be recovered in a timely and more effective manner.

加えて、酸化推定手段は、発電時に燃料電池セルから電力を取り出している時の出力電圧が、取り出される電力の値に応じて予め設定された基準値よりも小さいときに、換言すれば、燃料電池セルからの出力電圧の低下(降下)が、所定量よりも大きくなったときに、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定するものであってもよい。   In addition, the oxidation estimating means, when the output voltage when taking out the electric power from the fuel cell at the time of power generation is smaller than the reference value preset according to the value of the taken out electric power, in other words, the fuel When the decrease (drop) in the output voltage from the battery cell becomes larger than a predetermined amount, it may be estimated that the fuel battery cell is in an excessive oxide state.

燃料電池セルから電力を取り出すと、その取り出された電力値に応じてセルの出力電圧は低下(降下)するところ、本発明者らの更なる知見によれば、燃料極層において生成する酸化物が比較的少量の場合、その際の電圧低下は、燃料極層において生成する酸化物が比較的多量の場合に比して小さく、出力電圧は比較的高い範囲に留まる傾向にある。したがって、燃料電池セルからの出力電圧が、その時の電力値に応じて予め設定された基準値よりも小さいときに、燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定すれば、その推定精度(確度)が更に高められ得るので、燃料電池セルの発電性能を適時に且つ更に効果的に回復させることができる。   When power is extracted from the fuel cell, the output voltage of the cell decreases (decreases) according to the extracted power value. According to the further knowledge of the present inventors, the oxide generated in the fuel electrode layer Is relatively small, the voltage drop at that time is smaller than that of a relatively large amount of oxide generated in the fuel electrode layer, and the output voltage tends to stay in a relatively high range. Therefore, when the output voltage from the fuel cell is smaller than a reference value set in advance according to the power value at that time, if it is estimated that the fuel cell is in an excessive oxide state, its estimation accuracy (accuracy) ) Can be further improved, and the power generation performance of the fuel cell can be recovered in a timely and more effective manner.

本発明によれば、SOFC装置の燃料電池セルが酸化物過多状態にあるか否かを推定する酸化推定手段によって燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された場合に、装置の運転状態を監視及び制御する制御手段が、所定の還元促進条件となるように燃料電池セルの燃料極層に燃料ガスを供給するリフレッシュ制御を実行することにより、その燃料極層と固体電解質層との界面及びその近傍に存在する酸化物が十分に還元されるので、SOFC装置の運転中における発電性能の低下を有効に防止することができ、これにより、優れた発電能力を維持しつつ高い発電効率でSOFC装置の発電運転を継続することが可能となる。   According to the present invention, when the fuel cell of the SOFC device is estimated to be in an excessive oxide state by the oxidation estimation means for estimating whether the fuel cell is in an excessive oxide state, The control means for monitoring and controlling the fuel cell performs refresh control for supplying the fuel gas to the fuel electrode layer of the fuel cell so as to satisfy a predetermined reduction promotion condition, whereby the interface between the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer Since the oxide existing in the vicinity thereof is sufficiently reduced, it is possible to effectively prevent a decrease in power generation performance during operation of the SOFC device, thereby maintaining high power generation efficiency and high power generation efficiency. It becomes possible to continue the power generation operation of the SOFC device.

本発明の一実施形態によるSOFC装置を示す全体構成図である。It is a whole lineblock diagram showing the SOFC device by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態によるSOFC装置のハウジングが取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell module in a state where a housing of an SOFC device according to an embodiment of the present invention is removed. 本発明の一実施形態によるSOFC装置の燃料電池モジュールを図2のA方向から見た断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module of the SOFC device according to the embodiment of the present invention when viewed from the direction A in FIG. 2. 本発明の一実施形態によるSOFC装置の燃料電池モジュールを図2のB方向から見た断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the fuel cell module of the SOFC device according to the embodiment of the present invention as viewed from the direction B of FIG. 本発明の一実施形態によるSOFC装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。It is a front view which shows the fuel cell unit of the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. 図2に示す燃料電池モジュールから燃料電池セル集合体を覆うケーシングを取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the fuel cell module showing a state where a casing covering the fuel cell assembly is removed from the fuel cell module shown in FIG. 2. 図6に示す燃料電池モジュールにおける蒸発混合器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the evaporative mixer in the fuel cell module shown in FIG. 本発明の一実施形態によるSOFC装置の燃料電池モジュールの熱交換器を上方から見た概略平面図である。It is the schematic plan view which looked at the heat exchanger of the fuel cell module of the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention from upper direction. 本発明の一実施形態によるSOFC装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるSOFC装置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 SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるSOFC装置においてリフレッシュ制御を行う処理手順の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the process sequence which performs refresh control in the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. (A)及び(B)は、本発明の一実施形態によるSOFC装置の起動時の動作を示すタイムチャートであり、(A)は、起動モード運転における動作を、(B)は、リフレッシュ制御における動作を模式的に示す図である。(A) And (B) is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting of the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention, (A) is operation | movement in starting mode driving | operation, (B) is in refresh control. It is a figure which shows operation | movement typically. 本発明の一実施形態によるSOFC装置においてリフレッシュ制御の有無による出力電流と燃料ガス流量との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the output electric current by the presence or absence of refresh control, and fuel gas flow volume in the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるSOFC装置においてリフレッシュ制御の有無による出力電流とスタック温度との関係の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the relationship between the output current by the presence or absence of refresh control, and stack temperature in the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態によるSOFC装置においてリフレッシュ制御の有無による出力電流と燃料ガス流量との関係の別例を示すグラフである。It is a graph which shows another example of the relationship between the output current by the presence or absence of refresh control, and fuel gas flow volume in the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. (A)及び(B)は、本発明の一実施形態によるSOFC装置において、リフレッシュ制御を行う処理手順の他の例を示すタイムチャートである。(A) And (B) is a time chart which shows the other example of the process sequence which performs refresh control in the SOFC apparatus by one Embodiment of this invention. 燃料電池セルの内側電極層(燃料極層)と固体電解質層との界面を含む部位の断面を拡大して示す顕微鏡写真の一例である。It is an example of the microscope picture which expands and shows the cross section of the site | part containing the interface of the inner side electrode layer (fuel electrode layer) of a fuel cell, and a solid electrolyte layer.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではなく、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same components in the drawings are denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description is omitted. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof. Is possible.

図1は、本発明による固体酸化物形燃料電池(SOFC)装置の好適な一実施形態を示す全体構成図である。SOFC装置1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4(補機)を備えており、その燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備えている。このハウジング6の内部には、断熱材(図示せず)に囲まれて密封空間8が形成されている。この密封空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガスである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。   FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a preferred embodiment of a solid oxide fuel cell (SOFC) apparatus according to the present invention. The SOFC device 1 includes a fuel cell module 2 and an auxiliary machine unit 4 (auxiliary machine). The fuel cell module 2 includes a housing 6. Inside the housing 6, a sealed space 8 is formed surrounded by a heat insulating material (not shown). A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and air that is an oxidant gas is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8.

燃料電池セル集合体12は、例えば10個の燃料電池セルスタック14を備えている(図6参照)。この燃料電池セルスタック14は、例えば16本の燃料電池セルユニット16(図5参照)から構成されている。燃料電池セル集合体12は、例えば160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。   The fuel cell assembly 12 includes, for example, ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 6). The fuel cell stack 14 includes, for example, 16 fuel cell units 16 (see FIG. 5). The fuel cell assembly 12 includes, for example, 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8における上述した発電室10の上方には、燃焼室18が画成されている。この燃焼室18において、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ガス(空気)とが燃焼し、燃焼ガス(排気ガス)を生成するようになっている。   A combustion chamber 18 is defined above the power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In the combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used in the power generation reaction and the remaining oxidant gas (air) are combusted to generate combustion gas (exhaust gas).

その燃焼室18の上方には、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器20が配置されており、上述した燃焼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する。さらに、この改質器20の上方には、外部から導入される酸化剤ガス(空気)を、燃焼ガスの熱によって加熱する熱交換器22が配置されている。   Above the combustion chamber 18 is disposed a reformer 20 for reforming the raw material gas to generate a fuel gas, and the reformer 20 can be reformed by the combustion heat of the combustion gas described above. Heat to a suitable temperature. Further, a heat exchanger 22 for heating an oxidant gas (air) introduced from the outside by the heat of the combustion gas is disposed above the reformer 20.

補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯留してフィルターにより純水を生成する純水タンク26と、この貯水タンク26から供給される純水の流量を調整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から供給される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。   The auxiliary unit 4 stores pure water from a water supply source 24 such as tap water and generates pure water by a filter, and a water flow rate for adjusting the flow rate of pure water supplied from the water storage tank 26. An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) 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.

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ガス(空気)を遮断する電磁弁42と、酸化剤ガス(空気)の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44(モータで駆動される「空気ブロア」等)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、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略してもよい。   Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off the oxidant gas (air) supplied from the air supply source 40, and a reforming air flow rate adjustment unit 44 (that adjusts the flow rate of the oxidant gas (air). Motor-driven “air blower”, etc.) and power generation air flow rate adjustment unit 45 (“motor-driven“ air blower ”, etc.), and a first air for heating the reforming air supplied to the reformer 20. A heater 46 and a second heater 48 for heating the power generation air supplied to the power generation chamber are provided. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

また、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が接続されており、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、その水道水が排気ガスの熱によって温水となり、例えば、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。さらに、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。またさらに、燃料電池モジュール2には、その燃料電池モジュール2により発電された電力を取り出して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と、発電された電力を補機ユニット4又はインバータ54に送るように切り換える切換器55が接続されている。なお、切換器55は、発電電力を補機ユニット4の各機器の駆動電圧(DC)に変換するためのDC−DCコンバータの機能も有している。   The fuel cell module 2 is connected with a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from a water supply source 24, and the tap water is exhaust gas. The water becomes warm water due to the heat of the water and is supplied to a hot water storage tank of an external water heater (not shown), for example. Further, 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 includes an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for taking out the electric power generated by the fuel cell module 2 and supplying the electric power to the outside, and the generated electric power as an auxiliary device. A switching device 55 for switching to send to the unit 4 or the inverter 54 is connected. The switch 55 also has a function of a DC-DC converter for converting the generated power into the drive voltage (DC) of each device of the auxiliary unit 4.

続いて、図2〜図4、図6、及び図7により、SOFC装置1の燃料電池モジュール2の内部構造を説明する。図2は、SOFC装置1のハウジング6が取り外された状態の燃料電池モジュール2を示す斜視図である。図2においては、燃料電池モジュール2を構成する各燃料電池セルスタック14において、燃料電池セルユニット16が8本並ぶ方向をx軸方向としている。また、燃料電池セルユニット16が立設されて延びる方向をy軸方向とし、x軸及びy軸に直交する方向をz軸方向としている。図3以降において図中に記載されているx軸、y軸、及びz軸は、図2におけるx軸、y軸、及びz軸を基準としている。   Subsequently, the internal structure of the fuel cell module 2 of the SOFC device 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 4, 6, and 7. FIG. 2 is a perspective view showing the fuel cell module 2 with the housing 6 of the SOFC device 1 removed. In FIG. 2, in each fuel cell stack 14 constituting the fuel cell module 2, the direction in which eight fuel cell units 16 are arranged is the x-axis direction. The direction in which the fuel cell unit 16 is erected and extends is the y-axis direction, and the direction orthogonal to the x-axis and the y-axis is the z-axis direction. The x-axis, y-axis, and z-axis described in FIG. 3 and subsequent figures are based on the x-axis, y-axis, and z-axis in FIG.

図3は、SOFC装置1の燃料電池モジュール2を図2のA方向から見た断面図であり、図4は、SOFC装置1の燃料電池モジュール2を図2のB方向から見た断面図である。また、図6は、図2に示す燃料電池モジュール2から燃料電池セル集合体12を覆うケーシングが取り外された状態の燃料電池モジュール2を示す斜視図であり、図7は、図6に示す燃料電池モジュール2における蒸発混合器58を示す斜視図である。   3 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 of the SOFC device 1 as viewed from the direction A of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell module 2 of the SOFC device 1 as viewed from the direction B of FIG. is there. 6 is a perspective view showing the fuel cell module 2 with the casing covering the fuel cell assembly 12 removed from the fuel cell module 2 shown in FIG. 2, and FIG. 7 shows the fuel shown in FIG. 4 is a perspective view showing an evaporating mixer 58 in the battery module 2. FIG.

図2〜図4に示すように、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12は、ケーシング56により、全体が覆われている。また、図6に示すように、燃料電池セル集合体12は、B方向よりA方向の方が長いほぼ直方体形状をなしており、上面12a、下面12b、図2のA方向に沿って延びる長辺側面12c、及び、図2のB方向に沿って延びる短辺側面12dを備えている。   As shown in FIGS. 2 to 4, the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2 is entirely covered with a casing 56. Further, as shown in FIG. 6, the fuel cell assembly 12 has a substantially rectangular parallelepiped shape that is longer in the A direction than in the B direction, and extends along the upper surface 12a, the lower surface 12b, and the A direction in FIG. The side surface 12c and the short side surface 12d extended along the B direction of FIG. 2 are provided.

図3に示すように、燃料電池モジュール2内の密封空間8内の最下方部分には、蒸発混合器58が燃料電池セル集合体12の長辺側面12cに沿って設けられている。この蒸発混合器58は、燃焼ガスにより加熱されて、純水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス(都市ガス)、及び、酸化剤ガス(空気)とを混合するためのものである。蒸発混合器58の一端側には、図2、図4、及び図7に示すように、被改質ガス供給管60と、水供給管62が接続されている。この被改質ガス供給管60は、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から、被改質ガス(燃料ガス)及び改質用空気を蒸発混合器58へ導入するためのものである。   As shown in FIG. 3, an evaporative mixer 58 is provided along the long side surface 12 c of the fuel cell assembly 12 in the lowermost portion of the sealed space 8 in the fuel cell module 2. The evaporative mixer 58 is heated by the combustion gas to turn pure water into water vapor, and mixes the water vapor with fuel gas (city gas) and oxidant gas (air) as reformed gases. Is to do. As shown in FIGS. 2, 4, and 7, a reformed gas supply pipe 60 and a water supply pipe 62 are connected to one end side of the evaporative mixer 58. The reformed gas supply pipe 60 is for introducing the reformed gas (fuel gas) and reforming air from the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44 to the evaporation mixer 58. It is.

また、図4に示すように、蒸発混合器58の他端側には、燃料供給管64の下端が接続されており、その燃料供給管64の上端は、改質器20の上流端に接続されている。この燃料供給管64により、燃料ガスが蒸発混合器58から改質器20へ供給されるようになっている。また、改質器20の下流端には、燃料供給管66の上端が接続されている。この燃料供給管66の下端側66aは、燃料ガスタンク68内に進入して、水平方向に延びている。   As shown in FIG. 4, the lower end of the fuel supply pipe 64 is connected to the other end side of the evaporative mixer 58, and the upper end of the fuel supply pipe 64 is connected to the upstream end of the reformer 20. Has been. The fuel gas is supplied from the evaporation mixer 58 to the reformer 20 through the fuel supply pipe 64. The upper end of the fuel supply pipe 66 is connected to the downstream end of the reformer 20. The lower end side 66a of the fuel supply pipe 66 enters the fuel gas tank 68 and extends in the horizontal direction.

さらに、図3及び図4に示すように、燃料ガスタンク68は、燃料電池セル集合体12の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク68内に挿入された燃料供給管66の下端側66aの外周には、長手方向(A方向)に沿って複数の小穴(図示せず)が形成されている。改質器20で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴(図示せず)によって燃料ガスタンク68内に、長手方向に均一に供給されるようになっている。そうして燃料ガスタンク68に供給された燃料ガスは、燃料電池セルユニット16の内側にある燃料ガス流路88(図5参照)内に供給され、燃料電池セルユニット16内を流上して、燃焼室18に到達する。   Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas tank 68 is provided directly below the fuel cell assembly 12. A plurality of small holes (not shown) are formed along the longitudinal direction (A direction) on the outer periphery of the lower end side 66 a of the fuel supply pipe 66 inserted into the fuel gas tank 68. The fuel gas reformed by the reformer 20 is uniformly supplied in the longitudinal direction into the fuel gas tank 68 through the plurality of small holes (not shown). The fuel gas thus supplied to the fuel gas tank 68 is supplied into the fuel gas flow path 88 (see FIG. 5) inside the fuel cell unit 16 and flows up in the fuel cell unit 16. It reaches the combustion chamber 18.

次に、発電用空気を燃料電池モジュール2へ供給するための構造について説明する。図2〜図4に示すように、改質器20の上方には、燃料電池モジュール2の燃料電池セル集合体12の上面12a及び短辺側面12d(図2及び図4の右側短辺側面)に沿って、熱交換器22が設けられている。熱交換器22には、複数の燃焼ガス配管70と、これらの燃焼ガス配管70の周囲に形成された発電用空気流路72が設けられている。   Next, a structure for supplying power generation air to the fuel cell module 2 will be described. As shown in FIGS. 2 to 4, above the reformer 20, an upper surface 12 a and a short side surface 12 d of the fuel cell assembly 12 of the fuel cell module 2 (right short side surface in FIGS. 2 and 4). , A heat exchanger 22 is provided. The heat exchanger 22 is provided with a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air passage 72 formed around the combustion gas pipes 70.

なお、本実施形態においては、熱交換器22は、燃料電池セル集合体12の上面12a及び右側の短辺側面12dに沿って設けるようにしているが、これに限らず、熱交換器22を、右側の短辺側面12dのみに沿って設けてもよいし、右側及び左側の両方の短辺側面12dのみに沿って設けてもよく、さらに、上面12a及び両側の短辺側面12dに沿って設けるようにしてもよい。   In the present embodiment, the heat exchanger 22 is provided along the upper surface 12a and the right short side surface 12d of the fuel cell assembly 12, but not limited thereto, the heat exchanger 22 is provided. It may be provided along only the right short side surface 12d, or may be provided only along both the right and left short side surfaces 12d, and further along the upper surface 12a and both short side surfaces 12d. You may make it provide.

また、熱交換器22の短辺側面12dに沿って設けられた部分の下端の一端側には、図2に示すように、発電用空気導入管74の導入口74aが取り付けられている。発電用空気は、発電用空気流量調整ユニット45から、この発電用空気導入管74を通して、熱交換器22内に導入される。   Moreover, as shown in FIG. 2, the introduction port 74a of the power generation air introduction tube 74 is attached to one end side of the lower end of the portion provided along the short side surface 12d of the heat exchanger 22. The power generation air is introduced from the power generation air flow rate adjustment unit 45 into the heat exchanger 22 through the power generation air introduction pipe 74.

また、図4及び図8に示すように、熱交換器22の上側の他端側には、発電用空気流路72の出口ポート72aが形成されている。さらに、図3に示すように、燃料電池モジュール2のケーシング56の幅方向(B方向:短辺側面方向)の両側の外側には、発電用空気供給路76が燃料電池セル集合体12の長手方向(長辺側面12c方向)に沿って形成されており、その発電用空気流路72の出口ポート72aから、発電用空気が供給されるようになっている。またさらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体12の下方側に対応する位置には、発電室10内の燃料電池セル集合体12の各燃料電池セルユニット16に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口78が、長手方向に沿って等間隔に形成されている。これらの吹出口78から送出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット16の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。   As shown in FIGS. 4 and 8, an outlet port 72 a of the power generation air flow path 72 is formed on the other end on the upper side of the heat exchanger 22. Further, as shown in FIG. 3, power generation air supply passages 76 are disposed in the longitudinal direction of the fuel cell assembly 12 on the outer sides of both sides of the casing 56 of the fuel cell module 2 in the width direction (B direction: short side surface direction). It is formed along the direction (long side surface 12c direction), and power generation air is supplied from the outlet port 72a of the power generation air flow path 72. Still further, at a position corresponding to the lower side and the lower side of the fuel cell assembly 12, power generation air is directed toward each fuel cell unit 16 of the fuel cell assembly 12 in the power generation chamber 10. A plurality of outlets 78 for blowing out are formed at equal intervals along the longitudinal direction. The power generation air sent out from these air outlets 78 flows from below to above along the outside of each fuel cell unit 16.

さらに、燃料ガスと発電用空気(酸化剤ガス)が燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造について説明する。上述したとおり、熱交換器22内には、燃焼室18において燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管70が設けられている。図4に示すように、これらの燃焼ガス配管70の下流端側には、燃料電池セル集合体12の下方に位置し且つ長手方向に延在する燃焼ガス排出室80が形成されており、燃焼ガス配管70の下端側と燃焼ガス排出室80が接続されている。なお、この燃焼ガス排出室80内に、上述した蒸発混合器58が配置され、この蒸発混合器58内の燃料ガスが、高温の燃焼ガスにより、長手方向に沿って加熱されるようになっている。また、燃焼ガス排出室80の下面には、燃焼ガス排出管82が接続され、これにより、燃焼ガスが外部へ排出される。   Further, a structure for discharging combustion gas generated by combustion of fuel gas and power generation air (oxidant gas) will be described. As described above, the heat exchanger 22 is provided with a plurality of combustion gas pipes 70 for discharging the combustion gas generated by the combustion of the fuel gas and the power generation air in the combustion chamber 18. As shown in FIG. 4, a combustion gas discharge chamber 80 located below the fuel cell assembly 12 and extending in the longitudinal direction is formed on the downstream end side of these combustion gas pipes 70. The lower end side of the gas pipe 70 and the combustion gas discharge chamber 80 are connected. The above-described evaporative mixer 58 is disposed in the combustion gas discharge chamber 80, and the fuel gas in the evaporative mixer 58 is heated along the longitudinal direction by the high-temperature combustion gas. Yes. In addition, a combustion gas discharge pipe 82 is connected to the lower surface of the combustion gas discharge chamber 80, whereby the combustion gas is discharged to the outside.

続いて、図5を参照しながら、燃料電池セルユニット16について説明する。図5は、SOFC装置1の燃料電池セルユニット16を示す正面図(部分断面図)である。同図に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。   Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a front view (partial sectional view) showing the fuel cell unit 16 of the SOFC device 1. As shown in the figure, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.

燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内側(内部)に燃料ガス流路88を画成する円筒状の内側電極層90(燃料極層)と、円筒状の外側電極層92(空気極層)と、内側電極層90及び外側電極層92の間に設けられた酸化物電解質形の電解質層94とを備えている。内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であって(−)極として機能する一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であって(+)極として機能する。   The fuel cell 84 is a tubular structure that extends in the vertical direction, and has a cylindrical inner electrode layer 90 (fuel electrode layer) that defines a fuel gas flow path 88 inside (inside), and a cylindrical outer electrode layer. 92 (air electrode layer) and an oxide electrolyte type electrolyte layer 94 provided between the inner electrode layer 90 and the outer electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and functions as a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and functions as a (+) electrode.

燃料電池セルユニット16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるので、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell unit 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、並びに、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、及びCuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成されている。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed of at least one of a mixture and a mixture of Ni and lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、並びに、S及びMgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成されている。   The electrolyte layer 94 includes, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum doped with at least one selected from S and Mg. It is formed from at least one kind of gallate.

外側電極層92は、例えば、Sr及びCaから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、及びCuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、及びCuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、等の少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, and Cu, Sr, Fe, Ni, And lanthanum cobaltite doped with at least one selected from Cu, silver, and the like.

ここで、図17は、燃料電池セル84の内側電極層90(燃料極層)と同電解質層94との界面を含む部位の断面を拡大して示す顕微鏡写真の一例である。なお、同図において、内側電極層90は、NiとGdドープのセリアとの混合体(Ni/GDC)が、Niとイットリア安定化ジルコニアの混合体 (Ni/YSZ)からなる支持体(写真の下部領域の部分)上に形成されたものである。図17に示す如く、内側電極層90と電解質層94(例えば、ランタンガレート、La1-xSrxGa1-yMgy3:LSGM)は、連続して積層形成されており、両層はそれぞれ異なる密度で複数の空隙を有している。よって、内側電極層90と電解質層94との境界を「界面」として厳密に明定することは難しいものの、図17において領域Bで示す範囲が、本明細書における「固体電解質層と燃料極層との界面及び界面近傍」に相当する。 Here, FIG. 17 is an example of a micrograph showing an enlarged cross section of a portion including the interface between the inner electrode layer 90 (fuel electrode layer) and the electrolyte layer 94 of the fuel cell 84. In the figure, the inner electrode layer 90 is a support (Ni / YSZ) in which a mixture of Ni and Gd-doped ceria (Ni / GDC) is a mixture of Ni and yttria-stabilized zirconia (Ni / YSZ). It is formed on the lower region part). As shown in FIG. 17, the inner electrode layer 90 and the electrolyte layer 94 (for example, lanthanum gallate, La 1-x Sr x Ga 1 -y Mg y O 3 : LSGM) are continuously laminated. Each have a plurality of voids at different densities. Therefore, although it is difficult to strictly define the boundary between the inner electrode layer 90 and the electrolyte layer 94 as an “interface”, the range indicated by the region B in FIG. 17 is “the solid electrolyte layer and the fuel electrode layer” in this specification. The interface and the vicinity of the interface.

また、本発明者らの分析評価によれば、SOFC装置1の運転が進むにつれて、電解質層94と内側電極層90との界面及び界面近傍である領域Bにおいて、内側電極層90に含まれるNi(粒状に分布)が酸化されてNi酸化物が生成し、そのNi酸化物は、従来の通常の運転を継続してもNiに還元されることなくそのまま残留することが確認された。   Further, according to the analysis and evaluation by the present inventors, as the operation of the SOFC device 1 proceeds, the Ni contained in the inner electrode layer 90 in the region B which is the interface between the electrolyte layer 94 and the inner electrode layer 90 and in the vicinity of the interface. It was confirmed that Ni oxide was generated by oxidizing (distributed in a granular form), and the Ni oxide remained as it was without being reduced to Ni even if the conventional normal operation was continued.

続いて、図9を参照しながら、SOFC装置1に取り付けられた制御部、装置、センサ、及びタイマについて説明する。図9は、SOFC装置1の構成を示すブロック図である。同図に示すように、SOFC装置1は、SOFC装置1の運転状態を監視及び制御するための制御部110(制御手段)を備えている。この制御部110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112、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114、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116が接続されている。なお、この報知装置116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よい。   Next, the control unit, device, sensor, and timer attached to the SOFC device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the SOFC apparatus 1. As shown in the figure, the SOFC device 1 includes a control unit 110 (control means) for monitoring and controlling the operating state of the SOFC device 1. The control unit 110 includes an operation device 112 having operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user, and a display for displaying various data such as a power generation output value (wattage). A device 114 and a notification device 116 that issues a warning (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

制御部110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。可燃ガス検出センサ120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122は、本来燃焼ガス排出室80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)へ漏出したか否かを検知するためのものである。貯湯状態検出センサ124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。   Signals from various sensors described below are input to the control unit 110. The combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. The CO detection sensor 122 determines whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the combustion gas discharge chamber 80 or the like has leaked to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the accessory unit 4. It is for detecting. The hot water storage state detection sensor 124 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126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り、開回路電圧も検出できるように構成されている。発電用空気流量検出センサ128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130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り、燃料流量センサ132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 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown), and is configured to detect an open circuit voltage. The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10. The reforming air flow rate sensor 130 is for detecting the flow rate of reforming air supplied to the reformer 20, and the fuel flow rate sensor 132 is the flow rate of fuel gas supplied to the reformer 20. It is for detecting.

水流量センサ134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136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138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140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 134 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20. The water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26. The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20. The exhaust temperature sensor 140 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142は、図3及び図4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、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(すなわち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。   As shown in FIGS. 3 and 4, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14, This is for estimating the temperature of the battery cell stack 14 (that is, the fuel battery cell 84 itself).

燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものであり、図3及び図4に示すように、燃料電池セル集合体12と点火装置83との間に設けられている。この燃焼室温度センサ144は、燃料電池セル84に点火されたか否かを判断するための点火確認用の温度センサとしても機能する。排気ガス室温度センサ146は、燃焼ガス排出室80の排気ガスの温度を検出するためのものである。   The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18, and is provided between the fuel cell assembly 12 and the ignition device 83 as shown in FIGS. 3 and 4. The combustion chamber temperature sensor 144 also functions as an ignition confirmation temperature sensor for determining whether or not the fuel cell 84 has been ignited. The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the combustion gas discharge chamber 80.

改質器温度センサ148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。この改質器温度センサ148は、図3及び図4に示すように、改質器20の入口側と出口側とのそれぞれの近傍に設けられている。外気温度センサ150は、SOFC装置1が屋外に設置された場合、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よい。   The reformer temperature sensor 148 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. As shown in FIGS. 3 and 4, the reformer temperature sensor 148 is provided in the vicinity of each of the inlet side and the outlet side of the reformer 20. The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the SOFC device 1 is installed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

さらに、タイマ160は、SOFC装置1の運転開始後の累積発電時間、及び、後述するリフレッシュ制御後の累積発電時間を計測する適宜の計時手段である。   Furthermore, the timer 160 is an appropriate time measuring unit that measures the accumulated power generation time after the start of operation of the SOFC device 1 and the accumulated power generation time after refresh control described later.

これらのセンサ類及びタイマ160からの信号は、制御部110に送られる。制御部110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、及び発電用空気流量調整ユニット45のそれぞれに、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110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もなっている。   Signals from these sensors and timer 160 are sent to the control unit 110. The control unit 110 sends a control signal to each of the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, and the power generation air flow rate adjustment unit 45 based on the data based on these signals. Each flow rate in these units is controlled. The control unit 110 also sends a control signal to the inverter 54 to control the amount of power supply.

さらに、図10を参照しながら、SOFC装置1における起動時の動作を説明する。図10は、SOFC装置1の起動時の動作を示すタイムチャートである。   Further, an operation at the time of startup in the SOFC device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a time chart showing the operation at the time of startup of the SOFC device 1.

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、すなわち、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、回路には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。   First, in order to warm up 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.

まず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を、第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。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、第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の熱交換器22へ供給する。この発電用空気は、熱交換器22を経由して、発電室10及び燃焼室18に到達する。   First, reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjusting unit 44 to the reformer 20 of the fuel cell module 2 via the first heater 46. At the same time, power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the heat exchanger 22 of the fuel cell module 2 via the second heater 48. The power generation air reaches the power generation chamber 10 and the combustion chamber 18 via the heat exchanger 22.

その直後、燃料流量調整ユニット38から燃料ガスが供給される。この燃料ガスに改質用空気が混合され、改質器20及び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。   Immediately thereafter, fuel gas is supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38. This fuel gas is mixed with reforming air, passes through the reformer 20, the fuel cell stack 14, and the fuel cell unit 16, and reaches the combustion chamber 18.

次に、点火装置83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、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、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、熱交換器22内の発電用空気も暖める。   Next, the ignition device 83 is ignited to burn the fuel gas and air (reforming air and power generation air) in the combustion chamber 18. Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, and the power generation chamber 10 is warmed by the exhaust gas, and when the exhaust gas rises in the sealed space 8 of the fuel cell module 2, The fuel gas containing the reforming air is warmed, and the power generation air in the heat exchanger 22 is also warmed.

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)で表される部分酸化改質反応(POX)が進行する。なお、同式は、原料ガスに主として含まれるメタンガス(CH4)の改質反応を例示するものであり、改質反応には、他の炭化水素ガスの酸化も含まれ得る(後記の式(2)及び式(3)において同様とする)。
CH4+1/2O2 → CO+2H2 …(1)
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) represented by This equation exemplifies the reforming reaction of methane gas (CH 4 ) mainly contained in the raw material gas, and the reforming reaction may include oxidation of other hydrocarbon gas (the following formula ( The same applies to 2) and formula (3)).
CH 4 + 1 / 2O 2 → CO + 2H 2 (1)

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。かかる発熱反応によって昇温された燃料ガスは、燃料供給管64を通して燃料電池セルスタック14の下方に供給される。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る。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る。その結果、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に構成されている。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。   Since this partial oxidation reforming reaction (POX) is an exothermic reaction, the startability is good. The fuel gas heated by the exothermic reaction is supplied to the lower part of the fuel cell stack 14 through the fuel supply pipe 64. Thereby, the fuel cell stack 14 is heated from below. Since the combustion chamber 18 is also heated by burning the fuel gas and air, the fuel cell stack 14 is also heated from above. As a result, the fuel cell stack 14 is configured to be able to raise the temperature substantially evenly 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.

部分酸化改質反応(POX)の開始後、改質器温度センサ148により検出された改質器20の温度、及び発電室温度センサ142により検出された燃料電池セルスタック14の温度に基づいて、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の改質器20への供給が開始される。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)とが併用された式(2)で表されるオートサーマル改質反応(ATR)が進行する。
CH4+1/4O2+1/2H2O → CO+5/2H2 …(2)
After the start of the partial oxidation reforming reaction (POX), based on the temperature of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 and the temperature of the fuel cell stack 14 detected by the power generation chamber temperature sensor 142, By the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, and the reforming air flow rate adjustment unit 44, supply of the gas in which the fuel gas, the reforming air, and the water vapor are mixed in advance to the reformer 20 is started. . At this time, in the reformer 20, the autothermal reforming reaction (ATR) represented by the formula (2) in which the partial oxidation reforming reaction (POX) described above and the steam reforming reaction (SR) described later are used together. ) Goes on.
CH 4 +1/4 O 2 + 1 / 2H 2 O → CO + 5 / 2H 2 (2)

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(平衡状態が生起される)ので、言わば、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。すなわち、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。   Since this autothermal reforming reaction (ATR) can be internally balanced (an equilibrium state is generated), the reaction proceeds in a thermally independent state in the reformer 20. That is, when there is a lot of oxygen (air), heat generation by the partial oxidation reforming reaction (POX) is dominant, and when there is a lot of 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. In addition, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18 even while the autothermal reforming reaction (ATR) is in progress.

オートサーマル改質反応(ATR)の開始後、改質器温度センサ148により検出された改質器20の温度、及び発電室温度センサ142により検出された燃料電池セルスタック14の温度に基づいて、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が停止されると共に、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。   After the start of the autothermal reforming reaction (ATR), based on the temperature of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 and the temperature of the fuel cell stack 14 detected by the power generation chamber temperature sensor 142, The supply of reforming air by the reforming air flow rate adjustment unit 44 is stopped, and the supply of water vapor by the water flow rate adjustment unit 28 is increased.

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)で表される水蒸気改質反応(SR)が進行する。
CH4+H2O → CO+3H2 …(3)
As a result, the reformer 20 is supplied with a gas that does not contain air and contains only fuel gas and steam, and the steam reforming reaction (SR) represented by the equation (3) proceeds in the reformer 20. .
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 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ことから、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 this 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 inside of the power generation chamber 10 has been heated to a sufficiently high temperature. There is no invitation. 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83によって点火が行われた後、部分酸化改質反応(POX)、オートサーマル改質反応(ATR)、及び水蒸気改質反応(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(起動モード運転、起動工程)。図10に示すように、起動工程においては、発電室10内の温度上昇と、燃料電池セルスタック14の開回路電圧OCVとが相関関係にある。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール2で発電された電力が、切換器55を介して、インバータ54及び補機ユニット4に取り出される(すなわち、発電が開始される。)。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。また、起動処理が終了した時点、又は、燃料電池モジュール2から電力が取り出されて発電が開始された時点で、タイマ160による計時処理が開始される。   In this manner, after the fuel cell module 2 is ignited by the ignition device 83, the partial oxidation reforming reaction (POX), the autothermal reforming reaction (ATR), and the steam reforming reaction (SR) By proceeding sequentially, the temperature in the power generation chamber 10 gradually increases (start-up mode operation, start-up process). As shown in FIG. 10, in the startup process, the temperature rise in the power generation chamber 10 and the open circuit voltage OCV of the fuel cell stack 14 are in a correlation. After the above startup process is completed, the electric power generated by the fuel cell module 2 is taken out to the inverter 54 and the auxiliary machine unit 4 via the switch 55 (that is, power generation is started). Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell 84 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 84 also rises. In addition, the time measurement process by the timer 160 is started when the start-up process is completed, or when the power is taken out from the fuel cell module 2 and power generation is started.

発電開始後においても、改質器20の温度を維持するために、燃料電池セル84で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、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。   Even after the start of power generation, in order to maintain the temperature of the reformer 20, fuel gas and power generation air that are larger than the amount of fuel gas and power generation air consumed for power generation in the fuel cell 84 are supplied and burned. The combustion in the chamber 18 is continued. During power generation, power generation proceeds by a steam reforming reaction (SR) with high reforming efficiency.

また、図10に示す起動工程(起動モード運転)においては、部分酸化改質反応(POX)工程、オートサーマル改質反応(ATR)工程、及び水蒸気改質反応(SR)工程を、それぞれ単一の工程として説明したが、それぞれを細分化した工程としても好適である。POX工程を、POX1工程及びPOX2工程に細分化し、ATR工程を、ATR1工程及びATR2工程に細分化し、SR工程を、SR1工程及びSR2工程に細分化した例を説明する。   Further, in the start-up process (start-up mode operation) shown in FIG. 10, a partial oxidation reforming reaction (POX) process, an autothermal reforming reaction (ATR) process, and a steam reforming reaction (SR) process are each performed in a single manner. However, it is also suitable as a process in which each of them is subdivided. An example will be described in which the POX process is subdivided into a POX1 process and a POX2 process, the ATR process is subdivided into an ATR1 process and an ATR2 process, and the SR process is subdivided into an SR1 process and an SR2 process.

まず、制御部110は、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に信号を送って、これらを起動させ、改質用空気(酸化剤ガス)及び発電用空気を燃料電池モジュール2に供給する。なお、供給が開始される改質用空気の供給量は10.0(L/min)、発電用空気の供給量は100.0(L/min)に設定される。   First, the control unit 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjustment unit 44 and the power generation air flow rate adjustment unit 45 to activate them, and the reforming air (oxidant gas) and the power generation air are supplied to the fuel cell. Supply to module 2. Note that the supply amount of reforming air to be started is set to 10.0 (L / min), and the supply amount of power generation air is set to 100.0 (L / min).

次いで、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送って、改質器20への燃料ガス供給を開始する。これにより、改質器20へ送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、改質器20、燃料供給管64、及びマニホールド66を介して各燃料電池セルユニット16内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット16内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット16の燃料ガス流路98上端から流出する。なお、供給が開始されるときの燃料ガスの供給量は6.0(L/min)に設定されている。   Next, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to start supplying fuel gas to the reformer 20. Thereby, the fuel gas and reforming air sent to the reformer 20 are sent into each fuel cell unit 16 via the reformer 20, the fuel supply pipe 64, and the manifold 66. The fuel gas and reforming air sent into each fuel cell unit 16 flow out from the upper end of the fuel gas flow path 98 of each fuel cell unit 16. The supply amount of fuel gas when supply is started is set to 6.0 (L / min).

さらに、制御部110は、点火装置83に信号を送り、燃料電池セルユニット16から流出する燃料ガスに点火する。これにより、燃焼室18内で燃料ガスが燃焼され、これによって生成した排気ガスにより、その上方に配置された改質器20が加熱されると共に、燃焼室18、発電室10、及びその中に配置された燃料電池セルスタック14の温度(以下「セルスタック温度」という)も上昇する。燃料ガス流路98を含む燃料電池セルユニット16及びその上端部位は燃焼部に相当する。   Further, the control unit 110 sends a signal to the ignition device 83 to ignite the fuel gas flowing out from the fuel cell unit 16. As a result, the fuel gas is combusted in the combustion chamber 18, and the reformer 20 disposed above the fuel gas is heated by the exhaust gas generated thereby, and the combustion chamber 18, the power generation chamber 10, and the inside thereof. The temperature of the disposed fuel cell stack 14 (hereinafter referred to as “cell stack temperature”) also increases. The fuel cell unit 16 including the fuel gas passage 98 and the upper end portion thereof correspond to a combustion portion.

改質器20が加熱されることにより、改質器20の温度(以下「改質器温度」という)が300℃程度まで上昇すると、改質器20内においては、部分酸化改質反応(POX)が発生する(POX1工程開始)。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器20は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる。   When the temperature of the reformer 20 (hereinafter referred to as “reformer temperature”) rises to about 300 ° C. by heating the reformer 20, a partial oxidation reforming reaction (POX) occurs in the reformer 20. ) Occurs (the POX1 process starts). Since the partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, the reformer 20 is also heated by the reaction heat due to the occurrence of the partial oxidation reforming reaction.

さらに温度が上昇し、改質器温度が350℃に達すると(POX2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる(POX2工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は5.0(L/min)に変更され、改質用空気供給量は18.0(L/min)に変更される。これらの供給量は、部分酸化改質反応(POX)を発生させるために適切な供給量である。すなわち、部分酸化改質反応(POX)が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料ガスの割合を多くすることにより、燃料ガスに確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる(図9の「POX1」工程参照)。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応(POX)を維持するために必要にして十分な量の燃料ガスを供給することにより、燃料の浪費を抑えている。   When the temperature further rises and the reformer temperature reaches 350 ° C. (POX2 transition condition), the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to reduce the fuel gas supply amount and the reforming air. A signal is sent to the flow rate adjusting unit 44 to increase the supply amount of reforming air (POX2 process start). Thereby, the fuel gas supply amount is changed to 5.0 (L / min), and the reforming air supply amount is changed to 18.0 (L / min). These supply amounts are appropriate supply amounts for generating the partial oxidation reforming reaction (POX). That is, in the initial temperature region where the partial oxidation reforming reaction (POX) starts to occur, by increasing the ratio of the fuel gas to be supplied, a state in which the fuel gas is surely ignited is formed, and the supply amount is reduced. This is maintained to stabilize the ignition (see the “POX1” process in FIG. 9). Furthermore, after stable ignition and temperature rise, waste of fuel is suppressed by supplying a sufficient amount of fuel gas necessary to maintain the partial oxidation reforming reaction (POX). .

次に、改質器温度が600℃以上、且つ、セルスタック温度が250℃以上になると(ATR1移行条件)、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給を開始させる(ATR1工程開始)。これにより、改質用空気供給量は8.0(L/min)に変更され、水供給量は2.0(cc/min)にされる。改質器20内に水(水蒸気)が導入されることにより、改質器20内で水蒸気改質反応(SR)も生じるようになる。すなわち、ATR1工程においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が進行するようになる。   Next, when the reformer temperature is 600 ° C. or higher and the cell stack temperature is 250 ° C. or higher (ATR1 transition condition), the control unit 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjusting unit 44 for reforming. While reducing the air supply amount, a signal is sent to the water flow rate adjusting unit 28 to start the supply of water (ATR1 process start). As a result, the reforming air supply amount is changed to 8.0 (L / min), and the water supply amount is set to 2.0 (cc / min). By introducing water (steam) into the reformer 20, a steam reforming reaction (SR) also occurs in the reformer 20. That is, in the ATR1 step, an autothermal reforming reaction (ATR) in which a partial oxidation reforming reaction and a steam reforming reaction are mixed proceeds.

このとき、セルスタック温度は、発電室10内に配置された発電室温度センサ142によって測定されている。発電室10内の温度とセルスタック温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサ142によって検出される温度はセルスタック温度を反映したものであり、発電室10内に配置された発電室温度センサ142によりセルスタック温度を把握することができる。なお、本明細書において、「セルスタック温度」とは、セルスタック温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。   At this time, the cell stack temperature is measured by a power generation chamber temperature sensor 142 disposed in the power generation chamber 10. Although the temperature in the power generation chamber 10 and the cell stack temperature are not strictly the same, the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reflects the cell stack temperature, and the power generation disposed in the power generation chamber 10 The room temperature sensor 142 can grasp the cell stack temperature. In this specification, the “cell stack temperature” means a temperature measured by an arbitrary sensor that indicates a value reflecting the cell stack temperature.

さらに、改質器温度が600℃以上、且つ、セルスタック温度が400℃以上になると(ATR2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させる。また、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量を増加させる(ATR2工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は4.0(L/min)に変更され、改質用空気供給量は4.0(L/min)に変更され、水供給量は3.0(cc/min)に変更される。このように改質用空気供給量が減少され、且つ、水供給量が増加されることにより、改質器20内においては、発熱反応である部分酸化改質反応(POX)の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応(SR)の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇が抑制され、一方、改質器20から受けるガス流により燃料電池セルスタック14が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追従するように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。   Further, when the reformer temperature is 600 ° C. or higher and the cell stack temperature is 400 ° C. or higher (ATR2 transition condition), the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to decrease the fuel gas supply amount. . Further, the control unit 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjustment unit 44 to reduce the reforming air supply amount and sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to increase the water supply amount (ATR2). Process start). Accordingly, the fuel gas supply amount is changed to 4.0 (L / min), the reforming air supply amount is changed to 4.0 (L / min), and the water supply amount is set to 3.0 (cc / min). ). As the reforming air supply amount is reduced and the water supply amount is increased in this way, the proportion of the partial oxidation reforming reaction (POX) that is an exothermic reaction is reduced in the reformer 20. The ratio of the steam reforming reaction (SR), which is an endothermic reaction, increases. As a result, an increase in the reformer temperature is suppressed, while the fuel cell stack 14 is heated by the gas flow received from the reformer 20, so that the cell stack temperature follows the reformer temperature. Since the temperature is increased, the temperature difference between the two is reduced, and both are stably heated.

次に、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が600℃以上になると(SR1移行条件)、制御部110は、改質用空気流量調整ユニット44に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量を増加させる(SR1工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は3.0(L/min)に変更され、水供給量は8.0(cc/min)に変更される。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器20内において部分酸化改質反応(POX)は生起されなくなり、水蒸気改質反応のみが進行する。   Next, when the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is reduced and the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the stack temperature is 600 ° C. or higher (SR1 transition condition), the control unit 110 A signal is sent to the air flow rate adjusting unit 44 to stop the supply of reforming air. Further, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 to decrease the fuel gas supply amount, and sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to increase the water supply amount (SR1 process start). Accordingly, the fuel gas supply amount is changed to 3.0 (L / min), and the water supply amount is changed to 8.0 (cc / min). By stopping the supply of the reforming air, the partial oxidation reforming reaction (POX) is not generated in the reformer 20, and only the steam reforming reaction proceeds.

改質器温度とセルスタック温度の温度差が更に縮まり、改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が650℃以上になると(SR2移行条件)、制御部110は、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット28に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部110は、発電用空気流量調整ユニット45に信号を送り、発電量空気の供給量も減少させる(SR2工程開始)。これにより、燃料ガス供給量は2.3(L/min)に変更され、水供給量は6.3(cc/min)に変更され、発電用空気供給量は80.0(L/min)に変更される。   When the temperature difference between the reformer temperature and the cell stack temperature is further reduced, the reformer temperature is 650 ° C. or higher, and the stack temperature is 650 ° C. or higher (SR2 transition condition), the controller 110 controls the fuel flow rate adjustment unit 38. Is sent to the water flow rate adjusting unit 28 to reduce the supply amount of water. Further, the control unit 110 sends a signal to the power generation air flow rate adjustment unit 45 to reduce the supply amount of the power generation amount air (SR2 process start). Thereby, the fuel gas supply amount is changed to 2.3 (L / min), the water supply amount is changed to 6.3 (cc / min), and the power generation air supply amount is 80.0 (L / min). Changed to

SR1工程では、改質器温度及びスタック温度を発電可能な温度付近まで上昇させるため、燃料ガス供給量及び水供給量を高めに保持している。その後、SR2工程では、燃料ガス流量及び水供給量を低減して、改質器温度及びセルスタック温度の温度分布を落ち着かせ、発電可能な温度範囲に安定化させる。   In the SR1 process, the fuel gas supply amount and the water supply amount are kept high in order to raise the reformer temperature and the stack temperature to near the temperature at which power generation is possible. Thereafter, in the SR2 step, the fuel gas flow rate and the water supply amount are reduced, the temperature distributions of the reformer temperature and the cell stack temperature are settled, and are stabilized in a temperature range where power generation is possible.

制御部110は、SR2工程において、所定の低減速度で燃料ガス供給量を含む各供給量をSR2工程用の供給量に低減し、所定の発電移行期間だけ維持する。これにより、発電移行までに、改質器20や燃料電池セルスタック14等を所定の発電移行期間だけ安定した状態に保持し、燃料電池モジュール2内の改質器温度やセルスタック温度等の温度分布を落ち着かせることができる。つまり、発電移行期間は、供給量低減後の安定化期間として機能する。   In the SR2 step, the control unit 110 reduces each supply amount including the fuel gas supply amount at a predetermined reduction rate to a supply amount for the SR2 step, and maintains it for a predetermined power generation transition period. Thus, the reformer 20, the fuel cell stack 14 and the like are kept in a stable state for a predetermined power generation transition period until the power generation shift, and the temperatures such as the reformer temperature and the cell stack temperature in the fuel cell module 2 are maintained. Distribution can be calmed down. That is, the power generation transition period functions as a stabilization period after the supply amount is reduced.

そして、所定の発電移行期間が経過した後、改質器温度が650℃以上、且つ、スタック温度が700℃以上であると(発電工程移行条件)、燃料電池モジュール2から切換器55を介してインバータ54及び補機ユニット4に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する(発電工程開始)。この場合においても、起動処理が終了した時点、又は、燃料電池モジュール2から電力が取り出されて発電が開始された時点で、タイマ160による計時処理が開始される。   When the reformer temperature is 650 ° C. or higher and the stack temperature is 700 ° C. or higher after the predetermined power generation transition period has elapsed (power generation process transition condition), the fuel cell module 2 passes through the switch 55. Electric power is output to the inverter 54 and the auxiliary unit 4, and the power generation process is started to start power generation (power generation process start). Also in this case, the time measurement process by the timer 160 is started when the start-up process is completed or when power is taken out from the fuel cell module 2 and power generation is started.

こうして発電を開始したSOFC装置1の運転を続けると、燃料電池セル84における燃料極層である内側電極層90に、空気由来の酸素ガスや酸素イオンが流入して拡散し、内側電極層90に含まれるNi等の金属の酸化によって酸化物が生成されてしまう。特に、電解質層94と内側電極層90との界面及びその近傍(図5に示す領域B)の部位で生じた酸化物は、通常の発電運転中に挿通される燃料ガスでは還元され難く、内側電極層90の酸化が徐々に進行していく。このとき、水素ガスの濃度が比較的低くなる燃料ガス流路88の下流側(他端側)では、電解質層94と内側電極層90との界面付近における内側電極層90の酸化の程度が顕著となる。そこで、SOFC装置1の運転時には、酸化された部位を含む内側電極層90の還元処理を行うためのリフレッシュ制御を実行する。   When the operation of the SOFC device 1 that has started power generation in this way is continued, oxygen gas or oxygen ions derived from air flow into and diffuse into the inner electrode layer 90 that is the fuel electrode layer in the fuel cell 84, and then diffuse into the inner electrode layer 90. Oxides of metals such as Ni contained therein generate oxides. In particular, the oxide generated at the interface between the electrolyte layer 94 and the inner electrode layer 90 and in the vicinity thereof (region B shown in FIG. 5) is difficult to be reduced by the fuel gas inserted during normal power generation operation. Oxidation of the electrode layer 90 proceeds gradually. At this time, the degree of oxidation of the inner electrode layer 90 in the vicinity of the interface between the electrolyte layer 94 and the inner electrode layer 90 is significant on the downstream side (the other end side) of the fuel gas passage 88 where the concentration of hydrogen gas is relatively low. It becomes. Therefore, when the SOFC device 1 is in operation, refresh control for performing a reduction process on the inner electrode layer 90 including the oxidized portion is executed.

ここで、図11は、SOFC装置1において、かかるリフレッシュ制御を行う処理手順の一例を示すフローチャートである。まず、上述した発電前の最初の起動工程(起動モード運転)を経て発電を開始すると共に、上述の如く、制御部110からの制御信号に基づいてタイマ160による時間計測を始め、制御部110は、そのタイマ160の測定信号に基づいて、発電開始からの経過時間trを検出する(ステップS1)。より具体的には、例えば、制御部110は、電力状態検出センサ126(図9参照)がインバータ54の電流及び電圧を検知したとき、その検知信号に基づいてタイマ160の計時をONにしてその時間を計数してもよく、或いは、タイマ160から送出される連続的なタイミング信号のうち、電力状態検出センサ126がインバータ54の電流及び電圧を検知しているときに送出されてきたものを計数し、その計数値に基づいて時間を計測するように構成してもよい。すなわち、この経過時間trは、SOFC装置1の運転開始後の累積発電時間(燃料電池セル84から電力を取り出している時間)に相当する。   Here, FIG. 11 is a flowchart showing an example of a processing procedure for performing such refresh control in the SOFC apparatus 1. First, power generation is started through the first start-up process (start-up mode operation) before power generation as described above, and as described above, time measurement by the timer 160 is started based on the control signal from the control unit 110. Based on the measurement signal of the timer 160, an elapsed time tr from the start of power generation is detected (step S1). More specifically, for example, when the power state detection sensor 126 (see FIG. 9) detects the current and voltage of the inverter 54, the control unit 110 turns on the timer 160 based on the detection signal, and The time may be counted, or among the continuous timing signals sent from the timer 160, those sent when the power state detection sensor 126 detects the current and voltage of the inverter 54 are counted. The time may be measured based on the count value. That is, the elapsed time tr corresponds to the accumulated power generation time after starting the operation of the SOFC device 1 (the time during which power is taken out from the fuel cell 84).

一方、SOFC装置1の運転に先立ち、例えば、SOFC装置1と同様に構成されたSOFC試験機等を用い、SOFC装置1を種々の発電運転条件で運転したときに、燃料電池セル84からの出力電力又は出力電圧が、定常運転における適正な値(例えば設計仕様値等)から有意に低下した時点での運転経過時間を計測する。そして、その計測値に基づいて、燃料電池セル84が酸化物過多状態となり、よって、そのリフレッシュ制御の実行が必要であると判定するための基準時間を予め設定する。例えば、燃料電池セル84からの出力電力又は出力電圧の有意な低下が、運転開始後1年で生じたとすれば、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定するための所定値t1を1年としてもよいし、祐度を勘案して、その所定値t1を半年と設定してもよい。制御部110には、こうして種々の運転条件に対して(関連付けられて)決定された複数の所定値t1をその運転条件と共に記憶させておくことができる。   On the other hand, prior to the operation of the SOFC device 1, for example, when the SOFC device 1 is operated under various power generation operation conditions using an SOFC testing machine configured in the same manner as the SOFC device 1, the output from the fuel cell 84. The elapsed operation time at the time when the power or the output voltage significantly decreases from an appropriate value (for example, a design specification value) in steady operation is measured. Then, based on the measured value, the fuel cell 84 is in an excessive oxide state, and accordingly, a reference time for determining that the refresh control needs to be executed is set in advance. For example, if a significant decrease in the output power or output voltage from the fuel cell 84 occurs in one year after the start of operation, a predetermined value t1 for estimating that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state is set. One year may be set, or the predetermined value t1 may be set as half a year, taking into account the likelihood. The control unit 110 can store a plurality of predetermined values t1 thus determined (associated) with various operating conditions together with the operating conditions.

なお、そのような試験運転は、必要に応じて加速試験等で代替しても良いし、或いは、シミュレーションによって又はシミュレーションと組み合わせて実施してもよい。また、想定される運転条件のうち、燃料電池セル84の内側電極層90における酸化の程度が最も大きくなる運転条件における所定値t1を他の運転条件に対して用いてもよい。   Such a test operation may be replaced by an acceleration test or the like as necessary, or may be performed by simulation or in combination with simulation. Moreover, you may use predetermined value t1 in the driving | running condition in which the grade of the oxidation in the inner side electrode layer 90 of the fuel cell 84 becomes the largest among the driving | running conditions assumed.

そして、SOFC装置1の稼働時に、制御部110は、タイマ160で計測される経過時間trと適宜の所定値t1の比較演算を行い、tr>t1である場合(ステップS2:YES)には、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定し、燃料電池セル84のリフレッシュ制御へ移行する。一方、tr≦t1である場合(ステップS2:NO)には、燃料電池セル84が酸化物過多状態にない(非酸化物過多状態にある)と推定し、燃料電池セル84のリフレッシュ制御へは移行せずに通常の発電運転の処理に戻る。このように、本実施形態では、制御部110、タイマ160、及び電力状態検出センサ126から酸化推定手段が構成されており、或いは、制御部110が酸化推定手段として機能すると捉えてもよい。   When the SOFC device 1 is in operation, the control unit 110 performs a comparison operation between the elapsed time tr measured by the timer 160 and an appropriate predetermined value t1, and when tr> t1 (step S2: YES), It is presumed that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state, and the control shifts to refresh control of the fuel cell 84. On the other hand, when tr ≦ t1 (step S2: NO), it is estimated that the fuel cell 84 is not in the excessive oxide state (in the non-oxide excess state), and the refresh control of the fuel cell 84 is performed. Return to normal power generation operation processing without shifting. As described above, in the present embodiment, the controller 110, the timer 160, and the power state detection sensor 126 constitute an oxidation estimation unit, or the control unit 110 may function as an oxidation estimation unit.

なお、このステップS2における比較演算は、例えば、SOFC装置1の発電中や発電を休止している夜間等に1回/日の頻度で行ったり、或いは、それよりも短い間隔で実施したり、それよりも長い間隔で実施したりしてもよく、さらには、比較演算の間隔は一定であってもなくてもよい。   In addition, the comparison calculation in this step S2 is performed at a frequency of once / day during power generation of the SOFC device 1 or at night when power generation is stopped, or at a shorter interval, for example. It may be performed at an interval longer than that, and furthermore, the interval of the comparison operation may or may not be constant.

次いで、本実施形態では、直ちにリフレッシュ制御を実行するのではなく、一旦、前述した図10に示す起動工程すなわち起動モード運転が行われているか否かを制御部110によって判定する(ステップS3)。SOFC装置1は、通常、発電と発電休止を繰り返しながら稼働されることが多く(例えば家庭用のSOFC等)、休止状態から発電を再開する際には、起動工程が実行される。このとき、起動モード運転中と判定された場合(ステップS3:YES)には、その起動モード運転において、燃料電池セル84のリフレッシュ制御を実行する(ステップS4)。一方、起動モード運転中ではないと判定された場合(ステップS3:NO)には、リフレッシュ制御を実行せずに通常の発電運転の処理に戻る。このように、本実施形態では、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定された後の最初の起動モード運転中に、リフレッシュ制御が実行される。   Next, in this embodiment, instead of immediately executing the refresh control, the control unit 110 once determines whether or not the startup process shown in FIG. 10, that is, the startup mode operation is performed (step S3). The SOFC device 1 is usually operated while repeating power generation and power generation suspension (for example, a home SOFC), and a startup process is performed when power generation is resumed from a suspended state. At this time, when it is determined that the start mode operation is being performed (step S3: YES), refresh control of the fuel cell 84 is executed in the start mode operation (step S4). On the other hand, when it is determined that the start mode operation is not being performed (step S3: NO), the process returns to the normal power generation operation process without executing the refresh control. As described above, in the present embodiment, the refresh control is executed during the first start-up mode operation after the fuel cell 84 is estimated to be in the excessive oxide state.

このリフレッシュ制御においては、SOFC装置1の稼働中に通常の発電運転が実施されることにより、燃料電池セル84の内側電極層90における、特に、内側電極層90と電解質層94との界面及びその近傍の領域B(図17参照)に形成された酸化物が、十分に還元され得る還元促進条件となるような所定量の燃料ガスを内側電極層90に供給する。なお、そのような還元促進条件を生起させるリフレッシュ制御におけるより具体的な処理については後述する。   In this refresh control, a normal power generation operation is performed during operation of the SOFC device 1, so that the interface between the inner electrode layer 90 and the electrolyte layer 94 in the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 and its A predetermined amount of fuel gas is supplied to the inner electrode layer 90 so that the oxide formed in the nearby region B (see FIG. 17) can be sufficiently reduced. Note that more specific processing in the refresh control that causes such a reduction promotion condition will be described later.

そして、燃料電池セル84のリフレッシュ制御の実行が完了したら、制御部110によって経過時間trをリセットし(ステップS5)、通常の発電運転の処理に戻る。ここで、リセットされた経過時間trは、次の起動モード運転が終了した後、発電運転に移行して発電が開始される時に、タイマ160によって計時が再開される(発電運転再開後のステップS1)。よって、その経過時間trは、燃料電池セル84のリフレッシュ制御を実行した後のSOFC装置1の累積発電時間となり、これにより、発電運転を再開した後のステップS2においては、前回のリフレッシュ制御の実行後からの累積発電時間である経過時間trが所定値t1を超えた場合に、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定される。   When the execution of the refresh control of the fuel cell 84 is completed, the control unit 110 resets the elapsed time tr (step S5) and returns to the normal power generation operation process. Here, the reset elapsed time tr is measured again by the timer 160 when the next start mode operation is completed and then the power generation operation is started and power generation is started (Step S1 after the power generation operation is resumed). ). Therefore, the elapsed time tr is the accumulated power generation time of the SOFC device 1 after executing the refresh control of the fuel cell 84. Thus, in step S2 after restarting the power generation operation, the previous refresh control is executed. It is estimated that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state when the elapsed time tr, which is the accumulated power generation time later, exceeds the predetermined value t1.

このように構成された本発明によるSOFC装置1によれば、通常時は発電効率が高い状態で発電を行いながら、酸化推定手段及び制御手段である制御部110によって、燃料電池セル84の状態をモニターし、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定された場合に、内側電極層90に所定量の燃料ガス(水素ガスリッチであり還元性に富む)を供給して還元促進条件を生起させることにより、内側電極層90の表層のみならずその内部の電解質層94との界面及びその近傍に生じた酸化物を、燃料ガス中の水素ガスの還元力によって十分に還元することができる。   According to the SOFC device 1 according to the present invention configured as described above, the state of the fuel cell 84 is changed by the control unit 110 which is the oxidation estimation unit and the control unit while generating power in a state where the power generation efficiency is high normally. Monitor and supply a predetermined amount of fuel gas (hydrogen gas rich and highly reducible) to the inner electrode layer 90 when the fuel cell 84 is estimated to be in an excessive oxide state, thereby causing reduction promotion conditions As a result, not only the surface layer of the inner electrode layer 90 but also the oxide generated at the interface with the electrolyte layer 94 and the vicinity thereof can be sufficiently reduced by the reducing power of the hydrogen gas in the fuel gas.

その結果、内側電極層90ひいては燃料電池セル84を十分にリフレッシュさせることができるので、燃料電池セル84が酸化物過多状態となるまでは、発電に寄与しない燃料ガスの供給を極力抑えた状態で発電効率を高めることができ、燃料電池セル84が酸化物過多状態になった場合にリフレッシュ制御を実行することにより、燃料電池セル84の発電性能を運転初期の高い状態に回復させることができる。したがって、運転中における発電性能の低下を有効に防止して優れた発電能力を維持しつつ、高発電効率での運転継続を実現することが可能となる。   As a result, the inner electrode layer 90 and thus the fuel cell 84 can be sufficiently refreshed, so that the supply of fuel gas that does not contribute to power generation is suppressed as much as possible until the fuel cell 84 is in an excessive oxide state. The power generation efficiency can be increased, and the power generation performance of the fuel battery cell 84 can be recovered to a high initial operation state by executing the refresh control when the fuel battery cell 84 is in an excessive oxide state. Accordingly, it is possible to achieve continuous operation with high power generation efficiency while effectively preventing a decrease in power generation performance during operation and maintaining excellent power generation capacity.

また、制御部110により、SOFC装置1の運転開始後の経過時間tr(累積発電時間)、又は、リフレッシュ制御後の発電運転における経過時間trと、燃料電池セル84が酸化物過多状態であるか否かを推定するために予め設定した基準時間である所定値t1との比較結果に基づいて、かかる推定を行うので、その推定精度(確度)を十分に且つ極めて簡便に高めることが可能となり、これにより、燃料電池セル84の発電性能を適時に且つ効果的に回復させることができる。   Further, the controller 110 causes the elapsed time tr (cumulative power generation time) after the start of the operation of the SOFC device 1 or the elapsed time tr in the power generation operation after the refresh control, and whether the fuel cell 84 is in an excessive oxide state. Since this estimation is performed based on a comparison result with a predetermined value t1 that is a preset reference time for estimating whether or not, it is possible to sufficiently and extremely easily increase the estimation accuracy (accuracy) Thereby, the power generation performance of the fuel cell 84 can be recovered in a timely and effective manner.

さらに、制御部110によって燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定された後の最初の起動モード運転時に、燃料電池セル84のリフレッシュ制御を実行するので、そのような推定がされて時点で通常の発電運転を実施中であっても、次の起動モード運転までは、低発電効率ながらも発電を継続することが可能となる。よって、リフレッシュ制御のために発電を停止又は休止する必要がないので、不意な発電停止を回避して、稼働率の低下等のSOFC装置1を実使用する際の不都合を抑止することができる。また、発電に先駆けて、起動モード運転時に燃料電池セル84の発電性能を有効に回復させることができるので、更に効率よい発電を実現することが可能となる。   Furthermore, since refresh control of the fuel cell 84 is executed during the first start-up mode operation after the fuel cell 84 is estimated to be in an excessive oxide state by the control unit 110, the time when such estimation is made. Thus, even during normal power generation operation, it is possible to continue power generation with low power generation efficiency until the next start-up mode operation. Therefore, since it is not necessary to stop or stop power generation for refresh control, it is possible to avoid inadvertent power generation stop and suppress inconveniences in actual use of the SOFC device 1 such as a reduction in operating rate. In addition, prior to power generation, the power generation performance of the fuel cell 84 can be effectively recovered during the start-up mode operation, so that more efficient power generation can be realized.

ここで、図12(A)及び(B)は、SOFC装置1の起動時の動作を示すタイムチャートであって、図12(A)は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にない(非酸化物過多状態にある)と推定された場合に実行される通常の起動モード運転における動作を模式的に示す図であり、図12(B)は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定された場合に実行されるリフレッシュ制御における起動モード運転の一例における動作を模式的に示す図である。この図12(A)は、基本的に、図10に示すタイムチャートにおける動作と同等であり、また、図12(B)に示す動作は、制御部110の制御により、水蒸気改質反応(SR)工程の実施時間が、図12(A)に示す動作における同工程の実施時間よりも長くされていること以外は、その図12(A)に示すタイムチャートの動作と同様である。具体的には、例えば、図12(B)に示す起動モード運転では、水蒸気改質反応(SR)工程の実施時間を、図12(A)に示す起動モード運転よりも30分延長する。   Here, FIGS. 12A and 12B are time charts showing the operation at the time of startup of the SOFC device 1, and FIG. 12A shows that the fuel cell 84 is not in an excessive oxide state (non-existing state). FIG. 12B is a diagram schematically showing an operation in a normal start-up mode operation that is executed when it is estimated that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state. FIG. It is a figure which shows typically the operation | movement in an example of the starting mode driving | operation in the refresh control performed when it estimates. 12A is basically equivalent to the operation in the time chart shown in FIG. 10, and the operation shown in FIG. 12B is controlled by the control unit 110 under the steam reforming reaction (SR). ) The operation time of the process is the same as the operation of the time chart shown in FIG. 12A except that the execution time of the process is longer than the execution time of the process in the operation shown in FIG. Specifically, for example, in the start-up mode operation shown in FIG. 12B, the implementation time of the steam reforming reaction (SR) step is extended by 30 minutes compared to the start-up mode operation shown in FIG.

こうすることにより、起動モード運転において生じる3つの反応工程のうち、水蒸気改質反応(SR)による水素ガスの収率が最も高いので、燃料電池セル84の内側電極層90への水素ガスの供給量をより高めることができ、これにより、燃料電池セル84の発電性能の回復を極めて効果的に実現することができる。   By doing so, the hydrogen gas yield by the steam reforming reaction (SR) is the highest among the three reaction steps that occur in the start-up mode operation, so the supply of hydrogen gas to the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 is performed. The amount can be further increased, whereby the recovery of the power generation performance of the fuel cell 84 can be realized extremely effectively.

上記の図12(A)及び(B)に示す制御運転は、リフレッシュ制御を起動モード運転において実行する手順の一例であり、さらに、図13〜図15を参照して、リフレッシュ制御を発電運転時に実行する手順の例について説明する。   The control operation shown in FIGS. 12A and 12B is an example of a procedure for executing the refresh control in the start-up mode operation. Further, referring to FIGS. 13 to 15, the refresh control is performed during the power generation operation. An example of the procedure to be executed will be described.

図13は、SOFC装置1においてリフレッシュ制御の有無による出力電流と燃料ガス流量との関係の一例を示すグラフである。同図において、破線で示す曲線は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にない(非酸化物過多状態にある)ときの燃料供給テーブル(基本燃料供給テーブル)を表しており、制御部110は、通常の発電運転においては、予め定められたその基本燃料供給テーブルに即して、燃料ガスを供給する。一方、実線で示す曲線は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるときの燃料供給テーブル(リフレッシュ制御時燃料供給テーブル)を表しており、制御部110は、リフレッシュ制御においては、予め定められたそのリフレッシュ制御時燃料供給テーブルに即して、燃料ガスを供給する。   FIG. 13 is a graph showing an example of the relationship between the output current and the fuel gas flow rate depending on whether or not the refresh control is performed in the SOFC device 1. In the figure, a curve indicated by a broken line represents a fuel supply table (basic fuel supply table) when the fuel cell 84 is not in an excessive oxide state (in a non-oxide excess state). In normal power generation operation, fuel gas is supplied in accordance with a predetermined basic fuel supply table. On the other hand, a curve indicated by a solid line represents a fuel supply table (refresh control fuel supply table) when the fuel cell 84 is in an excessive oxide state, and the control unit 110 is predetermined in the refresh control. The fuel gas is supplied in accordance with the fuel supply table during the refresh control.

すなわち、燃料電池セル84のリフレッシュ制御の実行時は、通常の発電運転時に比して、同等の出力電流を得るための燃料ガス流量を増大させ、燃料ガスの利用率を低下させる。これにより、燃料電池セル84の他端側(寄り)における燃料ガスに含まれる水素ガス濃度を有意に高めることができるので、内側電極層90の酸化物の還元を促進して、燃料電池セル84の発電性能をより確実に且つより迅速に回復させ得る。   That is, when the refresh control of the fuel cell 84 is executed, the fuel gas flow rate for obtaining the same output current is increased and the utilization rate of the fuel gas is decreased as compared with the normal power generation operation. As a result, the concentration of hydrogen gas contained in the fuel gas on the other end side (near side) of the fuel cell 84 can be significantly increased, so that the reduction of the oxide of the inner electrode layer 90 is promoted, and the fuel cell 84 The power generation performance can be recovered more reliably and more quickly.

また、図13に示す例では、基本燃料供給テーブルに沿って付加追従運転を行えば、本来、最大7Aの発電電流を出力することが可能であるところ、リフレッシュ制御時燃料供給テーブルに沿った運転を行う際には、最大でも4Aの発電電流しか出力されないような制御が実施される。すなわち、リフレッシュ制御の実行時には、通常の発電運転に比して発電を抑制するので、燃料電池セル84の内側電極層90へ新たに供給される酸素イオンの量を低減して、内側電極層90における新たな酸化物の生成を抑止し、これにより、燃料電池セル84の発電性能の回復速度を向上させることが可能となる。   In addition, in the example shown in FIG. 13, if additional follow-up operation is performed along the basic fuel supply table, it is possible to output a generated current of a maximum of 7 A originally, but operation along the fuel supply table during refresh control. When performing the above, control is performed so that only a generated current of 4 A is output at the maximum. That is, when refresh control is executed, power generation is suppressed as compared with normal power generation operation. Therefore, the amount of oxygen ions newly supplied to the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 is reduced, and the inner electrode layer 90 is reduced. It is possible to suppress the generation of new oxides in, thereby improving the recovery speed of the power generation performance of the fuel cell 84.

また、図14は、SOFC装置1においてリフレッシュ制御の有無による出力電流とスタック温度との関係の一例を示すグラフである。同図において、破線で示す曲線に囲まれた網掛け部は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にない(非酸化物過多状態にある)ときのスタック温度の範囲(基本温度帯域)を表しており、制御部110は、通常の発電運転においては、スタック温度が予め定められたその基本温度帯域の範囲内の値に維持されるように、燃料ガスを供給する。一方、実線で示す曲線に囲まれた網掛け部は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるときのスタック温度の範囲(リフレッシュ制御時温度帯域)を表しており、制御部110は、リフレッシュ制御の実行時には、スタック温度が予め定められたそのリフレッシュ制御時温度帯域の範囲内の値に維持されるように、燃料ガスを供給する。   FIG. 14 is a graph showing an example of the relationship between the output current and the stack temperature depending on whether or not the refresh control is performed in the SOFC device 1. In the figure, the shaded portion surrounded by the curve indicated by the broken line represents the stack temperature range (basic temperature band) when the fuel cell 84 is not in the excessive oxide state (in the non-oxide excess state). In the normal power generation operation, the control unit 110 supplies the fuel gas so that the stack temperature is maintained within a predetermined range of the basic temperature range. On the other hand, the shaded portion surrounded by the curve indicated by the solid line represents the stack temperature range (refresh control temperature range) when the fuel cell 84 is in the excessive oxide state. When the control is executed, the fuel gas is supplied so that the stack temperature is maintained at a value within a predetermined temperature range of the refresh control.

このようにして、燃料電池セル84のリフレッシュ制御では、通常の発電運転時に比して、同等の出力電流を得るために、燃料電池セル84の温度をより高めることにより、内側電極層90における酸化物の還元反応を更に促進することができ、その結果、燃料電池セル84の発電性能をより一層確実に且つ迅速に回復させることが可能となる。   In this way, in the refresh control of the fuel cell 84, the temperature of the fuel cell 84 is further increased to obtain an equivalent output current as compared with the normal power generation operation, thereby oxidizing the inner electrode layer 90. The reduction reaction of the product can be further promoted, and as a result, the power generation performance of the fuel cell 84 can be recovered more reliably and quickly.

また、図14に示す例の如く、リフレッシュ制御を実行している時の燃料電池セル84の温度を、通常の発電運転における発電電流の上限(7A)に対応して予め定められている上限温度(650℃)よりも高くするので、内側電極層90における酸化物の還元反応を、通常の発電運転時よりも確実に促進させることができ、これにより、燃料電池セル84の発電性能を更に一層確実に且つ迅速に回復させることが可能になる。   Further, as in the example shown in FIG. 14, the temperature of the fuel cell 84 when the refresh control is executed is set to a predetermined upper limit temperature corresponding to the upper limit (7A) of the generated current in the normal power generation operation. Since the temperature is higher than (650 ° C.), the reduction reaction of the oxide in the inner electrode layer 90 can be more surely promoted than in the normal power generation operation, thereby further improving the power generation performance of the fuel cell 84. It becomes possible to recover reliably and quickly.

さらに、図15は、SOFC装置1においてリフレッシュ制御の有無による出力電流と燃料ガス流量との関係の別の一例を示すグラフである。同図において、破線で示す曲線は、図13におけるのと同じ燃料供給テーブル(基本燃料供給テーブル)を表している。一方、2つの黒塗り丸印は、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるときの出力電流と燃料ガスの流量を表しており、制御部110は、リフレッシュ制御においては、発電量を一定(出力電流=0.5A:リフレッシュ制御時A)にするか、或いは、発電を停止(出力電流=0A:リフレッシュ制御時B)する制御を実施する。   Further, FIG. 15 is a graph showing another example of the relationship between the output current and the fuel gas flow rate depending on whether or not the refresh control is performed in the SOFC device 1. In the figure, a curve indicated by a broken line represents the same fuel supply table (basic fuel supply table) as in FIG. On the other hand, the two black circles indicate the output current and the flow rate of the fuel gas when the fuel cell 84 is in the excessive oxide state, and the control unit 110 keeps the power generation amount constant in the refresh control ( Output current = 0.5 A: during refresh control A), or control to stop power generation (output current = 0 A: during refresh control B).

これらのうち、リフレッシュ制御時Aの条件では、燃料電池セル84における発電量が一定にされるので、燃料電池セル84の内側電極層90へ新たに供給される酸素イオンの量的変動を抑制することができ、また、リフレッシュ制御時Bの条件では、燃料電池セル84における発電が停止されるので、燃料電池セル84の内側電極層90へ新たに供給される酸素イオンを格段に低減することができる。よって、かかる制御を実施することにより、燃料電池セル84の発電性能をより安定的に回復させることが可能となる。   Among these, the power generation amount in the fuel cell 84 is made constant under the condition of the refresh control time A, so that the quantitative fluctuation of oxygen ions newly supplied to the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 is suppressed. In addition, since the power generation in the fuel cell 84 is stopped under the condition B during the refresh control, oxygen ions newly supplied to the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 can be significantly reduced. it can. Therefore, by performing such control, the power generation performance of the fuel cell 84 can be recovered more stably.

このとき、リフレッシュ制御時Aにおける出力電流(0.5A)を、切換器55を操作して、補機ユニット4(図1及び図9参照)の構成機器に供給することもでき、この場合、補機ユニット4への供給電流を安定化させることが望ましい。そうすれば、燃料電池セル84の内側電極層90における還元(反応)の進行に伴って、補機ユニット4への電力供給が変動することに起因して補機ユニット4の構成機器に不具合が生じてしまうことを抑止することが可能となる。また、リフレッシュ制御時Aであっても、その時の出力電流を補機ユニット4へ供給しなくてもよく、そうすれば、補機ユニット4の構成機器を確実に保護してその不具合の発生を更に防止することができる。   At this time, the output current (0.5 A) at the time of refresh control A can also be supplied to the component equipment of the auxiliary unit 4 (see FIGS. 1 and 9) by operating the switch 55. In this case, It is desirable to stabilize the supply current to the auxiliary machine unit 4. Then, as the reduction (reaction) in the inner electrode layer 90 of the fuel cell 84 progresses, the power supply to the auxiliary unit 4 fluctuates, and the components of the auxiliary unit 4 are defective. It is possible to suppress the occurrence. Further, even during the refresh control A, it is not necessary to supply the output current at that time to the auxiliary unit 4, so that the constituent devices of the auxiliary unit 4 can be reliably protected and the occurrence of the malfunction can be prevented. Further, it can be prevented.

かかる有利な作用効果は、補機ユニット4への電力供給すら停止させるリフレッシュ制御時Bの制御を行う場合にも同様に奏され、このリフレッシュ制御時Bの制御においては、燃料電池セル84における反応の熱自立に必要な量以上の燃料ガスが内側電極層90に供給され、これにより、内側電極層90における還元反応を促進させることができる。   This advantageous effect is also obtained when the control at the refresh control time B for stopping even the power supply to the auxiliary unit 4 is performed. In the control at the refresh control time B, the reaction in the fuel cell 84 is performed. The fuel gas more than the amount necessary for the heat self-sustainment is supplied to the inner electrode layer 90, thereby promoting the reduction reaction in the inner electrode layer 90.

また、図16(A)及び(B)は、SOFC装置1において、リフレッシュ制御を行う処理手順の他の例を示すタイムチャートである。この例では、まず、起動モード運転を実施すると、燃料電池セル84の温度上昇に伴って、電力を取り出していない開回路状態での開回路電圧OCVが160V程度まで上昇する。それから、燃料電池セル84が発電に十分な温度にまで昇温されると、通常の発電運転に移行する。   FIGS. 16A and 16B are time charts showing another example of a processing procedure for performing refresh control in the SOFC apparatus 1. In this example, first, when the start-up mode operation is performed, the open circuit voltage OCV in the open circuit state in which power is not taken out increases to about 160 V as the temperature of the fuel cell 84 rises. Then, when the temperature of the fuel cell 84 is raised to a temperature sufficient for power generation, the operation shifts to normal power generation operation.

発電運転に入り、発電(燃料電池セル84からの電力の取り出し:より具体的には、図16(B)に示すとおり、例えば電流Itを出力させる)を開始すると、図16(A)に実線で示すとおり、取り出される電力の大きさに応じて電圧が低下(降下)する。この実線に示すように、低下後の出力電圧が、電流Itに応じて予め定められている電圧基準値である下限電圧Vlimit(図16(A)参照)を下回らない場合には、燃料電池セル84は酸化物過多状態にない(非酸化物過多状態にある)と推定する。 It enters the power generation operation, the power generation (power from the fuel cell 84 is taken out: more specifically, as shown in FIG. 16 (B), for example, a current to output the I t) When starting the, in FIG. 16 (A) As indicated by the solid line, the voltage decreases (drops) in accordance with the magnitude of the extracted power. As shown in solid line, the output voltage after drop, if not less than the lower limit voltage V limit (see FIG. 16 (A)) is the voltage reference value is predetermined in accordance with the current I t, the fuel It is presumed that the battery cell 84 is not in the oxide excess state (is in the non-oxide excess state).

ここで、本発明者らが、SOFC装置1と同等の構成を有する装置を用いた運転試験の結果から定めた上記電流Itと下限電圧Vlimitの設定(テーブル)例を以下に示す。
・It=7Aのとき、Vlimit=109V
・It=6Aのとき、Vlimit=112V
・It=5Aのとき、Vlimit=115V
・It=4Aのとき、Vlimit=119V
・It=3Aのとき、Vlimit=124V
・It=2Aのとき、Vlimit=129V
Here, the present inventors show SOFC device 1 and the equivalent settings of the current I t and the lower limit voltage V limit that defines the result of the operation test using the apparatus having the configuration of (table) Example below.
・ When I t = 7A, V limit = 109V
・ When I t = 6A, V limit = 112V
・ When I t = 5A, V limit = 115V
・ When I t = 4A, V limit = 119V
・ When I t = 3A, V limit = 124V
・ When I t = 2A, V limit = 129V

他方、図16(A)に破線で示すように、低下後の出力電圧が、下限電圧Vlimitを下回った場合には、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定し、例えば、先述した図12(A)及び(B)〜図15に示す手順によりリフレッシュ制御を実行する。こうすることにより、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるか否かの推定精度(確度)を更に高めることができるので、燃料電池セル84の発電性能の回復特性を更に向上させることができる。 On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 16A, when the output voltage after the decrease is lower than the lower limit voltage V limit , it is estimated that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state. The refresh control is executed according to the procedure shown in FIGS. 12 (A) and 12 (B) to FIG. By doing so, it is possible to further improve the estimation accuracy (accuracy) of whether or not the fuel cell 84 is in an excessive oxide state, so that the recovery characteristic of the power generation performance of the fuel cell 84 can be further improved. .

なお、上述したとおり、本発明は上記の実施の形態において説明した具体例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の技術的範囲に包含される。換言すれば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに制限されず適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の技術的範囲に包含される。   In addition, as above-mentioned, this invention is not limited to the specific example demonstrated in said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the limit which does not change the summary. That is, those obtained by appropriately modifying the design of those specific examples by those skilled in the art are also included in the technical scope of the present invention as long as they have the features of the present invention. In other words, the elements included in the specific examples described above and their arrangement, materials, conditions, shapes, sizes, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. Moreover, each element with which each embodiment mentioned above is provided can be combined as much as technically possible, and the combination of these is also included in the technical scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

例えば、図11に示す処理手順において、リフレッシュ制御を実行した後、経過時間trをリセットせずに(つまり、ステップS5を省略して)、通常の発電運転に戻ってタイマ160による計時を再開し、ステップS1においては、その計測時間をリフレッシュ制御実行前の経過時間trに加算してもよい。この場合、経過時間trは、SOFC装置1における最初の通常の発電運転開始からの総積算累積発電時間を表し、ステップS2においては、この経過時間trと所定値t1との比較結果に基づいて、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるか否かを推定してもよい。   For example, in the processing procedure shown in FIG. 11, after the refresh control is executed, the elapsed time tr is not reset (that is, step S5 is omitted), and the time measurement by the timer 160 is resumed by returning to the normal power generation operation. In step S1, the measurement time may be added to the elapsed time tr before execution of the refresh control. In this case, the elapsed time tr represents the total accumulated cumulative power generation time from the start of the first normal power generation operation in the SOFC device 1, and in step S2, based on the comparison result between the elapsed time tr and the predetermined value t1, It may be estimated whether or not the fuel cell 84 is in an excessive oxide state.

また、同図の処理手順において、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるか否かを推定するために、経過時間trとその所定値t1に代えて、総発電量wrとその所定値w1を用いてもよい。すなわち、ステップS1において、発電前の最初の起動工程(起動モード運転)を実施した後に、制御部110が、電力状態検出センサ126によるインバータ54の電流及び電圧の検知信号に基づいて、発電開始からの総発電量wrを検出する。次いで、ステップS2では、制御部110は、発電時間に対する所定値t1と同様に予め設定しておいた発電量に対する所定値w1と測定された総発電量wrとの比較演算を行い、wr>w1であるとき(ステップS2:YES)には、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定してステップS3及びS4を実施してリフレッシュ制御を実行し、wr≦w1であるとき(ステップS2:NO)には、燃料電池セル84が酸化物過多状態にはない(非酸化物過多状態にある)と推定してリフレッシュ制御を行わずに通常の発電運転の処理に戻る。   Further, in the processing procedure of the figure, in order to estimate whether or not the fuel cell 84 is in an excessive oxide state, instead of the elapsed time tr and its predetermined value t1, the total power generation amount wr and its predetermined value w1. May be used. That is, in step S <b> 1, after performing the first start-up process (start-up mode operation) before power generation, the control unit 110 starts power generation from the start of power generation based on the current and voltage detection signals of the inverter 54 by the power state detection sensor 126. Is detected. Next, in step S2, the control unit 110 performs a comparison operation between the predetermined value w1 for the preset power generation amount and the measured total power generation amount wr, similarly to the predetermined value t1 for the power generation time, and wr> w1. (Step S2: YES), it is estimated that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state, and steps S3 and S4 are performed to perform refresh control. When wr ≦ w1 is satisfied (step S2 : NO), it is estimated that the fuel cell 84 is not in the excessive oxide state (in the excessive non-oxide state), and the process returns to the normal power generation operation without performing the refresh control.

このような手順によっても、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあるか否かの推定精度(確度)を十分に且つ極めて簡便に高めることが可能であるので、燃料電池セル84の発電性能を適時に且つ効果的に回復させることができる。   Even by such a procedure, the estimation accuracy (accuracy) as to whether or not the fuel cell 84 is in an excessive oxide state can be sufficiently and extremely easily increased, so that the power generation performance of the fuel cell 84 can be improved. It can be recovered in a timely and effective manner.

またこの場合、経過時間trに対するリセットの要否と同様に、総発電量wrを、ステップS5においてリセットしてもよいし、ステップS5を省略してリセットしなくてもよい。前者の如く、ステップS5を実施した場合には、その総発電量wrは、燃料電池セル84のリフレッシュ制御を実行した後のSOFC装置1の発電量の積算値となり、通常の発電運転を再開した後のステップS2においては、前回のリフレッシュ制御の実行後からの総発電量wrが所定値w1を超えた場合に、燃料電池セル84が酸化物過多状態にあると推定される。   Further, in this case, the total power generation amount wr may be reset in step S5, or may not be reset by omitting step S5, as in the case of necessity of reset for the elapsed time tr. As in the former case, when step S5 is performed, the total power generation amount wr becomes an integrated value of the power generation amount of the SOFC device 1 after executing the refresh control of the fuel cell 84, and normal power generation operation is resumed. In the subsequent step S2, it is estimated that the fuel cell 84 is in an excessive oxide state when the total power generation amount wr after execution of the previous refresh control exceeds a predetermined value w1.

さらに、燃料電池セル84のリフレッシュ制御を起動モード運転において実行する際には、図12(B)に示すような水蒸気改質反応(SR)の延長を行わず、燃料電池セル84の燃料極層である内側電極層90に供給する燃料ガスの供給量を、リフレッシュ制御を実行しない通常の起動モード運転において内側電極層90に供給する燃料ガスの供給量よりも大きくするような制御を行ってもよい。   Further, when the refresh control of the fuel cell 84 is executed in the start-up mode operation, the steam reforming reaction (SR) as shown in FIG. Even if control is performed such that the supply amount of the fuel gas supplied to the inner electrode layer 90 is larger than the supply amount of the fuel gas supplied to the inner electrode layer 90 in the normal start-up mode operation in which the refresh control is not executed. Good.

そうすることにより、通常の起動モード運転では、燃料電池セル84の加熱に必要十分量の燃料ガスを供給して燃料ガスの使用量の増大を抑止しつつ、リフレッシュ制御を行う起動モード運転では、燃料電池セル84への燃料ガスの供給量を増大させることによって内側電極層90の酸化物を十分に還元することができるので、発電性能の確実且つ十分な回復と、経済性及び操作性の向上を両立させることが可能となる。   By doing so, in the normal start-up mode operation, the fuel cell 84 is supplied with a sufficient amount of fuel gas to heat the fuel cell 84 to suppress an increase in the amount of fuel gas used, and in the start-up mode operation in which refresh control is performed, Since the oxide of the inner electrode layer 90 can be sufficiently reduced by increasing the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 84, the power generation performance can be reliably and sufficiently recovered, and the economy and operability can be improved. It is possible to achieve both.

以上説明したとおり、本発明のSOFC装置によれば、その運転中における発電性能の低下を防止することができ、これにより、優れた発電能力を維持しつつ高い発電効率で発電運転を継続することが可能となるので、種々の用途に使用可能なSOFC、それを備える機器、装置、システム、及び設備等、並びに、それらの製造及び使用に、広く且つ有効に利用することができる。   As described above, according to the SOFC device of the present invention, it is possible to prevent a decrease in power generation performance during the operation, thereby continuing the power generation operation with high power generation efficiency while maintaining excellent power generation capacity. Therefore, it can be widely and effectively used for SOFC that can be used in various applications, equipment, devices, systems, equipment, and the like equipped with the SOFC, and their production and use.

1:固体酸化物形燃料電池(SOFC)装置、2:燃料電池モジュール、4:補機ユニット(補機)、6:ハウジング、8:密封空間、10:発電室、12:燃料電池セル集合体、12a:上面、12b:下面、12c:長辺側面、12d:短辺側面、14:燃料電池セルスタック、16:燃料電池セルユニット、18:燃焼室、20:改質器、22:熱交換器、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、32:ガス遮断弁、36:脱硫器、38:燃料流量調整ユニット、40:空気供給源、42:電磁弁、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、46:第1ヒータ、48:第2ヒータ、50:温水製造装置、52:制御ボックス、54:インバータ、55:切換器、56:ケーシング、58:蒸発混合器、60:被改質ガス供給管、62:水供給管、64:燃料供給管、66:マニホールド、66a:下端側、68:燃料ガスタンク、70:燃焼ガス配管、72:発電用空気流路、72a:出口ポート、74:発電用空気導入管、74a:導入口、76:発電用空気供給路、78:吹出口、80:燃焼ガス排出室、82:燃焼ガス排出管、83:点火装置、84:燃料電池セル、86:内側電極端子、88:燃料ガス流路、90:内側電極層(燃料極層)、90a:上部、90b:外周面、90c:上端面、92:外側電極層(空気極層)、94:電解質層(固体電解質層)、96:シール材、98:燃料ガス流路、110:制御部(制御手段)、112:操作装置、114:表示装置、116:報知装置、120:可燃ガス検出センサ、122:検出センサ、124:貯湯状態検出センサ、126:電力状態検出センサ(制御手段)、128:発電用空気流量検出センサ、130:改質用空気流量センサ、132:燃料流量センサ、134:水流量センサ、136:水位センサ、138:圧力センサ、140:排気温度センサ、142:発電室温度センサ、144:燃焼室温度センサ、146:排気ガス室温度センサ、148:改質器温度センサ、150:外気温度センサ、160:タイマ(制御手段)。   1: solid oxide fuel cell (SOFC) device, 2: fuel cell module, 4: auxiliary unit (auxiliary), 6: housing, 8: sealed space, 10: power generation chamber, 12: fuel cell assembly 12a: upper surface, 12b: lower surface, 12c: long side surface, 12d: short side surface, 14: fuel cell stack, 16: fuel cell unit, 18: combustion chamber, 20: reformer, 22: heat exchange 24: water supply source, 26: pure water tank, 28: water flow rate adjustment unit, 30: fuel supply source, 32: gas shutoff valve, 36: desulfurizer, 38: fuel flow rate adjustment unit, 40: air supply source 42: solenoid valve, 44: reforming air flow rate adjustment unit, 45: power generation air flow rate adjustment unit, 46: first heater, 48: second heater, 50: hot water production apparatus, 52: control box, 54: Inverter, 55: off 56: casing, 58: evaporative mixer, 60: reformed gas supply pipe, 62: water supply pipe, 64: fuel supply pipe, 66: manifold, 66a: lower end side, 68: fuel gas tank, 70: combustion Gas piping, 72: Air flow passage for power generation, 72a: Outlet port, 74: Air introduction pipe for power generation, 74a: Inlet, 76: Air supply passage for power generation, 78: Air outlet, 80: Combustion gas discharge chamber, 82 : Combustion gas discharge pipe, 83: ignition device, 84: fuel cell, 86: inner electrode terminal, 88: fuel gas flow path, 90: inner electrode layer (fuel electrode layer), 90a: upper part, 90b: outer peripheral surface, 90c: upper end surface, 92: outer electrode layer (air electrode layer), 94: electrolyte layer (solid electrolyte layer), 96: sealing material, 98: fuel gas flow path, 110: control unit (control means), 112: operation Device, 114: display device, 116: report Apparatus: 120: combustible gas detection sensor, 122: detection sensor, 124: hot water storage state detection sensor, 126: power state detection sensor (control means), 128: air flow rate detection sensor for power generation, 130: air flow rate sensor for reforming, 132: Fuel flow sensor, 134: Water flow sensor, 136: Water level sensor, 138: Pressure sensor, 140: Exhaust temperature sensor, 142: Power generation chamber temperature sensor, 144: Combustion chamber temperature sensor, 146: Exhaust gas chamber temperature sensor, 148: reformer temperature sensor, 150: outside air temperature sensor, 160: timer (control means).

Claims (13)

燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置であって、
炭化水素を含む原料ガスを改質して水素ガスを含む前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料ガスが供給される燃料極層、前記酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、該燃料極層と該空気極層との間に設けられた固体電解質層を有し、且つ、一端側から他端側に前記燃料ガスが流される燃料電池セルと、
前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
当該固体酸化物形燃料電池装置の運転状態を監視及び制御する制御手段と、
前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあるか否かを推定する酸化推定手段と、
を備えており、
前記制御手段は、前記酸化推定手段によって前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された場合に、所定の還元促進条件となるように前記燃料極層に前記燃料ガスを供給するリフレッシュ制御を実行するものである、
固体酸化物形燃料電池装置。
A solid oxide fuel cell device that generates power with fuel gas and oxidant gas,
A reformer for reforming a raw material gas containing hydrocarbons to produce the fuel gas containing hydrogen gas;
A fuel electrode layer supplied with the fuel gas, an air electrode layer supplied with the oxidant gas, and a solid electrolyte layer provided between the fuel electrode layer and the air electrode layer, and A fuel cell in which the fuel gas flows from one end side to the other end side;
Fuel gas supply means for supplying the fuel gas to the fuel electrode layer;
Oxidant gas supply means for supplying the oxidant gas to the air electrode layer;
Control means for monitoring and controlling the operating state of the solid oxide fuel cell device;
Oxidation estimation means for estimating whether or not the fuel cell is in an excessive oxide state;
With
The control means is a refresh control for supplying the fuel gas to the fuel electrode layer so as to satisfy a predetermined reduction promotion condition when the fuel cell is estimated to be in an excessive oxide state by the oxidation estimating means. Is to perform
Solid oxide fuel cell device.
前記制御手段は、前記リフレッシュ制御を実行している時の前記燃料ガスの利用率を、前記リフレッシュ制御を実行していない時の前記燃料ガスの利用率よりも低下させるものである、
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means is configured to lower the utilization rate of the fuel gas when the refresh control is being performed than the utilization rate of the fuel gas when the refresh control is not being performed.
The solid oxide fuel cell device according to claim 1.
前記燃料電池セルを通過した燃料ガスを燃焼させ、該燃焼熱により該燃料電池セルを加熱する燃焼部を備え、
前記制御手段は、前記リフレッシュ制御を実行している時は、前記リフレッシュ制御を実行していない時よりも燃料ガスの利用率を低下させるとともに、前記燃料電池セルを通過する燃料ガスの流量を増加させて前記燃焼熱を大きくするものである、
請求項2記載の固体酸化物形燃料電池装置。
Combusting the fuel gas that has passed through the fuel cell, and comprising a combustion section that heats the fuel cell with the combustion heat,
The control means reduces the fuel gas utilization rate when the refresh control is being executed and increases the flow rate of the fuel gas passing through the fuel cell than when the refresh control is not being executed. To increase the heat of combustion,
The solid oxide fuel cell device according to claim 2.
前記制御手段は、前記リフレッシュ制御を実行している時の前記燃料電池セルの温度を、前記リフレッシュ制御を実行していない時の発電電力に応じて予め定められている温度よりも高くするものである、
請求項3記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means makes the temperature of the fuel cell when the refresh control is executed higher than a temperature predetermined according to the generated electric power when the refresh control is not executed. is there,
The solid oxide fuel cell device according to claim 3.
前記制御手段は、前記リフレッシュ制御を実行している時の燃料電池セルの温度を、リフレッシュ制御を実行していない時の発電電力の上限に応じて予め定められている温度よりも高くするものである、
請求項4記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means is configured to make the temperature of the fuel cell when the refresh control is being executed higher than a predetermined temperature according to the upper limit of the generated power when the refresh control is not being executed. is there,
The solid oxide fuel cell device according to claim 4.
前記制御手段は、前記リフレッシュ制御を実行している時に、前記燃料電池セルにおける発電を、該燃料電池セルが酸化物過多状態にない場合に比して抑制するものである、
請求項5記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means suppresses power generation in the fuel battery cell when the refresh control is executed as compared with a case where the fuel battery cell is not in an excessive oxide state.
The solid oxide fuel cell device according to claim 5.
前記制御手段は、前記燃料電池セルを発電可能な温度に加熱する起動モード運転を実行し、且つ、前記酸化推定手段によって前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定された後の最初の起動モード運転時に、前記リフレッシュ制御を実行するものである、
請求項3記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means performs a start-up mode operation in which the fuel cell is heated to a temperature capable of generating power, and the first time after the fuel cell is estimated to be in an excessive oxide state by the oxidation estimation means. The refresh control is executed during start-up mode operation.
The solid oxide fuel cell device according to claim 3.
前記制御手段は、前記リフレッシュ制御を実行する前記起動モード運転において前記燃料極層に供給する前記燃料ガスの供給量を、前記リフレッシュ制御を実行しない前記起動モード運転において前記燃料極層に供給する前記燃料ガスの供給量よりも大きくするものである、
請求項7記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means supplies the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode layer in the start-up mode operation for executing the refresh control to the fuel electrode layer in the start-up mode operation that does not execute the refresh control. Is larger than the fuel gas supply,
The solid oxide fuel cell device according to claim 7.
前記制御手段は、前記起動モード運転において、部分酸化改質反応工程、オートサーマル改質反応工程、及び、水蒸気改質反応工程を実行し、且つ、前記リフレッシュ制御を実行する前記起動モード運転における前記水蒸気改質反応工程の実行時間を、前記リフレッシュ制御を実行しない前記起動モード運転における前記水蒸気改質反応工程の実行時間よりも長くするものである、
請求項8記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The control means performs the partial oxidation reforming reaction step, the autothermal reforming reaction step, and the steam reforming reaction step in the start-up mode operation, and performs the refresh control in the start-up mode operation. The execution time of the steam reforming reaction step is longer than the execution time of the steam reforming reaction step in the start-up mode operation that does not execute the refresh control.
The solid oxide fuel cell device according to claim 8.
前記酸化推定手段は、運転開始後の累積発電時間、又は、前回実行した前記リフレッシュ制御後の累積発電時間が予め設定された所定値に達したときに、前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定するものである、
請求項3記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The oxidation estimating means causes the fuel cell to be in an excessive oxide state when the accumulated power generation time after the start of operation or the previously generated cumulative power generation time after the refresh control reaches a predetermined value set in advance. It is presumed that there is
The solid oxide fuel cell device according to claim 3.
前記酸化推定手段は、前記前回実行した前記リフレッシュ制御後の累積発電時間が予め設定された所定値に達したときに、前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定し、且つ、運転開始後のリフレッシュ制御の累積実行回数に応じて該所定値を変化させるものである、
請求項10記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The oxidation estimation means estimates that the fuel cell is in an excessive oxide state when the accumulated power generation time after the previously executed refresh control reaches a predetermined value set in advance, and starts operation. The predetermined value is changed according to the cumulative number of executions of subsequent refresh control.
The solid oxide fuel cell device according to claim 10.
前記酸化推定手段は、運転開始後の総発電量、又は、前回実行した前記リフレッシュ制御後の総発電量が予め設定された所定値に達した否かに基づいて、前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあるか否かを推定するものである、
請求項3記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The oxidation estimating means determines whether the fuel cell is an oxide based on whether the total power generation after the start of operation or the total power generation after the refresh control executed last time has reached a predetermined value. It is to estimate whether there is an excessive state,
The solid oxide fuel cell device according to claim 3.
前記酸化推定手段は、発電時に前記燃料電池セルから電力を取り出している時の出力電圧が、取り出される電力の値に応じて予め設定された基準値よりも小さいときに、前記燃料電池セルが酸化物過多状態にあると推定するものである、
請求項3記載の固体酸化物形燃料電池装置。
The oxidation estimation unit is configured to oxidize the fuel cell when the output voltage when the power is extracted from the fuel cell during power generation is smaller than a reference value set in advance according to the value of the extracted power. It is estimated to be in an overload state.
The solid oxide fuel cell device according to claim 3.
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