JP2015191834A - solid oxide fuel cell system - Google Patents

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小林 千尋
Chihiro Kobayashi
千尋 小林
阿部 俊哉
Toshiya Abe
俊哉 阿部
卓哉 松尾
Takuya Matsuo
卓哉 松尾
陽祐 赤木
Yosuke Akagi
陽祐 赤木
めぐみ 島津
Megumi Shimazu
めぐみ 島津
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell system capable of sufficiently suppressing electrochemical oxidation of a fuel electrode while executing shutdown stop.SOLUTION: A solid oxide fuel cell system (1) comprises: a fuel cell module (2); a fuel supply device (38); a reformer (20); a water supply device (28); an oxidant gas supply device (45); and a controller (110) including a shutdown stop circuit (110a). The shutdown stop circuit is programmed so as to execute residual hydrogen discharge control which supplies only an oxidant gas after a standing period has elapsed and before the temperature of the fuel cell module decreases to an oxidation preventive temperature and cooling operation control which supplies the oxidant gas with the temperature of the fuel cell module decreased to the oxidation preventive temperature or lower. The hydrogen outflowing to the oxidant gas electrode side is discharged from the fuel cell module and the hydrogen concentration in the fuel cell module is decreased by the residual hydrogen discharge control.

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに関し、特に、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly to a solid oxide fuel cell system that generates power by reacting hydrogen with an oxidant gas.

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

特許第5316830号公報(特許文献1)には、固体電解質型燃料電池が記載されている。この燃料電池においては、稼働中の固体電解質型燃料電池を停止させる際、発電と燃料の供給を同時に停止させるシャットダウン停止を実行している。シャットダウン停止においては、発電の終了とほぼ同時に燃料の供給も停止されるため、発電に寄与しない燃料は供給されず、燃料の浪費を回避することができる。   Japanese Patent No. 5316830 (Patent Document 1) describes a solid oxide fuel cell. In this fuel cell, when a solid oxide fuel cell in operation is stopped, shutdown stop is executed to simultaneously stop power generation and fuel supply. In the shutdown stop, the supply of fuel is stopped almost simultaneously with the end of power generation, so that fuel that does not contribute to power generation is not supplied, and waste of fuel can be avoided.

しかしながら、シャットダウン停止を実行し、発電の停止と同時に燃料の供給を停止させると、燃料電池セルへの燃料の供給が高温状態で停止されることになる。従って、シャットダウン停止を実行した場合には、一般に、燃料電池セルの空気極側から進入した空気等の酸化剤ガスが、高温状態にある燃料極に接触し、燃料極を酸化させるリスクがある。一般に、高温で稼働していた燃料電池セルのスタックが、シャットダウン停止後、燃料極が酸化されるリスクのない温度まで低下されるには数時間以上を要する。燃料極酸化のリスクを回避するためにシャットダウン停止を行わず、燃料電池セルの温度が十分に低下されるまで燃料の供給を継続したとすれば、数時間以上に亘って発電に寄与しない燃料を供給し続ける必要があり、多大な燃料が浪費されることになる。   However, if the shutdown stop is executed and the supply of fuel is stopped simultaneously with the stop of power generation, the supply of fuel to the fuel cells is stopped in a high temperature state. Therefore, when the shutdown stop is executed, generally, there is a risk that an oxidant gas such as air entering from the air electrode side of the fuel battery cell contacts the fuel electrode in a high temperature state and oxidizes the fuel electrode. In general, it takes several hours or more for a stack of fuel cells operating at a high temperature to be lowered to a temperature at which there is no risk of oxidation of the fuel electrode after shutdown. If the fuel supply is continued until the temperature of the fuel cell is sufficiently lowered without shutting down in order to avoid the risk of fuel electrode oxidation, the fuel that does not contribute to power generation for several hours or more is used. There is a need to continue to supply, and a great deal of fuel is wasted.

特許第5316830号公報(特許文献1)記載の固体電解質型燃料電池においては、各燃料電池セル及びそれを収容した燃料電池モジュールを、機械的に空気の進入が発生しにくい構造とすることにより燃料極酸化のリスクを低下させている。さらに、上記の固体電解質型燃料電池においては、シャットダウン停止直後の各燃料電池セルの燃料極側の圧力が高く、空気の進入が発生しない期間において、空気極側に空気を導入する温度降下制御を実行することにより、燃料極酸化のリスクを十分に低下させることに成功している。   In the solid oxide fuel cell described in Japanese Patent No. 5316830 (Patent Document 1), each fuel cell and the fuel cell module that accommodates the fuel cell are mechanically structured to prevent the ingress of air. Reduces the risk of polar oxidation. Further, in the above solid oxide fuel cell, temperature drop control is performed to introduce air to the air electrode side in a period when the pressure on the fuel electrode side of each fuel cell immediately after shutdown is high and air does not enter. By doing so, it has succeeded in sufficiently reducing the risk of anode oxidation.

特許第5316830号公報Japanese Patent No. 5316830

しかしながら、特許第5316830号公報記載の発明を適用することにより、高温の燃料極に空気が触れることによる燃料極の酸化が回避できたとしても、異なるメカニズムによる燃料極の酸化が発生していることが、本件発明者により突き止められた。即ち、高温状態で燃料極側に空気が進入することによって発生する雰囲気酸化とは異なるメカニズムにより、更に低い温度帯域においても燃料極が僅かに酸化されることが本件発明者により見出された。   However, by applying the invention described in Japanese Patent No. 5316830, even if the oxidation of the fuel electrode due to air contact with the high temperature fuel electrode can be avoided, the oxidation of the fuel electrode by a different mechanism occurs. Was identified by the inventors. That is, the present inventor has found that the fuel electrode is slightly oxidized even in a lower temperature zone by a mechanism different from the atmospheric oxidation that occurs when air enters the fuel electrode side in a high temperature state.

本件発明者により見出された燃料極酸化のメカニズムは、次のようなものである。
まず、燃料電池セルの電解質は、活性状態で酸素イオンを空気極から燃料極へ向けて透過させることが可能となる。電解質の活性状態は温度特性を有しており、この温度特性は下限温度値を有する。即ち、電解質は、下限温度以上で活性状態となり、酸素イオンを空気極から燃料極へ透過させる。一方、燃料極は、活性状態において、燃料(水素)と電解質を透過した酸素イオンとを反応させ、水を生成すると共に電子を放出する。このような反応を生じる燃料極の触媒活性も温度特性を有しており、この温度特性も下限温度値を有する。即ち、燃料極は、下限温度以上で活性状態となり、下限温度未満では失活状態となる。燃料極は、失活状態では酸素イオンが供給されても燃料と反応させるように作用することができない。
The mechanism of the fuel electrode oxidation discovered by the present inventors is as follows.
First, the electrolyte of the fuel battery cell can transmit oxygen ions from the air electrode to the fuel electrode in an active state. The active state of the electrolyte has a temperature characteristic, and this temperature characteristic has a lower limit temperature value. That is, the electrolyte becomes active when the temperature is lower than the lower limit temperature, and allows oxygen ions to pass from the air electrode to the fuel electrode. On the other hand, in the active state, the fuel electrode reacts the fuel (hydrogen) with oxygen ions that have permeated through the electrolyte, thereby generating water and releasing electrons. The catalytic activity of the fuel electrode that causes such a reaction also has a temperature characteristic, and this temperature characteristic also has a lower limit temperature value. That is, the fuel electrode is activated when the temperature is lower than the lower limit temperature, and deactivated when the temperature is lower than the lower temperature. In the deactivated state, the fuel electrode cannot act to react with the fuel even if oxygen ions are supplied.

一般に、電解質の活性下限温度と燃料極の活性下限温度との間には温度差がある。したがって、電解質の活性下限温度よりも燃料極の活性下限温度の方が高い場合、シャットダウン停止後、温度が低下していく間に、電解質は活性状態である一方、燃料極は失活状態になる温度帯域を通過することになる。空気極が活性状態にある場合、この温度帯域では、電解質から燃料極へ酸素イオンが提供されるが、燃料極では、提供された酸素イオンを燃料と反応させることができない。   Generally, there is a temperature difference between the minimum activity temperature of the electrolyte and the minimum activity temperature of the fuel electrode. Therefore, when the lower active temperature limit of the fuel electrode is higher than the lower active temperature limit of the electrolyte, the electrolyte is in an active state while the temperature is decreasing after the shutdown is stopped, while the fuel electrode is in an inactive state. It will pass through the temperature zone. When the air electrode is in an active state, oxygen ions are provided from the electrolyte to the fuel electrode in this temperature range, but the provided oxygen ions cannot react with the fuel.

ここで、燃料極には酸素イオンと電気化学的に酸化反応可能な物質(例えばニッケル)が含まれており、この物質が、燃料と反応できない酸素イオンと反応して酸化物(例えば酸化ニッケル)が生成される。この電気化学的な酸化反応により電子が放出され、起電力が発生する。   Here, the fuel electrode contains a substance (for example, nickel) that can electrochemically react with oxygen ions, and this substance reacts with oxygen ions that cannot react with the fuel to form oxides (for example, nickel oxide). Is generated. Electrons are emitted by this electrochemical oxidation reaction, and an electromotive force is generated.

このように、燃料極の電気化学的な酸化反応は、電解質が活性状態であり、燃料極が失活状態にある状態で、燃料極側と空気極(酸化剤ガス極)側に酸素分圧差が存在することにより発生する。ここで、燃料極側と空気極側の酸素分圧差は、1つの燃料電池セル内においても発生する。即ち、進入した空気が流入する燃料電池セルの一方の端部付近では酸素分圧差が小さく、他方の端部付近では空気の進入がまだ生じていないため酸素分圧差が大きくなる。このように、空気の進入に伴って燃料電池セル1つの中でも水素の濃度勾配が発生するため、燃料電池セルの酸素分圧差が大きい部分では大きな起電力が発生する一方、酸素分圧差が小さい部分では起電力はあまり発生しない。   As described above, the electrochemical oxidation reaction of the fuel electrode is such that the electrolyte is in the active state and the fuel electrode is in the deactivated state, and the oxygen partial pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode (oxidant gas electrode) side. This is caused by the existence of Here, the oxygen partial pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side also occurs in one fuel cell. That is, the oxygen partial pressure difference is small near one end of the fuel cell into which the air that has entered flows in, and the oxygen partial pressure difference increases because no air has yet entered near the other end. As described above, a hydrogen concentration gradient is generated in one of the fuel cells as air enters, so that a large electromotive force is generated in a portion where the oxygen partial pressure difference of the fuel cell is large, whereas a portion where the oxygen partial pressure difference is small. Then, electromotive force is not generated much.

これにより、1つの燃料電池セルの内部で、起電力の大きい部分から小さい部分へ電子が移動する(電流が流れる)内部電池現象が発生する。この内部電池現象により電子の移動が発生すると、活性を失っていない電解質を透過する酸素イオンの流れが促進され、燃料極の電気化学的な酸化反応が助長されてしまう。特に、1つの燃料電池セルの中でも、酸素分圧差が大きい部分には酸素イオンの流れが集中し、この部分で多くの電気化学的酸化反応が発生する。このような内部電池現象による電流は微弱ではあるが、上述のように冷却時間が数時間にも及ぶため、燃料電池セルが上記温度帯域を通過する時間も長時間になり、累積電流量(即ち、酸化物の生成量)は大きくなる。   As a result, an internal battery phenomenon occurs in which electrons move from a large electromotive force portion to a small portion (current flows) inside one fuel cell. When electrons move due to this internal cell phenomenon, the flow of oxygen ions that permeate the electrolyte that has not lost its activity is promoted, and the electrochemical oxidation reaction of the fuel electrode is promoted. In particular, in one fuel battery cell, the flow of oxygen ions is concentrated in a portion where the difference in oxygen partial pressure is large, and many electrochemical oxidation reactions occur in this portion. Although the current due to such an internal battery phenomenon is weak, as described above, the cooling time is several hours, so the time for the fuel cell to pass through the temperature band is long, and the accumulated current amount (ie, , The amount of oxide generated) increases.

停止工程が終了した後、次に、再起動された際には、燃料極に燃料(水素)が供給されるため、停止工程中に電気化学的酸化反応により燃料極に生成された酸化物が還元作用を受ける。このように、燃料電池の停止・起動及びその後の運転が行われると、電解質と燃料極の活性温度の差に起因して、燃料極に電気化学的酸化・還元反応が繰り返し発生する。ここで、燃料極は、電気化学的酸化反応により、その微構造変化及び体積膨張が発生する。そして、停止・起動が繰り返し行われる結果、燃料極の微構造及び体積の変化が繰り返し発生すると、電解質に疲労が蓄積されるだけでなく、微構造変化や体積膨張が蓄積され、最終的には電解質に微小クラックが発生する。特に、燃料電池セルの酸素分圧差が大きく、電気化学的酸化反応が多く発生した部分に疲労が蓄積され、この部分に微小クラックが発生しやすくなる。   After the stop process, the fuel (hydrogen) is supplied to the fuel electrode when it is restarted next, so that the oxide generated in the fuel electrode by the electrochemical oxidation reaction during the stop process is reduced. Reducing action. As described above, when the fuel cell is stopped / started and the subsequent operation is performed, electrochemical oxidation / reduction reactions are repeatedly generated in the fuel electrode due to the difference in the activation temperature between the electrolyte and the fuel electrode. Here, the fuel electrode undergoes a microstructural change and volume expansion due to an electrochemical oxidation reaction. As a result of repeated stop and start, if changes in the microstructure and volume of the fuel electrode occur repeatedly, not only fatigue is accumulated in the electrolyte, but also microstructural changes and volume expansion are accumulated. Microcracks are generated in the electrolyte. In particular, the oxygen partial pressure difference of the fuel battery cell is large, fatigue is accumulated in a portion where a large amount of electrochemical oxidation reaction has occurred, and microcracks tend to occur in this portion.

このように、SOFCは、停止工程において、電解質と燃料極の活性温度の差に起因して、燃料極が電気化学的酸化反応を受ける。燃料極が電気化学的酸化反応を受けることで、燃料極の微構造変化や体積膨張の蓄積によって電解質に引張り応力を生じさせ、電解質に微小なクラックを生じさせる。このような微小クラックによる燃料電池セルの損傷発生メカニズムを本発明者は突き止めたのである。   Thus, in the SOFC, the fuel electrode undergoes an electrochemical oxidation reaction due to the difference in the activation temperature between the electrolyte and the fuel electrode in the stop process. When the fuel electrode undergoes an electrochemical oxidation reaction, tensile stress is generated in the electrolyte due to microstructural changes and volume expansion of the fuel electrode, and micro cracks are generated in the electrolyte. The present inventor has ascertained the mechanism of occurrence of damage to the fuel cell due to such microcracks.

従って、本発明は、シャットダウン停止を実行しながら、燃料電池セルの燃料極の電気化学的酸化を十分に抑制することができる固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of sufficiently suppressing electrochemical oxidation of the fuel electrode of the fuel cell while executing shutdown stop.

上述した課題を解決するために、本発明は、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池システムであって、燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を燃料電池セルの燃料極側に供給する改質器と、この改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料供給装置、水供給装置、及び酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、コントローラは、燃料供給装置による燃料の供給及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行するシャットダウン停止回路を備え、シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止後、燃料、水、及び酸化剤ガスの供給が停止された放置期間経過後、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下する前に、酸化剤ガス供給装置のみを所定期間作動させる残留水素排出制御、及び燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下した状態で酸化剤ガス供給装置を作動させ、燃料電池モジュール内を冷却する冷却運転制御を実行するようにプログラムされており、残留水素排出制御により、シャットダウン停止後に燃料極側から酸化剤ガス極側に流出した水素が燃料電池モジュールから排出され、燃料電池モジュール内の水素濃度が低下されることを特徴としている。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell system that generates electric power by reacting hydrogen with an oxidant gas, the fuel cell module containing the fuel cell, and the fuel cell. A fuel supply device that supplies fuel to the module, a reformer that generates hydrogen by steam reforming the fuel supplied by the fuel supply device, and supplies the generated hydrogen to the fuel electrode side of the fuel cell, A water supply device for supplying water for steam reforming to the reformer, an oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell, a fuel supply device, a water supply device, And a controller that controls the extraction of electric power from the fuel cell module, and the controller supplies the fuel by the fuel supply device and the fuel cell module. A shutdown stop circuit for executing shutdown stop for stopping the extraction of power from the battery, and the shutdown stop circuit after the shutdown stop and after the leaving period when the supply of fuel, water and oxidant gas is stopped, Residual hydrogen discharge control that operates only the oxidant gas supply device for a predetermined period before the temperature in the module drops below the oxidation suppression temperature, and the oxidizer in a state where the temperature in the fuel cell module drops below the oxidation suppression temperature It is programmed to operate the gas supply device and perform cooling operation control to cool the inside of the fuel cell module, and hydrogen flowing out from the fuel electrode side to the oxidant gas electrode side after shutdown is stopped by the residual hydrogen discharge control. It is discharged from the fuel cell module, and the hydrogen concentration in the fuel cell module is reduced It is.

このように構成された本発明においては、燃料及び水が、燃料供給装置及び水供給装置によって、改質器に夫々供給され、改質器は燃料を水蒸気改質する。改質された燃料は、各燃料電池セルの燃料極側に供給される。一方、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給装置によって、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に供給される。コントローラは、シャットダウン停止回路を備え、燃料供給装置、水供給装置、酸化剤ガス供給装置、及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御する。シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止を実行し、放置期間経過後、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下する前に残留水素排出制御を実行し、及び燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下した状態で冷却運転制御を実行する。残留水素排出制御においては、燃料電池セル内に供給した酸化剤ガスが積極的な形で強制流入しないように酸化剤ガス供給装置のみを所定期間作動させる。これによって、シャットダウン停止後に燃料極側から酸化剤ガス極側に流出した大量な残留水素が燃料電池モジュールから速やかに排出され、燃料電池モジュール内の水素濃度が低下し、燃料電池モジュール内における水素濃度と酸素濃度が最適化される。これによって、吸引が始まった場合に残留水素を吸い込んでしまい電気化学的酸化のリスクが高くなった時点でも水素の濃度勾配が大きく付いているような状況になることを確実に是正できる。即ち、電気化学的酸化のリスクが高まる前に水素の濃度勾配を確実に抑制して燃料極内全体での好適な状態で酸素分圧を高めることができるため確実に電気化学的酸化を抑制できる。また、水素濃度と酸素濃度を最適化することで、酸素濃度が高すぎて過剰な酸化を発生させてしまうという問題も防止でき、セルの破損を招くことなく確実に電気化学的酸化を抑制することができる。このように、冷却運転制御が実行される状態では燃料電池セル内の水素の濃度勾配が発生するリスクを完全に是正できるため問題ないが、冷却運転制御が実行できるまでの期間においても、本件発明による残留水素排出制御を実行することで電気化学的酸化のリスクを確実に抑制できたものである。   In the present invention configured as described above, fuel and water are supplied to the reformer by the fuel supply device and the water supply device, respectively, and the reformer steam reforms the fuel. The reformed fuel is supplied to the fuel electrode side of each fuel battery cell. On the other hand, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas electrode side of the fuel cell by the oxidant gas supply device. The controller includes a shutdown stop circuit and controls the extraction of electric power from the fuel supply device, the water supply device, the oxidant gas supply device, and the fuel cell module. The shutdown stop circuit executes shutdown stop, executes residual hydrogen discharge control before the temperature in the fuel cell module drops below the oxidation suppression temperature after the leaving period, and suppresses oxidation in the temperature in the fuel cell module Cooling operation control is executed in a state where the temperature drops below the temperature. In the residual hydrogen discharge control, only the oxidant gas supply device is operated for a predetermined period so that the oxidant gas supplied into the fuel cell is not forced to flow in a positive manner. As a result, a large amount of residual hydrogen that has flowed out from the fuel electrode side to the oxidant gas electrode side after shutdown is quickly discharged from the fuel cell module, the hydrogen concentration in the fuel cell module decreases, and the hydrogen concentration in the fuel cell module decreases. And oxygen concentration is optimized. As a result, when the suction starts, residual hydrogen is sucked in, and it is possible to reliably correct the situation where the hydrogen concentration gradient is greatly increased even when the risk of electrochemical oxidation increases. That is, before the risk of electrochemical oxidation increases, the hydrogen concentration gradient can be reliably suppressed and the oxygen partial pressure can be increased in a suitable state throughout the fuel electrode, so that electrochemical oxidation can be reliably suppressed. . Also, by optimizing the hydrogen concentration and oxygen concentration, it is possible to prevent the problem of excessive oxidation due to the oxygen concentration being too high, and to reliably suppress electrochemical oxidation without causing cell damage. be able to. As described above, there is no problem in the state where the cooling operation control is executed because the risk of the occurrence of the hydrogen concentration gradient in the fuel cell can be completely corrected, but the present invention can be applied even during the period until the cooling operation control can be executed. The risk of electrochemical oxidation can be reliably suppressed by executing the residual hydrogen discharge control by using the.

以下更に詳細に説明する。従来、固体酸化物型燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止を行う場合、燃料供給が停止された後の温度が高い状態で、酸化剤ガス極側から空気等の酸化剤ガスが燃料極側へ進入することによる燃料極の雰囲気酸化が問題となっていた。本件発明者は鋭意研究を重ね、様々な対策を講じることにより、シャットダウン停止後、燃料極の雰囲気酸化が発生しない温度に低下するまでの間、酸化剤ガスの燃料極への進入を十分に抑制することに成功していた。   This will be described in more detail below. Conventionally, when performing a shutdown stop in a solid oxide fuel cell system, an oxidant gas such as air enters the fuel electrode side from the oxidant gas electrode side at a high temperature after the fuel supply is stopped. As a result, the atmospheric oxidation of the fuel electrode was a problem. The present inventor has conducted intensive research and has taken various measures to sufficiently prevent the oxidant gas from entering the fuel electrode until the temperature drops to a temperature at which the fuel electrode does not oxidize after shutdown. Was successful in doing.

しかしながら、従来は、燃料極の酸化が発生しないと考えられていた低い温度帯域においても、燃料極の酸化が発生していることが、本件発明者により見出された。本件発明者は研究を重ね、この低い温度帯域において発生する燃料極の酸化は、従来問題とされていた燃料極の雰囲気酸化とは異なるメカニズムによって発生することを突き止めた。この新たに見出されたメカニズムによる酸化は、燃料電池セルの電解質層が活性状態にある一方、燃料極が活性を失った状態にある温度帯域において発生する。即ち、電解質層が活性状態にある場合には、酸化剤ガス極側にある酸素イオンは電解質層を透過することができるが、透過した酸素イオンは、活性を失っている燃料極によって燃料(水素)と反応することができない。このため、燃料極によって処理することができない酸素イオンが燃料極側に蓄積され、燃料極を構成する材料と反応することによって、燃料極が電気化学的に酸化されてしまう。   However, it has been found by the present inventor that oxidation of the fuel electrode has occurred even in a low temperature range where it has been conventionally considered that oxidation of the fuel electrode does not occur. The present inventor has conducted research and found that the oxidation of the fuel electrode that occurs in this low temperature range is generated by a mechanism different from the atmospheric oxidation of the fuel electrode, which has been regarded as a problem in the past. Oxidation by this newly discovered mechanism occurs in a temperature range where the electrolyte layer of the fuel cell is in an active state while the fuel electrode has lost its activity. That is, when the electrolyte layer is in an active state, oxygen ions on the oxidant gas electrode side can permeate the electrolyte layer, but the permeated oxygen ions are fuel (hydrogen) by the fuel electrode that has lost its activity. ) Can not react. For this reason, oxygen ions that cannot be processed by the fuel electrode are accumulated on the fuel electrode side and react with the material constituting the fuel electrode, whereby the fuel electrode is electrochemically oxidized.

この電気化学的酸化は、燃料電池セルの燃料極側と酸化剤ガス極側の酸素分圧の差に基づいて発生する。従って、1つの燃料電池セルの中でも水素の濃度勾配が発生して酸素分圧差の大きい部分と小さい部分があると電解質層を透過する酸素イオンの量が異なり、酸素分圧差の大きい部分では多くの酸素イオンが透過して、燃料極を構成する材料を酸化させる。この電気化学的酸化反応によって発生した電荷は、相対的に酸素イオンの透過量の少ない部分に移動し、1つの燃料電池セル内で電荷が移動する局部電池現象が発生する。この局部電池現象が発生すると、酸素分圧差の大きい部分における電気化学的酸化が促進され、その部分に電気化学的酸化が集中する。このような電気化学的酸化は、高温で発生する雰囲気酸化と比べ極めて微量であるが、各燃料電池セルの一部に酸化が集中するため、シャットダウン停止を繰り返し実行されることにより、燃料電池セルの損傷に至る場合がある。   This electrochemical oxidation occurs based on the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the oxidant gas electrode side of the fuel cell. Therefore, if there is a hydrogen concentration gradient in one fuel battery cell and there are parts where the oxygen partial pressure difference is large and small, the amount of oxygen ions that permeate the electrolyte layer will be different. Oxygen ions permeate and oxidize the material constituting the fuel electrode. The electric charge generated by this electrochemical oxidation reaction moves to a portion where the permeation amount of oxygen ions is relatively small, and a local battery phenomenon occurs in which the electric charge moves within one fuel cell. When this local cell phenomenon occurs, electrochemical oxidation is promoted in a portion where the oxygen partial pressure difference is large, and electrochemical oxidation is concentrated in that portion. Such electrochemical oxidation is extremely small compared to atmospheric oxidation that occurs at high temperatures. However, since oxidation is concentrated on a part of each fuel cell, the fuel cell is repeatedly executed by shutting down. May lead to damage.

上記のように電気化学的酸化は、燃料極側と酸化剤ガス極側の酸素分圧の差、言い変えると燃料電池セル内における水素の濃度勾配に基づいて発生するため、モジュール内の温度が低下し、雰囲気酸化リスクが低下する一方で燃料極の活性がまだ高い時期に燃料極側に空気等の酸化剤ガスを供給し、燃料極の活性が低下する時期には水素の濃度勾配が既に解消されるように酸素分圧差を低下させることにより、防止できると考えられる。しかしながら、燃料極の雰囲気酸化が発生する温度帯域と、電気化学的酸化が発生する温度帯域は、部分的に重複している。このため、誤ったタイミングや高濃度の酸素を、電気化学的酸化を防止するために燃料極側に酸化剤ガスを供給すると、燃料極が過剰に雰囲気酸化されてしまうため電気化学的酸化を防止する手段は明確でもそれを実現することは非常に難しいものであった。   As described above, electrochemical oxidation occurs based on the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the oxidant gas electrode side, in other words, based on the hydrogen concentration gradient in the fuel cell. The oxidant gas such as air is supplied to the fuel electrode side when the fuel electrode activity is still high while the atmospheric oxidation risk is reduced, and the hydrogen concentration gradient is already present when the fuel electrode activity decreases. It is thought that this can be prevented by reducing the oxygen partial pressure difference so as to be eliminated. However, the temperature range in which the atmospheric oxidation of the fuel electrode occurs and the temperature range in which electrochemical oxidation occurs partially overlap. For this reason, if an oxidant gas is supplied to the fuel electrode side in order to prevent electrochemical oxidation due to incorrect timing or high concentration of oxygen, the fuel electrode is excessively oxidized in the atmosphere, thus preventing electrochemical oxidation. Even though the means to do it was clear, it was very difficult to achieve it.

そこで、本発明においては、シャットダウン停止が行われた後、放置期間が経過すると、残留水素排出制御を実行する。残留水素排出制御を実行すると、燃料電池モジュールの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスが供給され、燃料電池モジュール内に滞留していた噴出残留水素を排気させることで燃料電池セルの酸化剤ガス極側の酸素濃度を適正値となるように上昇させるとともに、水素濃度が適正値となるように低下させる。なお、燃料電池モジュール内に供給する酸化剤ガスは、燃料電池セルの燃料極側に酸化剤ガスが強制的に供給されることのないよう、供給量をコントロールすることが必要となる。   Therefore, in the present invention, when the leaving period has elapsed after the shutdown stop, the residual hydrogen discharge control is executed. When the residual hydrogen discharge control is executed, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas electrode side of the fuel cell module, and the oxidant gas electrode of the fuel cell is exhausted by exhausting the residual hydrogen remaining in the fuel cell module. The oxygen concentration on the side is increased to an appropriate value, and the hydrogen concentration is decreased to an appropriate value. It is necessary to control the supply amount of the oxidant gas supplied into the fuel cell module so that the oxidant gas is not forcibly supplied to the fuel electrode side of the fuel cell.

一方、シャットダウン停止後においては、燃料電池モジュール内の温度は少しずつ低下する。燃料電池モジュール及びこれに収容された複数の燃料電池セルは極めて熱容量が大きいため、シャットダウン停止後、温度は極めて緩やかに安定的に低下する。これに伴い、燃料電池セルの燃料極側や、改質器内に滞留している気体の温度も少しずつ安定的に低下して、体積が収縮し始める。滞留している気体が収縮することにより、燃料電池セルの燃料極側の圧力も少しずつ安定的に時間をかけて低下する。ここで、シャットダウン停止後においては、燃料電池モジュール内は熱容量が大きいことから各燃料電池セルは均熱化されているため、燃料極側の圧力低下は、全ての燃料電池セルについてほぼ同時に、同程度に安定的に発生する。これにより、各燃料極の温度低下と共に、全ての燃料電池セルの燃料極側に、酸化剤ガス極側から少しずつ高濃度の水素が排気された状態の最適な濃度の酸化剤ガスが同タイミングで同量安定的に侵入し始める。この燃料極側への酸化剤ガスの侵入は、燃料極の温度が適度に低下した時点から極めて緩やかに同タイミングで安定的に発生する。また、酸化剤ガス極側から侵入する気体は、残留水素排出制御により酸素濃度が適切に管理されているため、侵入した気体により燃料極は過剰に酸化することはない。
高温下で過剰な酸化をさせることなく電気化学的酸化が発生する温度帯域では確実に進入した空気によって水素の過剰な濃度勾配が是正されるように燃料電池セル全体での酸素分圧を高めることは非常に難しいことであったが、本発明によれば、固体酸化物型燃料電池では熱容量が非常に大きいため、この特性を利用すれば確実に同じような温度で確実に全てのセルに一斉に吸引作用が発生するという特性を利用できることを見出し、これを利用する形で単に燃料電池モジュール内に噴出した残留水素を適度に排出し、酸素濃度を最適化しておくという簡単な構成で非常に難しいと思われていたセル全体の水素の濃度勾配の是正を簡単に実現できたものである。すなわち、残留水素排出制御を実行するだけで、酸素濃度が適切に管理された気体を、適切な温度で、全ての燃料電池セルの燃料極側にほぼ一斉に侵入させることができるので、燃料極が過度に酸化されるリスクを回避しながら、電気化学的酸化のリスクが高まる前に水素の濃度勾配を確実に是正できたのである。
On the other hand, after the shutdown is stopped, the temperature in the fuel cell module gradually decreases. Since the fuel cell module and the plurality of fuel cells accommodated in the fuel cell module have an extremely large heat capacity, the temperature drops very slowly and stably after shutdown. Along with this, the temperature of the fuel electrode side of the fuel battery cell and the gas staying in the reformer gradually decreases gradually and the volume starts to shrink. As the staying gas contracts, the pressure on the fuel electrode side of the fuel cell also decreases gradually and stably over time. Here, since the fuel cell module has a large heat capacity after shutdown, each fuel cell is soaked, so the pressure drop on the fuel electrode side is almost the same for all fuel cells. Stable to the extent. As a result, as the temperature of each fuel electrode decreases, the optimal concentration of oxidant gas in a state where high-concentration hydrogen is gradually discharged from the oxidant gas electrode side to the fuel electrode side of all fuel cells at the same timing. The same amount begins to invade stably. The intrusion of the oxidant gas to the fuel electrode side occurs stably at the same timing very slowly from the time when the temperature of the fuel electrode is appropriately lowered. In addition, the gas entering from the oxidant gas electrode side is appropriately controlled in oxygen concentration by the residual hydrogen discharge control, so that the fuel electrode is not excessively oxidized by the invading gas.
Increase the partial pressure of oxygen in the entire fuel cell to ensure that excess hydrogen concentration gradients are corrected by air that has entered in a temperature range where electrochemical oxidation occurs without excessive oxidation at high temperatures However, according to the present invention, the solid oxide fuel cell has a very large heat capacity. Therefore, if this characteristic is used, it is ensured that all cells are surely transmitted at the same temperature. It is possible to use the characteristic that the suction action is generated in the fuel cell, and by using this, the residual hydrogen sprayed into the fuel cell module is appropriately discharged and the oxygen concentration is optimized to be very simple. It was possible to easily correct the concentration gradient of hydrogen in the entire cell, which was thought to be difficult. That is, only by executing the residual hydrogen discharge control, the gas whose oxygen concentration is appropriately controlled can be made to enter the fuel electrode side of all the fuel cells at an appropriate temperature almost simultaneously. The hydrogen concentration gradient was reliably corrected before the risk of electrochemical oxidation increased, avoiding the risk of excessive oxidation.

本発明において、好ましくは、シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止直後の、燃料電池セルの燃料極側の圧力が十分高い所定期間に、酸化剤ガス供給装置を作動させ、燃料電池モジュール内の温度を低下させる温度降下制御を実行するようにプログラムされており、残留水素排出制御は、温度降下制御終了後、放置期間が経過した後に実行される。   In the present invention, the shutdown stop circuit preferably operates the oxidant gas supply device to lower the temperature in the fuel cell module during a predetermined period in which the pressure on the fuel electrode side of the fuel cell is sufficiently high immediately after the shutdown is stopped. The temperature drop control is programmed to be executed, and the residual hydrogen discharge control is executed after the leaving period has elapsed after the temperature drop control is completed.

このように構成された本発明によれば、燃料極側の圧力が高く、酸化剤ガスの進入が発生しない状態で温度降下制御を実行しておくことにより、燃料極側と酸化剤ガス極側の温度が均一化される。これにより、燃料極側の温度が低下した際に燃料極側の気体が収縮して、大量の酸化剤ガスが急激に燃料極側に進入するのを防止することができる。また、温度降下制御により温度を均一化しておくことにより、シャットダウン停止後の燃料電池モジュール内の温度状態が、規定の状態に設定される。これにより、放置期間経過後、残留水素排出制御が開始される時点における燃料電池モジュール内の状態が適切にコントロールされ、温度低下と共に少しずつ燃料極側に進入するタイミング及び気体に含まれる酸素濃度を適正に設定することができ、燃料極の雰囲気酸化及び電気化学的酸化を、より確実に抑制することができる。   According to the present invention configured as described above, the fuel electrode side and the oxidant gas electrode side can be obtained by executing the temperature drop control in a state where the pressure on the fuel electrode side is high and no oxidant gas enters. The temperature is made uniform. Thereby, when the temperature on the fuel electrode side decreases, the gas on the fuel electrode side contracts, and a large amount of oxidant gas can be prevented from suddenly entering the fuel electrode side. Further, by making the temperature uniform by temperature drop control, the temperature state in the fuel cell module after shutdown is set to a specified state. As a result, the state inside the fuel cell module at the time when the residual hydrogen discharge control is started after the leaving period has elapsed is appropriately controlled, and the timing at which the fuel cell module gradually enters the fuel electrode side as the temperature decreases and the oxygen concentration contained in the gas are reduced. It can set appropriately, and can suppress atmosphere oxidation and electrochemical oxidation of a fuel electrode more reliably.

本発明において、好ましくは、残留水素排出制御は、温度降下制御終了後、冷却運転制御が開始される前の期間に、酸化剤ガス供給装置を間欠的に複数回作動させることにより実行される。   In the present invention, preferably, the residual hydrogen discharge control is executed by intermittently operating the oxidant gas supply device a plurality of times after the temperature drop control is finished and before the cooling operation control is started.

このように構成された本発明によれば、残留水素排出制御として、酸化剤ガス供給装置が間欠的に複数回作動されるので、酸化剤ガス極側に1回で導入する酸化剤ガスの量を少なくすることができる。このため、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下する前に酸化剤ガスを供給したことによって、酸化剤ガスを燃料極側に強制進入させてしまい燃料極を高温下で過剰に酸化さてしまうというリスクを回避することが容易となる。また、同時に、酸化抑制温度以下に低下する以前から、燃料電池モジュール内の残留水素を適量ずつ排気することで酸化剤ガス極側の水素濃度や酸素濃度を最適化することが容易となる。よって、温度低下と共に燃料極側に少しずつ進入する気体に含まれる水素や酸素濃度を最適化することができるため、雰囲気酸化のリスクを回避しながら、温度が低下して電気化学的酸化のリスクが高くなった時点では、燃料極側の酸素分圧を十分に高くすることができ、電気化学的酸化のリスクも十分に抑制することができる。   According to the present invention configured as described above, as the residual hydrogen discharge control, the oxidant gas supply device is intermittently operated a plurality of times, so that the amount of oxidant gas introduced into the oxidant gas electrode side at one time. Can be reduced. For this reason, by supplying the oxidant gas before the temperature inside the fuel cell module falls below the oxidation suppression temperature, the oxidant gas is forced to enter the fuel electrode side, and the fuel electrode is excessively oxidized at a high temperature. It is easy to avoid the risk of getting stuck. At the same time, it becomes easy to optimize the hydrogen concentration and oxygen concentration on the oxidant gas electrode side by exhausting appropriate amounts of residual hydrogen in the fuel cell module before the temperature drops below the oxidation suppression temperature. Therefore, the hydrogen and oxygen concentration contained in the gas that gradually enters the fuel electrode side as the temperature decreases can be optimized, so the risk of electrochemical oxidation due to temperature decrease while avoiding the risk of atmospheric oxidation. When the value becomes high, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side can be sufficiently increased, and the risk of electrochemical oxidation can be sufficiently suppressed.

本発明において、好ましくは、残留水素排出制御により供給される酸化剤ガスの流量は、温度降下制御により供給される酸化剤ガスの流量よりも少なく設定されている。   In the present invention, preferably, the flow rate of the oxidant gas supplied by the residual hydrogen discharge control is set to be smaller than the flow rate of the oxidant gas supplied by the temperature drop control.

温度降下制御は、燃料極側の圧力が十分に高い状態で実行されるため、酸化剤ガス進入のリスクは極めて低い。これに対して、残留水素排出制御の実行時においては、燃料極側の圧力が低下しているため、酸化剤ガスの燃料極側への進入が発生するリスクが高くなっている。上記のように構成された本発明によれば、残留水素排出制御における酸化剤ガスの流量は、温度降下制御よりも少なく設定されているので、進入のリスクを十分に抑制しながら、酸化剤ガスを酸化剤ガス極側に供給することができる。   Since the temperature drop control is executed in a state where the pressure on the fuel electrode side is sufficiently high, the risk of oxidant gas entry is extremely low. On the other hand, when the residual hydrogen discharge control is executed, the pressure on the fuel electrode side is reduced, so that the risk of the oxidant gas entering the fuel electrode side is high. According to the present invention configured as described above, since the flow rate of the oxidant gas in the residual hydrogen discharge control is set to be smaller than that in the temperature drop control, the oxidant gas is sufficiently suppressed while suppressing the risk of entry. Can be supplied to the oxidant gas electrode side.

本発明において、好ましくは、燃料電池セルの酸化剤ガス極側から燃料極側への流路抵抗は、燃料電池セルの酸化剤ガス極側から燃料電池モジュールの外部への流路抵抗よりも大きく設定されており、シャットダウン停止回路は、残留水素排出制御において酸化剤ガス極側に供給される酸化剤ガスの流量が漸増されるように酸化剤ガス供給装置を制御する。   In the present invention, the flow path resistance from the oxidant gas electrode side of the fuel battery cell to the fuel electrode side is preferably larger than the flow path resistance from the oxidant gas electrode side of the fuel battery cell to the outside of the fuel cell module. The shutdown stop circuit is set, and controls the oxidant gas supply device so that the flow rate of the oxidant gas supplied to the oxidant gas electrode side in the residual hydrogen discharge control is gradually increased.

このように構成された本発明においては、燃料極側への流路抵抗は、燃料電池モジュールの外部への流路抵抗よりも大きいので、酸化剤ガス極側に酸化剤ガスが導入されると、燃料電池モジュール内部に滞留していた気体は、燃料極側へ進入することなく外部に排出されやすい。また、残留水素排出制御において、酸化剤ガスの流量は漸増されるので、少量の供給で燃料電池モジュール内から外部へ至る気体の流れが生成された後で流量が増加し、燃料極側への進入が発生しにくくなる。上記のように構成された本発明によれば、残留水素排出制御における酸化剤ガス進入のリスクを極めて低下させることができる。   In the present invention configured as described above, the flow path resistance to the fuel electrode side is larger than the flow path resistance to the outside of the fuel cell module, so that the oxidant gas is introduced to the oxidant gas electrode side. The gas staying inside the fuel cell module is likely to be discharged outside without entering the fuel electrode side. Further, in the residual hydrogen discharge control, the flow rate of the oxidant gas is gradually increased. Therefore, the flow rate is increased after the gas flow from the inside of the fuel cell module to the outside is generated with a small amount of supply, and the flow to the fuel electrode side is increased. Intrusion is less likely to occur. According to the present invention configured as described above, the risk of oxidant gas entry in residual hydrogen discharge control can be greatly reduced.

本発明において、好ましくは、シャットダウン停止回路は、残留水素排出制御において所定量の酸化剤ガスが供給されるように、酸化剤ガス供給装置を予め定められた時間作動させ、又は、酸化剤ガス極側に供給された酸化剤ガス量をフィードバックして酸化剤ガス供給装置を制御する。   In the present invention, it is preferable that the shutdown stop circuit operates the oxidant gas supply device for a predetermined time or supplies an oxidant gas electrode so that a predetermined amount of oxidant gas is supplied in the residual hydrogen discharge control. The oxidant gas supply device is controlled by feeding back the amount of oxidant gas supplied to the side.

このように構成された本発明によれば、酸化剤ガス供給装置が予め定められた時間作動され、又は酸化剤ガス量がフィードバックされるので、残留水素排出制御において、正確に管理された量の酸化剤ガスを導入することができる。これにより、水素濃度を最適量に低下させつつ酸化剤ガス極側の酸素分圧を所望の値に設定することができ、燃料極側に進入させる酸素濃度を適切に設定することができる。   According to the present invention configured as described above, the oxidant gas supply device is operated for a predetermined time or the amount of oxidant gas is fed back. Oxidant gas can be introduced. Thereby, the oxygen partial pressure on the oxidant gas electrode side can be set to a desired value while reducing the hydrogen concentration to an optimum amount, and the oxygen concentration to enter the fuel electrode side can be set appropriately.

本発明において、好ましくは、残留水素排出制御における酸化剤ガス供給装置の間欠的な作動は、燃料電池モジュール内の温度が低下するほど低頻度で実行され、又は、燃料電池モジュール内の温度が低下するほど1回の間欠的作動における酸化剤ガス供給量が低下するように実行される。   In the present invention, preferably, the intermittent operation of the oxidant gas supply device in the residual hydrogen discharge control is performed with a lower frequency as the temperature in the fuel cell module decreases, or the temperature in the fuel cell module decreases. It is executed so that the oxidant gas supply amount in one intermittent operation decreases as the number of operations increases.

燃料極側の圧力は、シャットダウン停止後、温度低下と共に低下する。上記のように構成された本発明によれば、燃料極側の圧力低下と共に酸化剤ガス供給量が低下されるので、燃料極側への酸化剤ガスの進入を確実に防止することができる。   The pressure on the fuel electrode side decreases as the temperature decreases after the shutdown is stopped. According to the present invention configured as described above, since the supply amount of the oxidant gas is reduced along with the pressure drop on the fuel electrode side, it is possible to reliably prevent the oxidant gas from entering the fuel electrode side.

本発明において、好ましくは、コントローラは、さらに、燃料電池モジュールからの開回路出力電圧を監視する電圧監視回路を備え、シャットダウン停止回路は、開回路出力電圧が過剰に低下した場合には、残留水素排出制御による酸化剤ガスの供給を停止させる。   In the present invention, preferably, the controller further includes a voltage monitoring circuit for monitoring an open circuit output voltage from the fuel cell module, and the shutdown stop circuit is configured to detect residual hydrogen when the open circuit output voltage is excessively reduced. Stop supply of oxidant gas by emission control.

このように構成された本発明によれば、電圧監視回路により開回路出力電圧が監視されているので、酸化剤ガスの燃料極側への過剰な進入が発生した場合には、即座に残留水素排出制御を停止することができ、燃料極の雰囲気酸化を確実に防止することができる。   According to the present invention configured as described above, since the open circuit output voltage is monitored by the voltage monitoring circuit, if excessive entry of the oxidant gas to the fuel electrode side occurs, the residual hydrogen is immediately Emission control can be stopped, and atmospheric oxidation of the fuel electrode can be reliably prevented.

本発明において、好ましくは、燃料電池セルの燃料極はニッケル成分を含み、残留水素排出制御は、400℃以下の温度において燃料極の酸化が発生し、酸化収縮が発生するように実行される。   In the present invention, preferably, the fuel electrode of the fuel cell includes a nickel component, and the residual hydrogen discharge control is executed such that oxidation of the fuel electrode occurs at a temperature of 400 ° C. or lower and oxidation shrinkage occurs.

本件発明者は、燃料極に含まれるニッケル成分は、400℃以下の温度で雰囲気酸化を始めると、収縮するという性質を新たに見出した。上記のように構成された本発明によれば、残留水素排出制御により、濃度の高い酸素が燃料極側に拡散するようになり、400℃以下の温度で燃料極が適度に酸化され、収縮される。これにより、電気化学的酸化により発生する燃料極の膨張を相殺することができ、電気化学的酸化による燃料電池セルへの悪影響を軽減することができる。   The present inventor newly found out that the nickel component contained in the fuel electrode contracts when atmospheric oxidation starts at a temperature of 400 ° C. or lower. According to the present invention configured as described above, high-concentration oxygen diffuses to the fuel electrode side by residual hydrogen discharge control, and the fuel electrode is appropriately oxidized and contracted at a temperature of 400 ° C. or lower. The Thereby, expansion of the fuel electrode generated by electrochemical oxidation can be offset, and adverse effects on the fuel cells due to electrochemical oxidation can be reduced.

本発明において、好ましくは、シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止を実行する直前に、予め定められた量の燃料及び水を改質器に所定期間供給する停止前制御を実行するようにプログラムされている。   In the present invention, preferably, the shutdown stop circuit is programmed to execute pre-stop control for supplying a predetermined amount of fuel and water to the reformer for a predetermined period immediately before executing the shutdown stop. .

このように構成された本発明によれば、停止前制御により、シャットダウン停止時における燃料電池モジュールの状態を、規定の状態に設定することができるので、残留水素排出制御に基づく燃料極側への酸化剤ガスの進入量や酸素濃度、及び進入タイミングを一層確実なものとできる。これにより、燃料極の雰囲気酸化及び電気化学的酸化を確実に防止することができる。   According to the present invention configured as described above, the state of the fuel cell module at the time of shutdown stop can be set to a specified state by the pre-stop control, so that the fuel electrode side to the fuel electrode side based on the residual hydrogen discharge control can be set. The amount of oxidant gas entering, the oxygen concentration, and the timing of entry can be made more reliable. Thereby, atmospheric oxidation and electrochemical oxidation of the fuel electrode can be reliably prevented.

また、本発明は、水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池システムであって、燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を燃料電池セルの、ニッケル成分を含む燃料極側に供給する改質器と、この改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料供給装置、水供給装置、及び酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、コントローラは、燃料供給装置による燃料の供給及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行するシャットダウン停止回路を備え、シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止後、燃料、水、及び酸化剤ガスの供給が停止された放置期間経過後、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下する前に、酸化剤ガス供給装置のみを所定期間作動させる残留水素排出制御、及び燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下した状態で酸化剤ガス供給装置を作動させ、燃料電池モジュール内を冷却する冷却運転制御を実行するようにプログラムされており、残留水素排出制御により、シャットダウン停止後に燃料極側から酸化剤ガス極側に流出した水素が燃料電池モジュールから排出され、燃料電池モジュール内の水素濃度が低下されると共に、400℃以下の温度で燃料極が酸化され、酸化収縮が発生することを特徴としている。   The present invention also relates to a solid oxide fuel cell system that generates electric power by reacting hydrogen with an oxidant gas, a fuel cell module containing fuel cells, and a fuel that supplies fuel to the fuel cell module The reformer for supplying hydrogen to the fuel electrode side containing the nickel component of the fuel battery cell by generating steam by reforming the fuel supplied from the fuel supply device by steam reforming, and the reformer A water supply device for supplying water for steam reforming to the gasifier, an oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell, a fuel supply device, a water supply device, and an oxidation And a controller for controlling extraction of electric power from the fuel cell module, and the controller supplies fuel by the fuel supply device and the fuel cell module. And a shutdown circuit for performing shutdown stop to stop taking out the power of the fuel cell module. After the shutdown period, the fuel cell module is stopped after the standing period in which the supply of fuel, water and oxidant gas is stopped. Residual hydrogen discharge control in which only the oxidant gas supply device is operated for a predetermined period before the temperature in the fuel cell module drops below the oxidation suppression temperature, and the oxidant gas in a state where the temperature in the fuel cell module has dropped below the oxidation suppression temperature. It is programmed to execute the cooling operation control to operate the supply device and cool the inside of the fuel cell module, and the hydrogen that flows out from the fuel electrode side to the oxidant gas electrode side after the shutdown is stopped by the residual hydrogen discharge control. As the hydrogen concentration in the fuel cell module is lowered from the battery module, 400 Is the fuel electrode oxidation at a temperature, is characterized in that oxidation shrinkage occurs.

本発明の固体酸化物型燃料電池システムによれば、シャットダウン停止を実行しながら、燃料電池セルの燃料極の電気化学的酸化を十分に抑制することができる。   According to the solid oxide fuel cell system of the present invention, it is possible to sufficiently suppress the electrochemical oxidation of the fuel electrode of the fuel cell while executing shutdown stop.

本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。It is a front sectional view showing a fuel cell module of a fuel cell system by one embodiment of the present invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルユニットを示す(a)部分断面図及び(b)横断面図である。It is (a) partial sectional view and (b) transverse sectional view showing a fuel cell unit of a fuel cell system by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。1 is a block diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example of each supply_amount | feed_rate of fuel etc. in the starting process of the fuel cell system by one Embodiment of this invention, and the temperature of each part. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおける停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。4 is a time chart schematically showing an example of a stop behavior in a fuel cell system according to an embodiment of the present invention in time series. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの停止挙動において、シャットダウン停止直後を拡大して示すタイムチャートである。6 is an enlarged time chart showing a state immediately after the shutdown is stopped in the stop behavior of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、残留水素排出制御における発電用空気の供給態様を模式的に示す図である。In the fuel cell system by one Embodiment of this invention, it is a figure which shows typically the supply aspect of the electric power for electric power generation in residual hydrogen discharge | emission control. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、停止工程が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。The figure for demonstrating in time series the control in the case of a stop process being performed in the fuel cell system by one Embodiment of this invention, the temperature in a fuel cell module, a pressure, and the state of the front-end | tip part of a fuel cell unit. It is. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、燃料極材料を空気雰囲気中で昇温させた場合の線膨張率を示すグラフである。5 is a graph showing a linear expansion coefficient when the temperature of the fuel electrode material is raised in an air atmosphere in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. 本発明の変形例による燃料電池システムにおいて、残留水素排出制御における発電用空気の供給態様を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the supply aspect of the electric power for electric power generation in residual hydrogen discharge control in the fuel cell system by the modification of this invention. 従来の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合における燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。In the conventional solid oxide fuel cell system, it is a figure for demonstrating in time series the temperature in the fuel cell module, the pressure, and the state of the front-end | tip part of a fuel cell unit when shutdown stop is performed. 燃料電池セルユニットを構成する燃料極,電解質,空気極の活性温度と、シャットダウン制御の関係を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the relationship between the active temperature of the fuel electrode which comprises a fuel cell unit, an electrolyte, and an air electrode, and shutdown control. 燃料電池モジュール内の温度が非正常電流発生可能温度帯域を通過する場合の燃料電池セルの挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of a fuel cell when the temperature in a fuel cell module passes the temperature range which can generate an abnormal current. 燃料電池セルにおける非正常電流を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the abnormal current in a fuel cell.

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

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のケース8が内蔵されている。この密閉空間であるケース8の下方部分である発電室10には、燃料と酸化剤ガス(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、燃料電池セルである16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、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 module 2 includes a housing 6, and a metal case 8 is built in the housing 6 via a heat insulating material 7. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel and oxidant gas (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the case 8 that is a sealed space. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5). The fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16 (see FIG. 4), which are fuel cells. ). Thus, the fuel cell assembly 12 has 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のケース8の上述した発電室10の上方には、燃焼部である燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料と残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。さらに、ケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室18の上方には、燃料を改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 that is a combustion section is formed above the above-described power generation chamber 10 of the case 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel and the remaining oxidant that have not been used for the power generation reaction. (Air) is combusted to generate exhaust gas. Further, the case 8 is covered with a heat insulating material 7 to suppress the heat inside the fuel cell module 2 from being diffused to the outside air.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. Yes. Further, an air heat exchanger 22, which is a heat exchanger for heating the power generation air with the remaining combustion gas and preheating the power generation air, is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料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)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、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、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores pure water tank 26 that stores water condensed from moisture contained in the exhaust from the fuel cell module 2 and makes it pure water with a filter, and water supplied from the water storage tank. Is provided with a water flow rate adjusting unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor). In addition, the auxiliary unit 4 adjusts the flow rate of the fuel gas, the gas shutoff valve 32 for shutting off the fuel supplied from the fuel supply source 30 such as city gas, the desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, A fuel flow adjustment unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) and a valve 39 that shuts off fuel gas flowing out from the fuel flow adjustment unit 38 when power is lost. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant gas supplied from an air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjustment. A unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a first heater for heating the power generating air supplied to the power generation chamber 2 heaters 48. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

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

次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内のケース8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Next, the internal structure of the fuel cell module of the solid oxide fuel cell (SOFC) system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. .
As shown in FIGS. 2 and 3, the case 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2 has a fuel cell assembly 12, a reformer 20, and an air heat exchanger in order from the bottom as described above. 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管62が取り付けられている。
改質器導入管62は、改質器20の一端の側壁面から延びる円管であり、90゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース8の上端面を貫通している。なお、改質器導入管62は、改質器20に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管62の上端には、T字管62aが接続されており、このT字管62aの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管63aはT字管62aの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管63bはT字管62aの他方の側端から水平方向に延びた後、U字型に屈曲され、水供給用配管63aと同様の方向に、概ね水平に延びている。
The reformer 20 is provided with a reformer introduction pipe 62 for introducing pure water, fuel gas to be reformed, and reforming air on the end side surface on the upstream end side.
The reformer introduction pipe 62 is a circular pipe extending from the side wall surface at one end of the reformer 20, is bent by 90 ° and extends in a substantially vertical direction, and penetrates the upper end surface of the case 8. The reformer introduction pipe 62 functions as a water introduction pipe for introducing water into the reformer 20. Further, a T-shaped tube 62a is connected to the upper end of the reformer introduction tube 62, and fuel gas and pure water are supplied to both ends of the T-shaped tube 62a extending in a substantially horizontal direction. Pipes for connecting are connected to each other. The water supply pipe 63a extends obliquely upward from one side end of the T-shaped pipe 62a. The fuel gas supply pipe 63b extends in the horizontal direction from the other side end of the T-shaped pipe 62a, then bends in a U shape, and extends substantially horizontally in the same direction as the water supply pipe 63a.

一方、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20a、混合部20b、改質部20cが形成され、この改質部20cには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   On the other hand, an evaporation unit 20a, a mixing unit 20b, and a reforming unit 20c are formed in the reformer 20 sequentially from the upstream side, and the reforming unit 20c is filled with a reforming catalyst. The fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。また、燃料ガス供給管64の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部64cが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b. Further, in the middle of the vertical portion of the fuel gas supply pipe 64, a pressure fluctuation suppressing flow path resistance portion 64c having a narrow flow path is provided, and the flow path resistance of the fuel gas supply flow path is adjusted. The adjustment of the channel resistance will be described later.

このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。   A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.

一方、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。
また、図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
On the other hand, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20.
Further, as shown in FIG. 2, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4(a)は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図4(b)は、燃料電池セルユニットの部分横断面図である。
図4(a)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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention. FIG. 4B is a partial cross-sectional view of the fuel cell unit.
As shown in FIG. 4A, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 that are caps respectively connected to both ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、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細管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 84 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. At the center of the inner electrode terminal 86, a fuel gas channel capillary 98 that communicates with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed.

この燃料ガス流路細管98は、内側電極端子86の中心から燃料電池セル84の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド66(図2)から、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃料ガス流路88に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路88から、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98を通って燃焼室18(図2)に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子86の燃料ガス流路細管98は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。   The fuel gas passage narrow tube 98 is an elongated thin tube provided so as to extend in the axial direction of the fuel cell 84 from the center of the inner electrode terminal 86. For this reason, a predetermined pressure loss occurs in the flow of the fuel gas flowing from the manifold 66 (FIG. 2) into the fuel gas passage 88 through the fuel gas passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86. . Accordingly, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the lower inner electrode terminal 86 acts as an inflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value. Further, a predetermined pressure loss also occurs in the flow of the fuel gas flowing out from the fuel gas flow path 88 to the combustion chamber 18 (FIG. 2) through the fuel gas flow path narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86. Therefore, the fuel gas flow passage narrow tube 98 of the upper inner electrode terminal 86 acts as an outflow side flow passage resistance portion, and the flow passage resistance is set to a predetermined value.

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、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、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. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of 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、Sr、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る。   The electrolyte layer 94 is, 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, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、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、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、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、など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 Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に、図4(b)を参照して、燃料電池セル84の構造を詳細に説明する。
図4(b)に示すように、内側電極層90は、第1燃料極90dと第2燃料極90eから構成されており、さらに燃料極保護層90fを第1燃料極90dと第2燃料極90eの間に含んでいる。また、外側電極層92は、空気極92aと集電層92bから構成されている。
Next, the structure of the fuel cell 84 will be described in detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 4B, the inner electrode layer 90 is composed of a first fuel electrode 90d and a second fuel electrode 90e, and further, a fuel electrode protection layer 90f is formed as the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode. It is included between 90e. The outer electrode layer 92 includes an air electrode 92a and a current collecting layer 92b.

本実施形態においては、第1燃料極90dは、Ni/YSZからなり、Niと、YをドープしたジルコニアであるYSZとの混合物を円筒状に焼成することにより形成されている。燃料極保護層90fは、ストロンチウムジルコネートとニッケルの混合物(Ni/SrZrO3)からなり、第1燃料極90d及び第2燃料極90eよりも薄い厚みで形成された薄膜である。第2燃料極90eは、Ni/GDCであり、Niと、GdをドープしたセリアであるGDCとの混合物を、燃料極保護層90fの外側に成膜することにより形成されている。 In the present embodiment, the first fuel electrode 90d is made of Ni / YSZ, and is formed by firing a mixture of Ni and YSZ that is Y-doped zirconia into a cylindrical shape. The fuel electrode protective layer 90f is a thin film made of a mixture of strontium zirconate and nickel (Ni / SrZrO 3 ) and having a thickness smaller than that of the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e. The second fuel electrode 90e is Ni / GDC, and is formed by forming a mixture of Ni and GDC, which is ceria doped with Gd, on the outside of the fuel electrode protective layer 90f.

また、本実施形態においては、電解質層94は、Sr及びMgをドープしたランタンガレートであるLSGMを第2燃料極90eの外側に積層することにより形成されている。このように形成された成形体を焼成することにより焼成体を構成した。   In the present embodiment, the electrolyte layer 94 is formed by laminating LSGM, which is lanthanum gallate doped with Sr and Mg, on the outside of the second fuel electrode 90e. A fired body was formed by firing the formed body.

また、本実施形態においては、空気極92aは、この焼成体の外側に、Sr及びFeをドープしたランタンコバルタイトであるLSCFを成膜することにより形成されている。集電層92bは、空気極92aの外側に、Ag層を形成することにより構成されている。   In the present embodiment, the air electrode 92a is formed by depositing LSCF, which is lanthanum cobaltite doped with Sr and Fe, on the outside of the fired body. The current collecting layer 92b is configured by forming an Ag layer outside the air electrode 92a.

次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16は、8本ずつ2列に並べて配置されている。各燃料電池セルユニット16は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板68(図2)により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット16が4本ずつ、概ね正方形の2枚の上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and these fuel cell units 16 are arranged in two rows of 8 each. Each fuel cell unit 16 is supported at its lower end by a rectangular lower support plate 68 (FIG. 2) made of ceramic, and at the upper end, four fuel cell units 16 at both end portions are provided, each having a generally square shape. It is supported by the upper support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面と電気的に接続される空気極用接続部102bとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部102bが接触することにより、集電体102は空気極全体と電気的に接続される。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. It is integrally formed so as to connect the air electrode connecting portion 102b that is electrically connected. In addition, a silver thin film is formed on the entire outer surface of the outer electrode layer 92 (air electrode) of each fuel cell unit 16 as an electrode on the air electrode side. When the air electrode connecting portion 102b contacts the surface of the thin film, the current collector 102 is electrically connected to the entire air electrode.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側)に位置する燃料電池セルユニット16の空気極86には、2つの外部端子104がそれぞれ接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の内側電極端子86に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Furthermore, two external terminals 104 are connected to the air electrode 86 of the fuel cell unit 16 located at the end of the fuel cell stack 14 (the far left side in FIG. 5). These external terminals 104 are connected to the inner electrode terminal 86 of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, all 160 fuel cell units 16 are connected in series. It has come to be.

次に図6により本実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムに取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムを示すブロック図である。
図6に示すように、固体酸化物型燃料電池システム1は、コントローラである制御部110を備え、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良い。また、制御部110には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell system 1 includes a control unit 110 that is a controller. The control unit 110 includes operations such as “ON” and “OFF” for operation by the user. An operation device 112 having a button, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing a warning (warning) in an abnormal state are connected. Yes. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state. In addition, the control unit 110 incorporates a microprocessor, a memory, and a program (not shown) for operating these components, and thereby, based on input signals from the respective sensors, the auxiliary unit 4, The inverter 54 and the like are controlled.

次に、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。
先ず、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、本来排気ガス通路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)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ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。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 110.
First, 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 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do.
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る。
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).
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 sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ134は、改質器20に供給される純水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 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(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。
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る。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ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。
外気温度センサ150は、固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムが屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 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 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated.
The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
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.
The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) system is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、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、発電用空気流量調整ユニット45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。   Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units.

図2及び図3に示すように、空気用熱交換器22は、複数の燃焼ガス配管70と発電用空気流路72と、を有する。また、図2に示すように、複数の燃焼ガス配管70の一方の端部には、排気ガス集約室78が設けられており、この排気ガス集約室78は、各燃焼ガス配管70に連通されている。また、排気ガス集約室78には、排気ガス排出管82が接続されている。さらに、各燃焼ガス配管70の他方の端部は開放されており、この開放された端部は、ケース8の上面に形成された連通開口8aを介して、ケース8内の燃焼室18に連通されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the air heat exchanger 22 includes a plurality of combustion gas pipes 70 and a power generation air flow path 72. As shown in FIG. 2, an exhaust gas collecting chamber 78 is provided at one end of the plurality of combustion gas pipes 70, and the exhaust gas collecting chamber 78 is communicated with each combustion gas pipe 70. ing. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the exhaust gas collecting chamber 78. Further, the other end of each combustion gas pipe 70 is open, and this open end communicates with the combustion chamber 18 in the case 8 via a communication opening 8 a formed on the upper surface of the case 8. Has been.

燃焼ガス配管70は、水平方向に向けられた複数の金属製の円管であり、各円管は夫々平行に配置されている。一方、発電用空気流路72は、各燃焼ガス配管70の外側の空間によって構成されている。また、発電用空気流路72の、排気ガス排出管82側の端部には、発電用空気導入管74が接続されており、燃料電池モジュール2の外部の空気が、発電用空気導入管74を通って発電用空気流路72に導入される。なお、発電用空気導入管74は、排気ガス排出管82と平行に、空気用熱交換器22から水平方向に突出している。さらに、発電用空気流路72の他方の端部の両側面には、一対の連絡流路76(図3)が接続されており、発電用空気流路72と各連絡流路76は、夫々、出口ポート76aを介して連通されている。   The combustion gas pipe 70 is a plurality of metal circular pipes oriented in the horizontal direction, and the circular pipes are arranged in parallel. On the other hand, the power generation air flow path 72 is constituted by a space outside each combustion gas pipe 70. Further, a power generation air introduction pipe 74 is connected to an end of the power generation air flow path 72 on the exhaust gas discharge pipe 82 side, and the air outside the fuel cell module 2 is connected to the power generation air introduction pipe 74. And is introduced into the power generation air flow path 72. The power generation air introduction pipe 74 protrudes in the horizontal direction from the air heat exchanger 22 in parallel with the exhaust gas discharge pipe 82. Further, a pair of communication flow paths 76 (FIG. 3) are connected to both side surfaces of the other end of the power generation air flow path 72, and each of the power generation air flow path 72 and each communication flow path 76 is connected to each other. The communication is made through the outlet port 76a.

図3に示すように、ケース8の両側面には、発電用空気供給路77が夫々設けられている。空気用熱交換器22の両側面に設けられた各連絡流路76は、ケース8の両側面に設けられた発電用空気供給路77の上部に夫々連通されている。また、各発電用空気供給路77の下部には、多数の吹出口77aが水平方向に並べて設けられている。各発電用空気供給路77を通って供給された発電用の空気は、多数の吹出口77aから、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルスタック14の下部側面に向けて噴射される。   As shown in FIG. 3, a power generation air supply passage 77 is provided on each side surface of the case 8. Each communication channel 76 provided on both side surfaces of the air heat exchanger 22 communicates with an upper portion of a power generation air supply channel 77 provided on both side surfaces of the case 8. In addition, a large number of air outlets 77 a are arranged in the horizontal direction at the lower portion of each power generation air supply passage 77. The power generation air supplied through each power generation air supply path 77 is injected toward the lower side surface of the fuel cell stack 14 in the fuel cell module 2 from a large number of air outlets 77a.

また、ケース8内部の天井面には、隔壁である整流板21が取り付けられており、この整流板21には開口部21aが設けられている。
整流板21は、ケース8の天井面と改質器20の間に、水平に配置された板材である。この整流板21は、燃焼室18から上方に流れる気体の流れを整え、空気用熱交換器22の入り口(図2の連通開口8a)に導くように構成されている。燃焼室18から上方へ向かう発電用空気及び燃焼ガスは、整流板21の中央に設けられた開口部21aを通って整流板21の上側に流入し、整流板21の上面とケース8の天井面の間の排気通路21bを図2における左方向に流れ、空気用熱交換器22の入り口に導かれる。また、開口部21aは、改質器20の改質部20cの上方に設けられており、開口部21aを通って上昇した気体は、蒸発部20aとは反対側の、図2における左側の排気通路21bに流れる。このため、蒸発部20aの上方の空間(図2における右側)は、改質部20cの上方の空間よりも排気の流れが遅く、排気の流れが淀む気体滞留空間21cとして作用する。
A rectifying plate 21 that is a partition wall is attached to the ceiling surface inside the case 8, and the rectifying plate 21 has an opening 21 a.
The rectifying plate 21 is a plate member disposed horizontally between the ceiling surface of the case 8 and the reformer 20. The rectifying plate 21 is configured to adjust the flow of the gas flowing upward from the combustion chamber 18 and to guide it to the inlet of the air heat exchanger 22 (communication opening 8a in FIG. 2). The power generation air and the combustion gas traveling upward from the combustion chamber 18 flow into the upper side of the rectifying plate 21 through the opening 21 a provided in the center of the rectifying plate 21, and the upper surface of the rectifying plate 21 and the ceiling surface of the case 8. 2 flows to the left in FIG. 2 and is led to the inlet of the heat exchanger 22 for air. The opening 21a is provided above the reforming unit 20c of the reformer 20, and the gas rising through the opening 21a is exhausted on the left side in FIG. 2 on the side opposite to the evaporation unit 20a. It flows into the passage 21b. For this reason, the space above the evaporation unit 20a (the right side in FIG. 2) acts as a gas retention space 21c in which the exhaust flow is slower than the space above the reforming unit 20c and the exhaust flow is stagnant.

また、整流板21の開口部21aの縁には、全周に亘って縦壁21dが設けられており、この縦壁21dにより、整流板21の下側の空間から整流板21の上側の排気通路21bに流入する流路が狭められている。さらに、排気通路21bと空気用熱交換器22を連通させる連通開口8aの縁にも、全周に亘って下がり壁8b(図2)が設けられており、この下がり壁8bにより、排気通路21bから空気用熱交換器22に流入する流路が狭められている。これらの縦壁21d、下がり壁8bを設けることにより、燃焼室18から空気用熱交換器22を通って燃料電池モジュール2の外部に至る排気の通路における流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。   Further, a vertical wall 21d is provided at the edge of the opening 21a of the rectifying plate 21 over the entire circumference, and the vertical wall 21d allows the exhaust above the rectifying plate 21 from the space below the rectifying plate 21. The flow path flowing into the passage 21b is narrowed. Further, a falling wall 8b (FIG. 2) is provided over the entire circumference at the edge of the communication opening 8a that allows the exhaust passage 21b and the air heat exchanger 22 to communicate with each other. The flow path flowing into the air heat exchanger 22 is narrowed. By providing the vertical wall 21d and the falling wall 8b, the flow resistance in the exhaust passage from the combustion chamber 18 to the outside of the fuel cell module 2 through the air heat exchanger 22 is adjusted. The adjustment of the channel resistance will be described later.

次に、固体酸化物型燃料電池システム1の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管63b、T字管62a、改質器導入管62を介して改質器20の蒸発部20aに導入されると共に、純水は、水供給用配管63a、T字管62a、改質器導入管62を介して蒸発部20aに導入される。従って、供給された燃料及び水はT字管62aにおいて合流され、改質器導入管62を通って蒸発部20aに導入される。発電運転中においては、蒸発部20aは高温に加熱されているため、蒸発部20aに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部20b内で混合され、改質器20の改質部20cに流入する。水蒸気と共に改質部20cに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部20cにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管64を通って下方に下り、分散室であるマニホールド66に流入する。
Next, the flow of fuel, power generation air, and exhaust gas during the power generation operation of the solid oxide fuel cell system 1 will be described.
First, the fuel is introduced into the evaporation section 20a of the reformer 20 through the fuel gas supply pipe 63b, the T-shaped pipe 62a, and the reformer introduction pipe 62, and the pure water is supplied to the water supply pipe 63a, It is introduced into the evaporator 20a through the T-shaped tube 62a and the reformer introducing tube 62. Accordingly, the supplied fuel and water are merged in the T-shaped tube 62 a and introduced into the evaporation unit 20 a through the reformer introduction tube 62. During the power generation operation, since the evaporation unit 20a is heated to a high temperature, the pure water introduced into the evaporation unit 20a is evaporated relatively quickly to become water vapor. The evaporated water vapor and fuel are mixed in the mixing unit 20 b and flow into the reforming unit 20 c of the reformer 20. The fuel introduced into the reforming unit 20c together with the steam is steam reformed here and reformed into a fuel gas rich in hydrogen. The fuel reformed in the reforming unit 20c goes down through the fuel gas supply pipe 64 and flows into the manifold 66 which is a dispersion chamber.

マニホールド66は、燃料電池セルスタック14の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック14を構成する各燃料電池セルユニット16の内側に連通している。マニホールド66に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット16の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット16の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット16の内部を通過する際、空気極(酸化剤ガス極)である燃料電池セルユニット16の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット16の上端から流出し、燃料電池セルスタック14の上方に設けられた燃焼室18内で燃焼される。   The manifold 66 is a rectangular parallelepiped space having a relatively large volume, which is disposed on the lower side of the fuel cell stack 14, and a plurality of holes provided on the upper surface thereof constitute each fuel cell constituting the fuel cell stack 14. It communicates with the inside of the unit 16. The fuel introduced into the manifold 66 flows out from the upper end of the fuel cell unit 16 through the many holes provided on the upper surface thereof, through the fuel electrode side of the fuel cell unit 16, that is, through the inside of the fuel cell unit 16. . Further, when hydrogen gas as a fuel passes through the inside of the fuel cell unit 16, it reacts with oxygen in the air passing outside the fuel cell unit 16 as an air electrode (oxidant gas electrode) to generate a charge. Is done. The remaining fuel that is not used for power generation flows out from the upper end of each fuel cell unit 16 and is combusted in a combustion chamber 18 provided above the fuel cell stack 14.

一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45によって、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に送り込まれる。燃料電池モジュール2内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管74を介して空気用熱交換器22の発電用空気流路72に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート76a(図3)を介して各連絡流路76に流出する。各連絡流路76に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール2の両側面に設けられた発電用空気供給路77を通って下方に流れ、多数の吹出口77aから、燃料電池セルスタック14に向けて発電室10内に噴射される。   On the other hand, the power generation air that is the oxidant gas is sent into the fuel cell module 2 through the power generation air introduction pipe 74 by the power generation air flow rate adjustment unit 45 that is a power generation oxidant gas supply device. The air sent into the fuel cell module 2 is introduced into the power generation air passage 72 of the air heat exchanger 22 via the power generation air introduction pipe 74 and preheated. The preheated air flows out to each communication channel 76 via each outlet port 76a (FIG. 3). The power generation air flowing into each communication channel 76 flows downward through the power generation air supply passages 77 provided on both side surfaces of the fuel cell module 2, and the fuel cell stack 14 from a number of outlets 77a. Toward the power generation chamber 10.

発電室10内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック14の空気極側(酸化剤ガス極側)である各燃料電池セルユニット16の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口77aを介して発電室10の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室10内を上昇する。発電室10内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20の蒸発部20a、混合部20b及び改質部20cを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器20を加熱した後、改質器20上方の開口部21aを通って整流板21の上側に流入する。整流板21の上側に流入した燃焼ガスは、整流板21によって構成された排気通路21bを通って空気用熱交換器22の入り口である連通開口8aに導かれる。連通開口8aから空気用熱交換器22に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管70の端部に流入し、各燃焼ガス配管70外側の発電用空気流路72を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室78に集約される。排気ガス集約室78に集約された排気ガスは、排気ガス排出管82を介して燃料電池モジュール2の外部に排出される。これにより、蒸発部20aにおける水の蒸発、及び改質部20cにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器22内の発電用空気が予熱される。   The air injected into the power generation chamber 10 comes into contact with the outer surface of each fuel cell unit 16 on the air electrode side (oxidant gas electrode side) of the fuel cell stack 14, and a part of oxygen in the air is in contact with it. Used for power generation. Moreover, the air injected to the lower part of the power generation chamber 10 through the blower outlet 77a rises in the power generation chamber 10 while being used for power generation. The air rising in the power generation chamber 10 burns the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16. The combustion heat generated by this combustion heats the evaporation section 20a, the mixing section 20b, and the reforming section 20c of the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14. The combustion gas generated by burning the fuel heats the upper reformer 20 and then flows into the upper side of the rectifying plate 21 through the opening 21 a above the reformer 20. The combustion gas that has flowed into the upper side of the rectifying plate 21 is guided to the communication opening 8 a that is the inlet of the air heat exchanger 22 through the exhaust passage 21 b formed by the rectifying plate 21. The combustion gas that has flowed into the air heat exchanger 22 from the communication opening 8 a flows into the open end of each combustion gas pipe 70 and flows through the power generation air flow path 72 outside each combustion gas pipe 70. Are exchanged with each other and collected in an exhaust gas collecting chamber 78. The exhaust gas collected in the exhaust gas collection chamber 78 is discharged to the outside of the fuel cell module 2 through the exhaust gas discharge pipe 82. As a result, the evaporation of water in the evaporation unit 20a and the steam reforming reaction, which is an endothermic reaction in the reforming unit 20c, are promoted, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is preheated.

次に、図7を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池システム1の起動工程における制御を説明する。
図7は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図7の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
Next, control in the starting process of the solid oxide fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a time chart showing an example of each supply amount of fuel and the temperature of each part in the starting process. In addition, the scale of the vertical axis | shaft of FIG. 7 has shown temperature, and each supply amount of fuel etc. has shown those increase / decrease roughly.

図7に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック14の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図7の時刻t0において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部110が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に導入され、空気用熱交換器22、発電用空気供給路77を経て発電室10内に流入する。また、制御部110は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット44に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール2内に導入された改質用空気は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セルユニット16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t0においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器20内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図7の時刻t0において開始される発電用空気の供給量は約100L/minであり、改質用空気の供給量は約10.0L/minである。
In the starting process shown in FIG. 7, the temperature of the fuel cell stack 14 at room temperature is raised to a temperature at which power generation is possible.
First, at time t0 in FIG. 7, supply of power generation air and reforming air is started. Specifically, the control unit 110 that is a controller sends a signal to the power generation air flow rate adjustment unit 45 that is a power generation oxidant gas supply device to operate it. As described above, the power generation air is introduced into the fuel cell module 2 through the power generation air introduction pipe 74 and flows into the power generation chamber 10 through the air heat exchanger 22 and the power generation air supply path 77. . In addition, the control unit 110 sends a signal to the reforming air flow rate adjustment unit 44 which is a reforming oxidant gas supply device to operate it. The reforming air introduced into the fuel cell module 2 flows into the interior of each fuel cell unit 16 through the reformer 20 and the manifold 66, and flows out from the upper end thereof. Note that at time t0, no reforming reaction occurs in the reformer 20 because fuel has not yet been supplied. In the present embodiment, the supply amount of power generation air started at time t0 in FIG. 7 is about 100 L / min, and the supply amount of reforming air is about 10.0 L / min.

次いで、図7の時刻t0から所定時間後の時刻t1において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部110が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット38に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻t1において開始される燃料の供給量は約5.0L/minである。燃料電池モジュール2内に導入された燃料は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セルユニット16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t1においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器20内において改質反応は発生しない。   Next, the fuel supply is started at time t1 after a predetermined time from time t0 in FIG. Specifically, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow rate adjustment unit 38 which is a fuel supply device to operate it. In the present embodiment, the fuel supply amount started at time t1 is about 5.0 L / min. The fuel introduced into the fuel cell module 2 flows into the interior of each fuel cell unit 16 through the reformer 20 and the manifold 66, and flows out from the upper end thereof. At time t1, the reformer reaction is not generated in the reformer 20 because the temperature of the reformer is still low.

次に、図7の時刻t1から所定時間経過した時刻t2において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部110が、点火手段である点火装置83(図2)に信号を送り、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料に点火する。点火装置83は、燃料電池セルスタック14の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セルユニット16の上端から流出する燃料に点火する。   Next, at time t2 when a predetermined time has elapsed from time t1 in FIG. 7, an ignition process for the supplied fuel is started. Specifically, in the ignition process, the control unit 110 sends a signal to an ignition device 83 (FIG. 2) that is an ignition means, and ignites the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16. The ignition device 83 repeatedly generates a spark in the vicinity of the upper end of the fuel cell stack 14 and ignites the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell unit 16.

図7の時刻t3において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部110が、水供給装置である水流量調整ユニット28(図6)に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻t3に開始される水の供給量は、2.0cc/minである。時刻t3においては、燃料供給量は、従前の約5.0L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。なお、この時刻t3において、改質用空気中の酸素O2と燃料中の炭素Cの比O2/Cは約0.32になる。 When ignition is completed at time t3 in FIG. 7, supply of reforming water is started. Specifically, the control unit 110 sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 (FIG. 6), which is a water supply device, to activate it. In the present embodiment, the supply amount of water started at time t3 is 2.0 cc / min. At time t3, the fuel supply amount is maintained at about 5.0 L / min. Further, the supply amounts of the power generation air and the reforming air are also maintained at the previous values. At this time t3, the ratio O 2 / C of oxygen O 2 in the reforming air and carbon C in the fuel becomes about 0.32.

図7の時刻t3において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セルユニット16の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20を加熱する。   After being ignited at time t3 in FIG. 7, the supplied fuel flows out from the upper end of each fuel cell unit 16 as off-gas and is burned here. This combustion heat heats the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14.

このようにして、改質器20の温度が上昇した時刻t4において、蒸発部20aを経て改質部20bに流入した燃料と改質用空気が、式(1)に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1)
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部20b内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。
In this way, at time t4 when the temperature of the reformer 20 rises, the fuel and the reforming air that have flowed into the reforming unit 20b through the evaporation unit 20a undergo the partial oxidation reforming reaction represented by the equation (1). Get up.
C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
Since this partial oxidation reforming reaction is an exothermic reaction, when the partial oxidation reforming reaction occurs in the reforming part 20b, the ambient temperature rapidly rises locally.

一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻t3から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部20aの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻t4においては、既に蒸発部20a内で水蒸気が生成され、改質部20bに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部20bの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部20aに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部20bに供給されている改質用の水蒸気と燃料が反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式(2)に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
On the other hand, in the present embodiment, the supply of the reforming water is started from time t3 immediately after the ignition is confirmed, and the temperature of the evaporation unit 20a is rapidly increased. At time t4, water vapor has already been generated in the evaporator 20a and supplied to the reformer 20b. That is, after the off-gas is ignited, the supply of water is started a predetermined time before the temperature of the reforming unit 20b reaches the temperature at which the partial oxidation reforming reaction occurs, and reaches the temperature at which the partial oxidation reforming reaction occurs. At that time, a predetermined amount of water is stored in the evaporation unit 20a, and water vapor is generated. For this reason, when the temperature rapidly rises due to the occurrence of the partial oxidation reforming reaction, a steam reforming reaction occurs in which the reforming steam supplied to the reforming unit 20b reacts with the fuel. This steam reforming reaction is an endothermic reaction shown in Formula (2), and occurs at a higher temperature than the partial oxidation reforming reaction.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)

このように、図7の時刻t4に到達すると、改質部20b内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻t4以降に改質部20b内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式(3)に示すオートサーマル改質反応(ATR)となる。即ち、時刻t4においてATR1工程が開始される。
mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
As described above, when the time t4 in FIG. 7 is reached, the partial oxidation reforming reaction occurs in the reforming unit 20b, and the steam reforming is caused by the temperature rise caused by the partial oxidation reforming reaction. Reaction will also occur at the same time. Therefore, the reforming reaction that occurs in the reforming unit 20b after time t4 is an autothermal reforming reaction (ATR) shown in Formula (3) in which the partial oxidation reforming reaction and the steam reforming reaction are mixed. That is, the ATR1 process is started at time t4.
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)

次に、改質器温度センサ148による検出温度が約500℃以上に到達すると、図7の時刻t5において、ATR1工程からATR2工程に移行される。時刻t5において、水供給量が2.0cc/minから3.0cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ATR2工程における水蒸気と炭素の比S/Cは0.64に増加される一方、改質用空気と炭素の比O2/Cは0.32に維持される。このように、改質用空気と炭素の比O2/Cを一定に維持しながら、水蒸気と炭素の比S/Cを増加させることにより、部分酸化改質可能な炭素の量を低下させずに、水蒸気改質可能な炭素の量が増加される。これにより、改質部20bにおける炭素析出のリスクを確実に回避しながら、改質部20bの温度上昇と共に、水蒸気改質される炭素の量を増加させることができる。 Next, when the temperature detected by the reformer temperature sensor 148 reaches about 500 ° C. or higher, the process moves from the ATR1 process to the ATR2 process at time t5 in FIG. At time t5, the water supply amount is changed from 2.0 cc / min to 3.0 cc / min. Further, the fuel supply amount, the reforming air supply amount, and the power generation air supply amount are maintained at the previous values. As a result, the steam / carbon ratio S / C in the ATR2 step is increased to 0.64, while the reforming air / carbon ratio O 2 / C is maintained at 0.32. Thus, by maintaining the ratio of reforming air and carbon O 2 / C constant, the ratio S / C of steam and carbon is increased, so that the amount of carbon that can be partially oxidized and reformed is not reduced. In addition, the amount of carbon that can be steam reformed is increased. This makes it possible to increase the amount of carbon subjected to steam reforming as the temperature of the reforming unit 20b increases while reliably avoiding the risk of carbon deposition in the reforming unit 20b.

さらに、図7の時刻t6本実施形態において、発電室温度センサ142による検出温度が約400℃以上に到達すると、ATR2工程からATR3工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が5.0L/minから4.0L/minに変更され、改質用空気供給量が9.0L/minから6.5L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ATR3工程における水蒸気と炭素の比S/Cは0.80に増加される一方、改質用空気と炭素の比O2/Cは0.29に減少される。 Furthermore, in the present embodiment at time t6 in FIG. 7, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 400 ° C. or more, the process shifts from the ATR2 process to the ATR3 process. Accordingly, the fuel supply amount is changed from 5.0 L / min to 4.0 L / min, and the reforming air supply amount is changed from 9.0 L / min to 6.5 L / min. Also, the previous values are maintained for the water supply amount and the power generation air supply amount. This increases the steam / carbon ratio S / C in the ATR3 step to 0.80, while the reforming air to carbon ratio O 2 / C is reduced to 0.29.

さらに、図7の時刻t7において、発電室温度センサ142による検出温度が約550℃以上に到達すると、SR1工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が4.0L/minから3.0L/minに変更され、水供給量が3.0cc/minから7.0cc/minに変更される。また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、SR1工程では、改質部20b内で専ら水蒸気改質が発生するようになり、水蒸気と炭素の比S/Cは、供給された燃料の全量を水蒸気改質するために適切な2.49に設定される。図7の時刻t7においては、改質器20、燃料電池セルスタック14とも、十分に温度が上昇しているので、改質部20bにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。   Furthermore, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 550 ° C. or higher at time t7 in FIG. 7, the process proceeds to the SR1 process. Along with this, the fuel supply amount is changed from 4.0 L / min to 3.0 L / min, and the water supply amount is changed from 3.0 cc / min to 7.0 cc / min. Further, the supply of the reforming air is stopped, and the power supply air supply amount is maintained at the previous value. Thus, in the SR1 process, steam reforming occurs exclusively in the reforming unit 20b, and the steam / carbon ratio S / C is 2 which is appropriate for steam reforming the entire amount of supplied fuel. .49. At time t7 in FIG. 7, since the temperature of both the reformer 20 and the fuel cell stack 14 is sufficiently increased, the steam reforming is performed even if the partial oxidation reforming reaction has not occurred in the reforming unit 20b. The reaction can be generated stably.

次に、図7の時刻t8において、発電室温度センサ142による検出温度が約600℃以上に到達すると、SR2工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が3.0L/minから2.5L/minに変更され、水供給量が7.0cc/minから6.0cc/minに変更される。また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、SR2工程では、水蒸気と炭素の比S/Cは、2.56に設定される。   Next, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 600 ° C. or higher at time t8 in FIG. 7, the process proceeds to the SR2 step. Accordingly, the fuel supply amount is changed from 3.0 L / min to 2.5 L / min, and the water supply amount is changed from 7.0 cc / min to 6.0 cc / min. In addition, the previous value of the power supply air supply amount is maintained. Thereby, in the SR2 step, the ratio S / C of water vapor to carbon is set to 2.56.

さらに、SR2工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック14からインバータ54(図6)に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部20bにおいて、専ら水蒸気改質により燃料が改質される。また、発電工程においては、燃料電池モジュール2に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。   Further, after executing the SR2 process for a predetermined time, the process proceeds to the power generation process. In the power generation process, power is extracted from the fuel cell stack 14 to the inverter 54 (FIG. 6), and power generation is started. In the power generation process, the reforming unit 20b reforms the fuel exclusively by steam reforming. Further, in the power generation process, the fuel supply amount, the power generation air supply amount, and the water supply amount are changed corresponding to the output power required for the fuel cell module 2.

次に、図14乃至図16を参照して、従来の固体酸化物型燃料電池システムにおける停止処理を説明する。   Next, stop processing in the conventional solid oxide fuel cell system will be described with reference to FIGS.

まず、シャットダウン停止が行われると、燃料の供給、水の供給、及び発電用空気の供給が短時間に停止する。また、燃料電池モジュールからの電力の取り出しも停止する(出力電流=0)。シャットダウン停止の後、燃料電池モジュールは、この状態で自然放置される。このため、各燃料電池セルユニット内部の燃料極側に存在していた燃料は、外部の空気極側との圧力差に基づいて、空気極側に噴出される。また、各燃料電池セルユニットの空気極側に存在していた空気(及び燃料極側から噴出した燃料)は、空気極側の圧力(発電室内の圧力)と大気圧との圧力差に基づいて、燃料電池モジュールの外部に排出される。従って、シャットダウン停止の後、各燃料電池セルユニットの燃料極側及び空気極側の圧力は、自然に低下する。   First, when the shutdown is stopped, the supply of fuel, the supply of water, and the supply of power generation air are stopped in a short time. Also, the extraction of power from the fuel cell module is stopped (output current = 0). After the shutdown stop, the fuel cell module is left in this state. For this reason, the fuel which existed on the fuel electrode side inside each fuel cell unit is ejected to the air electrode side based on the pressure difference from the external air electrode side. In addition, the air (and the fuel ejected from the fuel electrode side) existing on the air electrode side of each fuel cell unit is based on the pressure difference between the pressure on the air electrode side (pressure in the power generation chamber) and the atmospheric pressure. And discharged outside the fuel cell module. Therefore, after the shutdown is stopped, the pressure on the fuel electrode side and the air electrode side of each fuel cell unit naturally decreases.

しかしながら、各燃料電池セルユニットの上端部に流路抵抗部の大きい細管を設けることにより、燃料供給及び発電が停止された後の燃料極側の圧力低下が、空気極側の圧力低下よりも緩やかにされ、シャットダウン停止後も長時間に亘って燃料が残存するように構成されている。このように、従来の固体酸化物型燃料電池システムにおいても、シャットダウン停止の後自然放置された後、燃料極側の圧力が空気極側の圧力よりも高い圧力を維持しながら酸化抑制温度以下に低下され、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが抑制されている。   However, by providing a thin tube with a large flow path resistance at the upper end of each fuel cell unit, the pressure drop on the fuel electrode side after fuel supply and power generation is stopped is slower than the pressure drop on the air electrode side. The fuel is configured to remain for a long time after the shutdown is stopped. As described above, even in the conventional solid oxide fuel cell system, after being left to stand after being shut down, the pressure on the fuel electrode side is kept below the oxidation suppression temperature while maintaining the pressure higher than the pressure on the air electrode side. The risk that the fuel electrode is oxidized in the atmosphere is suppressed.

なお、本明細書において、酸化抑制温度とは、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが十分に低下される温度を意味している。燃料極が酸化されるリスクは、温度の低下と共に少しずつ減少して、やがてゼロになる。このため、燃料極の酸化が発生し得る最低の温度である酸化下限温度よりも少し高い温度帯域の酸化抑制温度であっても、燃料極酸化のリスクを十分に低減することができる。一般的な燃料電池セルユニットにおいては、このような酸化抑制温度は350℃乃至400℃程度であり、酸化下限温度は250℃乃至300℃程度であると考えられる。   In the present specification, the oxidation suppression temperature means a temperature at which the risk that the fuel electrode is oxidized in the atmosphere is sufficiently reduced. The risk of the anode being oxidized gradually decreases with decreasing temperature and eventually becomes zero. For this reason, even if the oxidation suppression temperature is in a temperature range slightly higher than the oxidation lower limit temperature, which is the lowest temperature at which oxidation of the fuel electrode can occur, the risk of fuel electrode oxidation can be sufficiently reduced. In a general fuel cell unit, such an oxidation suppression temperature is considered to be about 350 ° C. to 400 ° C., and an oxidation lower limit temperature is considered to be about 250 ° C. to 300 ° C.

図14は、従来の固体酸化物型燃料電池システムのシャットダウン停止後の動作を説明する図である。図14の上段には燃料極側及び空気極側の圧力変化を模式的に表すグラフを示し、中段には制御動作及び燃料電池モジュール内の温度を時系列で示し、下段には各時点における燃料電池セルユニットの上端部の状態を示している。   FIG. 14 is a diagram illustrating an operation after shutdown of a conventional solid oxide fuel cell system. The upper part of FIG. 14 shows a graph schematically showing the pressure change on the fuel electrode side and the air electrode side, the middle part shows the control operation and the temperature in the fuel cell module in time series, and the lower part shows the fuel at each time point. The state of the upper end part of the battery cell unit is shown.

まず、図14中段におけるシャットダウン停止の前は、通常の発電運転が行われている。この状態においては、燃料電池モジュール内の温度は700℃程度である。また、図14の下段(1)に示すように、燃料電池セルユニット上端からは、発電に使用されずに残った燃料ガスが噴出しており、この噴出する燃料ガスは上端で燃焼される。次いで、シャットダウン停止により、燃料ガス、改質用の水、発電用の空気の供給が停止されると、噴出する燃料ガスの流量が低下し、図14の下段(2)に示すように、燃料電池セルユニット先端の炎が消失する。   First, a normal power generation operation is performed before the shutdown stop in the middle stage of FIG. In this state, the temperature in the fuel cell module is about 700 ° C. Further, as shown in the lower part (1) of FIG. 14, the fuel gas remaining without being used for power generation is ejected from the upper end of the fuel cell unit, and this ejected fuel gas is combusted at the upper end. Next, when the supply of fuel gas, reforming water, and power generation air is stopped due to shutdown stop, the flow rate of the jetted fuel gas decreases, and as shown in the lower part (2) of FIG. The flame at the tip of the battery cell unit disappears.

図14の下段(3)に示すように、シャットダウン停止後、炎が消失されたあとも、燃料電池セルユニットの内部(燃料極側)の圧力は、外部(空気極側)よりも高いため、燃料電池セルユニットからの燃料ガスの噴出は継続される。また、図14上段に示すように、シャットダウン停止直後において、燃料極側の圧力は空気極側の圧力よりも高く、各圧力は、この関係を維持したまま低下する。燃料極側と空気極側の圧力差は、シャットダウン停止の後、燃料ガスの噴出と共に低下する。燃料電池セルユニットからの燃料ガスの噴出量は、燃料極側と空気極側の圧力差が低下するにつれて減少する(図14の下段(4)(5))。   As shown in the lower part (3) of FIG. 14, the pressure inside the fuel cell unit (fuel electrode side) is higher than the outside (air electrode side) even after the flame has disappeared after the shutdown is stopped. The ejection of fuel gas from the fuel cell unit is continued. Further, as shown in the upper part of FIG. 14, immediately after the shutdown is stopped, the pressure on the fuel electrode side is higher than the pressure on the air electrode side, and each pressure decreases while maintaining this relationship. The pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side decreases with the ejection of the fuel gas after the shutdown stop. The amount of fuel gas ejected from the fuel cell unit decreases as the pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side decreases (lower stage (4) (5) in FIG. 14).

シャットダウン停止後、5乃至6時間程度経過し、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度まで低下する頃には、各燃料電池セルユニットの燃料極側、空気極側ともほぼ大気圧まで低下し、空気極側の空気が燃料極側に拡散し始める(図14の下段(6)(7))。また、酸化抑制温度近傍においては、燃料極の温度が低く、燃料極に空気が触れた場合にも発生する酸化は僅かであり、酸化により発生する悪影響は、実質的に無視することができる。さらに、図14の下段(8)に示すように、燃料極の温度が酸化下限温度よりも低下した後は、各燃料電池セルユニットの燃料極側に空気が充満しても燃料極が雰囲気酸化されることはない。このように、従来の固体酸化物型燃料電池システムにおいて、機械的な構成により、酸化抑制温度以上の燃料極に進入した空気が接触し、燃料極が雰囲気酸化されるのを防止している。   When about 5 to 6 hours have passed after the shutdown, and when the temperature in the fuel cell module decreases to the oxidation suppression temperature, both the fuel electrode side and the air electrode side of each fuel cell unit decrease to almost atmospheric pressure, Air on the air electrode side begins to diffuse toward the fuel electrode side (lower stage (6) and (7) in FIG. 14). In the vicinity of the oxidation suppression temperature, the temperature of the fuel electrode is low, and even when the fuel electrode is in contact with air, little oxidation occurs, and the adverse effects caused by oxidation can be substantially ignored. Furthermore, as shown in the lower part (8) of FIG. 14, after the temperature of the fuel electrode falls below the oxidation lower limit temperature, the fuel electrode is atmospherically oxidized even if the fuel electrode side of each fuel cell unit is filled with air. It will never be done. As described above, in the conventional solid oxide fuel cell system, the mechanical structure prevents the air that has entered the fuel electrode above the oxidation suppression temperature from coming into contact and preventing the fuel electrode from being oxidized in the atmosphere.

しかしながら、燃料極の雰囲気酸化が防止されたとしても、酸化抑制温度未満の温度帯域において、燃料極が電気化学的に酸化されるという現象が、本件発明者により見出された。   However, even if atmospheric oxidation of the fuel electrode is prevented, the present inventors have found a phenomenon that the fuel electrode is electrochemically oxidized in a temperature range below the oxidation suppression temperature.

次に、図15を参照して、燃料極の電気化学的な酸化現象を説明する。
図15は、燃料電池セルユニット16を構成する燃料極,電解質,空気極の活性温度と、シャットダウン制御の関係を模式的に示す説明図である。
本実施形態においては、第1燃料極90dはNi/YSZで形成され、第2燃料極90eはNi/GDCで形成され、電解質層94はLSGMで形成され、空気極92aはLSCFで形成されている。また、第1燃料極90dと第2燃料極90eの間には、Ni/SrZrO3からなる燃料極保護層90fが形成されている。
Next, the electrochemical oxidation phenomenon of the fuel electrode will be described with reference to FIG.
FIG. 15 is an explanatory view schematically showing the relationship between the activation temperature of the fuel electrode, electrolyte, and air electrode constituting the fuel cell unit 16 and the shutdown control.
In the present embodiment, the first fuel electrode 90d is formed of Ni / YSZ, the second fuel electrode 90e is formed of Ni / GDC, the electrolyte layer 94 is formed of LSGM, and the air electrode 92a is formed of LSCF. Yes. A fuel electrode protective layer 90f made of Ni / SrZrO 3 is formed between the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e.

本実施形態における停止工程では、燃料電池モジュール2内の温度が少なくともニッケルの酸化抑制温度Te(約350℃)よりも低い温度に低下するまでは、第1燃料極90d及び第2燃料極90eに含まれているニッケルが雰囲気酸化されるリスクがある。   In the stop process in the present embodiment, the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e are kept until the temperature in the fuel cell module 2 is lowered to a temperature lower than at least the oxidation inhibition temperature Te (about 350 ° C.) of nickel. There is a risk that the nickel contained will be oxidized in the atmosphere.

本実施形態では、第1燃料極90d及び第2燃料極90eの触媒が活性状態となる下限温度である燃料極の活性下限温度Taは、酸化抑制温度Te及び空気冷却が開始される温度よりも低い約290℃である。燃料極は、燃料電池モジュール2の運転温度から活性下限温度Taに低下するまでは、電解質層94から酸素イオンを受け取って、受け取った酸素イオンを燃料(水素)と反応させて、水を生成すると共に、電子を放出することができる。しかしながら、燃料極は、活性下限温度Taよりも温度が低いときは、酸素イオンを受け取っても燃料と反応させて、発電反応を生じさせることはできない。   In the present embodiment, the lower limit temperature Ta of the fuel electrode, which is the lower limit temperature at which the catalyst of the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e is activated, is lower than the oxidation suppression temperature Te and the temperature at which air cooling is started. A low of about 290 ° C. The fuel electrode receives oxygen ions from the electrolyte layer 94 and reacts the received oxygen ions with fuel (hydrogen) until the temperature decreases from the operating temperature of the fuel cell module 2 to the activation lower limit temperature Ta, thereby generating water. At the same time, electrons can be emitted. However, when the temperature of the fuel electrode is lower than the activation lower limit temperature Ta, even if oxygen ions are received, the fuel electrode cannot react with the fuel and cause a power generation reaction.

一方、電解質層94が酸素イオンを空気極から燃料極へ透過可能な活性状態となる電解質の活性下限温度Tbは、燃料極の活性下限温度Taよりも低い約200℃である。電解質層94は、燃料電池モジュール2の運転温度から活性下限温度Tbに低下するまでは、空気極から受け取った酸素イオンを燃料極へ透過可能である。しかしながら、電解質層94は、活性下限温度Tbよりも温度が低くなると、空気極から酸素イオンを受け取っても、燃料極へ酸素イオンを透過させることはできない。
なお、空気極は、電解質層94の活性下限温度Tb以上では、空気中の酸素を酸素イオンに変換可能な活性状態となっている。
On the other hand, the minimum active temperature Tb of the electrolyte in which the electrolyte layer 94 is in an active state in which oxygen ions can permeate from the air electrode to the fuel electrode is about 200 ° C., which is lower than the minimum active temperature Ta of the fuel electrode. The electrolyte layer 94 can transmit oxygen ions received from the air electrode to the fuel electrode until the operating temperature of the fuel cell module 2 decreases to the activation lower limit temperature Tb. However, when the temperature of the electrolyte layer 94 is lower than the lower limit activation temperature Tb, oxygen ions cannot be transmitted to the fuel electrode even if oxygen ions are received from the air electrode.
Note that the air electrode is in an active state in which oxygen in the air can be converted into oxygen ions at the activation lower limit temperature Tb or higher of the electrolyte layer 94.

一般に、より低温での発電を可能にするためには、燃料電池セルの燃料極,電解質層,及び空気極の活性温度は低いことが好ましい。活性温度の低温化は、材料自体の選定だけに留まらず、選定された材料の粒径,層厚み,製造工程パラメータ等をチューニングすることにより達成される。このように各活性温度の低温化が進むと、燃料極,電解質層,空気極の各活性下限温度をニッケルの酸化抑制温度Teよりも低く構成することができる。また、電解質層及び空気極の活性下限温度は、燃料極の活性下限温度よりも低くなる。   In general, in order to enable power generation at a lower temperature, the activation temperatures of the fuel electrode, the electrolyte layer, and the air electrode of the fuel cell are preferably low. The lowering of the activation temperature is achieved not only by selecting the material itself but also by tuning the particle size, layer thickness, manufacturing process parameters, etc. of the selected material. When the activation temperature is lowered as described above, the activation lower limit temperatures of the fuel electrode, the electrolyte layer, and the air electrode can be configured to be lower than the oxidation inhibition temperature Te of nickel. Moreover, the activity minimum temperature of an electrolyte layer and an air electrode becomes lower than the activity minimum temperature of a fuel electrode.

図15は、燃料極の活性下限温度Taと電解質の活性下限温度Tbの関係を示している。これらの活性下限温度Ta,Tbの間の温度帯域(非正常電流発生可能温度帯域)Tcでは、電解質層94は酸素イオンを燃料極へ透過可能な活性状態にあるが、燃料極は触媒活性が失なわれた失活状態にある。
したがって、シャットダウン停止後、燃料電池モジュール2内がこの温度帯域Tcにあるときは、燃料極には電解質層を通して酸素イオンが供給される。
FIG. 15 shows the relationship between the lower limit temperature Ta of the fuel electrode and the lower limit temperature Tb of the electrolyte. In the temperature range (temperature range in which an abnormal current can be generated) Tc between these activation lower limit temperatures Ta and Tb, the electrolyte layer 94 is in an active state capable of transmitting oxygen ions to the fuel electrode, but the fuel electrode has catalytic activity. In a lost state of inactivity.
Therefore, after the shutdown is stopped, when the inside of the fuel cell module 2 is in this temperature band Tc, oxygen ions are supplied to the fuel electrode through the electrolyte layer.

次に、図16(a)を参照して、燃料電池モジュール内の温度が非正常電流発生可能温度帯域を通過する場合の燃料電池セルの挙動について説明する。
温度帯域Tcでは、電解質層94及び空気極92aは活性状態にあり、酸素イオンは空気極92a、電解質層94を通して燃料極へ透過可能であるが、第1燃料極90d及び第2燃料極90eは触媒活性が失活状態にある。したがって燃料極は、供給された酸素イオンを燃料(水素)と反応させる通常の発電反応を生じさせることができない。
Next, with reference to FIG. 16A, the behavior of the fuel cell when the temperature in the fuel cell module passes through the temperature range where the abnormal current can be generated will be described.
In the temperature zone Tc, the electrolyte layer 94 and the air electrode 92a are in an active state, and oxygen ions can permeate to the fuel electrode through the air electrode 92a and the electrolyte layer 94, but the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e The catalytic activity is in a deactivated state. Therefore, the fuel electrode cannot cause a normal power generation reaction that causes the supplied oxygen ions to react with the fuel (hydrogen).

燃料極はニッケルを含んでおり、ニッケルは酸化抑制温度Te(約350℃)以上の高温雰囲気では、空気中の酸素と反応して酸化ニッケルになり易いが、酸化抑制温度Teよりも低い温度帯域Tcでは、ニッケルは空気中の酸素とは反応しにくい状態にある。
しかしながら、温度帯域Tcにおいて、電解質層94を通過した酸素イオンが燃料極に供給されると、燃料極中のニッケルは、電気化学的酸化反応により、酸素イオンと結びついて酸化ニッケルになり得る。この反応が生じると電子が放出される。したがって、上記の電気化学的酸化反応が起こると、通常の発電反応とは異なるメカニズムで電荷が生じる。
なお、燃料極が活性状態にある場合は、酸素イオンが燃料と結びつく通常の発電反応のみが起こり、酸素イオンがニッケルと結びつく非正常な反応は実質的に起きないと考えられる。
The fuel electrode contains nickel, and nickel reacts with oxygen in the air and tends to be nickel oxide in a high temperature atmosphere higher than the oxidation suppression temperature Te (about 350 ° C.), but the temperature range is lower than the oxidation suppression temperature Te. At Tc, nickel is in a state where it is difficult to react with oxygen in the air.
However, when oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 94 are supplied to the fuel electrode in the temperature zone Tc, nickel in the fuel electrode can be combined with oxygen ions to become nickel oxide by an electrochemical oxidation reaction. When this reaction occurs, electrons are emitted. Therefore, when the above electrochemical oxidation reaction occurs, a charge is generated by a mechanism different from that of a normal power generation reaction.
When the fuel electrode is in an active state, it is considered that only a normal power generation reaction in which oxygen ions are combined with fuel occurs, and an abnormal reaction in which oxygen ions are combined with nickel does not occur substantially.

一方、シャットダウン停止後においては、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しは停止されているため、電気化学的酸化反応により電荷が発生したとしても実質的に電流が流れることはないと考えられていた。しかしながら、本件発明者は、電力の取り出しが停止され、燃料極と空気極の間が電気的に非導通状態(開回路)とされていたとしても、局部的に微弱な電流が流れ得ることを見出した。   On the other hand, after the shutdown is stopped, the extraction of electric power from the fuel cell module 2 is stopped, so that it is considered that no current flows even if charges are generated by the electrochemical oxidation reaction. . However, the present inventor has found that even if the extraction of electric power is stopped and the fuel electrode and the air electrode are electrically non-conductive (open circuit), a weak current can flow locally. I found it.

即ち、電気化学的酸化反応は、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差に基づいて発生する。従って、燃料極側に多くの水素が残存している状態では、燃料極側の酸素分圧が低く、空気極側との酸素分圧の差が大きくなるため、電解質層94を通して酸素イオンが流れやすくなる。ここで、図14により説明したように、シャットダウン停止後時間が経過すると、空気極側から燃料極側へ少しずつ空気が拡散し始めるので、燃料電池セルユニット16の上端部付近では残存する水素の濃度が低下する。即ち、図16(b)に示すように、1本の燃料電池セルユニット16の中で、その上端部付近では燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が小さく、下端部付近では酸素分圧の差が大きい状態となる。   That is, the electrochemical oxidation reaction occurs based on the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side. Therefore, in the state where a large amount of hydrogen remains on the fuel electrode side, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side is low, and the difference in oxygen partial pressure with respect to the air electrode side is large, so that oxygen ions flow through the electrolyte layer 94. It becomes easy. Here, as described with reference to FIG. 14, when the time after the shutdown stops, the air gradually diffuses from the air electrode side to the fuel electrode side, so that the remaining hydrogen in the vicinity of the upper end of the fuel cell unit 16 is increased. The concentration decreases. That is, as shown in FIG. 16B, in one fuel cell unit 16, the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side is small in the vicinity of the upper end portion, and oxygen in the vicinity of the lower end portion. The difference in partial pressure is large.

このように、燃料電池セルユニット16の下端部付近では多くの電気化学的酸化反応が発生することにより多量の電荷が生成され、上端部付近では相対的に生成される電荷が少なくなる。この結果、1本の燃料電池セルユニット16の燃料極の中で電位差が生まれ、局部的な電荷の移動(微弱な電流)が発生する。このような局部電池現象による微弱な電流が流れると、ニッケルの電気化学的酸化反応が更に進行する。特に、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が大きい各燃料電池セルユニット16の下端部付近に酸素イオンの流れが集中し、この部分で多くの電気化学的酸化反応が発生する。   Thus, a large amount of charge is generated by the occurrence of many electrochemical oxidation reactions near the lower end of the fuel cell unit 16, and relatively less charge is generated near the upper end. As a result, a potential difference is generated in the fuel electrode of one fuel cell unit 16, and local charge movement (weak current) occurs. When a weak current due to such a local battery phenomenon flows, the electrochemical oxidation reaction of nickel further proceeds. In particular, the flow of oxygen ions concentrates near the lower end of each fuel cell unit 16 where the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side is large, and many electrochemical oxidation reactions occur in this portion.

電気化学的酸化反応により生成された酸化ニッケルは、発電運転中において燃料極側に供給される燃料(水素)により還元を受ける。このように、燃料極に含有されたニッケルが、停止及び起動とその後の運転により、電気化学的酸化・還元反応を生じると、燃料極は微構造及び体積に変化を生じる。
さらに、燃料電池モジュールの停止・起動が高頻度で繰り返されることに加え、停止及び起動工程において、特に長時間を要する停止工程において、ニッケルの電気化学的酸化反応が比較的長い時間起こる。
Nickel oxide generated by the electrochemical oxidation reaction is reduced by the fuel (hydrogen) supplied to the fuel electrode during the power generation operation. As described above, when the nickel contained in the fuel electrode undergoes an electrochemical oxidation / reduction reaction by stopping and starting and subsequent operation, the fuel electrode changes in the microstructure and volume.
Furthermore, in addition to the frequent stopping and starting of the fuel cell module, the electrochemical oxidation reaction of nickel occurs for a relatively long time in the stopping and starting process, particularly in the stopping process that requires a long time.

このように、燃料極の微構造及び体積の変化が生じると、電解質層に引張り応力がかかる。そして、長期的な使用により停止・起動が多数回繰り返され、電気化学的酸化・還元反応を受けるニッケルの累積量が増えていくと、局部電池現象による酸素イオンの流れが集中する各燃料電池セルユニット16の下端部付近において、最終的に電解質層に微小なクラックが生じる。
このように、本発明者は、温度帯域Tcにおいて、燃料極が含有する特定の物質であるニッケルが電気化学的な酸化を受ける状態にあり、電気化学的に酸化し、その後の運転時に還元を受けると、燃料極の微構造及び体積に変化を生じ、電解質層に引張り応力を与え、最終的に電解質層に微小なクラックが生じて燃料電池セルを損傷させることを発見した。
Thus, when a change in the microstructure and volume of the fuel electrode occurs, tensile stress is applied to the electrolyte layer. Each fuel cell where the flow of oxygen ions due to local battery phenomenon concentrates as the cumulative amount of nickel that undergoes electrochemical oxidation / reduction reactions increases many times due to long-term use. In the vicinity of the lower end of the unit 16, a minute crack is finally generated in the electrolyte layer.
Thus, the present inventors are in a state where nickel, which is a specific substance contained in the fuel electrode, is subjected to electrochemical oxidation in the temperature zone Tc, and is electrochemically oxidized and reduced during the subsequent operation. Upon receipt, it was discovered that the microstructure and volume of the fuel electrode changed, gave tensile stress to the electrolyte layer, and finally caused minute cracks in the electrolyte layer to damage the fuel cell.

次に、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム1におけるシャットダウン停止を説明する。このシャットダウン停止は、上記の雰囲気酸化及び電気化学的酸化による燃料電池セルの劣化を十分に抑制するように構成されている。
図8は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム1において、シャットダウン停止が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図9は、図8のシャットダウン停止直後の状態を拡大して示すタイムチャートである。図10はシャットダウン停止が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルユニットの先端部の状態を時系列で説明するための図である。
Next, the shutdown stop in the solid oxide fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described. This shutdown stop is configured to sufficiently suppress the deterioration of the fuel cell due to the above atmospheric oxidation and electrochemical oxidation.
FIG. 8 is a time chart schematically showing an example of the stop behavior when the shutdown stop is executed in the solid oxide fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention. FIG. 9 is an enlarged time chart showing a state immediately after the shutdown stop in FIG. FIG. 10 is a diagram for explaining the control, the temperature and pressure in the fuel cell module, and the state of the tip of the fuel cell unit in the time series when the shutdown stop is executed.

図9に示すタイムチャートの例では、時刻t301において、使用者により停止スイッチが操作され、停止前制御が開始されている。停止前制御においては、まず、燃料電池モジュール2による外部への出力が停止される。これにより、図9に細い一点鎖線で示すように、燃料電池モジュール2から取り出される電流、電力が急速に低下する。なお、停止前制御においては、燃料電池モジュール2から外部への電流出力は停止されるが、固体酸化物型燃料電池システム1の補機ユニット4を作動させるための一定の微弱な電流(1A程度)の取り出しは、所定期間に亘って継続される。このため、時刻t301において発電電流が大幅に低下した後も、停止前制御中においては燃料電池モジュール2から微弱な電流が取り出される。また、図9に破線で示すように、燃料電池モジュール2の出力電圧は、取り出される電流の低下と共に上昇する。このように、停止前制御中において、電力の取り出し量を制限し、微弱な電流を取り出しながら所定電力の発電を継続することにより、供給された燃料の一部が発電に使用されるため、発電に使用されずに残る余剰燃料の著しい増加が回避され、燃料電池モジュール2内の温度が低下される。   In the example of the time chart shown in FIG. 9, at time t301, the stop switch is operated by the user, and the pre-stop control is started. In the pre-stop control, first, output to the outside by the fuel cell module 2 is stopped. As a result, as indicated by a thin one-dot chain line in FIG. 9, the current and power extracted from the fuel cell module 2 rapidly decrease. In the pre-stop control, the current output from the fuel cell module 2 to the outside is stopped, but a certain weak current (about 1 A) for operating the auxiliary unit 4 of the solid oxide fuel cell system 1 is stopped. ) Is continued for a predetermined period. For this reason, a weak current is taken out from the fuel cell module 2 during the pre-stop control even after the generated current significantly decreases at time t301. Further, as indicated by a broken line in FIG. 9, the output voltage of the fuel cell module 2 increases with a decrease in the extracted current. In this way, during the pre-stop control, by limiting the amount of power to be extracted and continuing the power generation with a predetermined power while extracting a weak current, a part of the supplied fuel is used for power generation. Thus, a significant increase in surplus fuel that remains unused is avoided, and the temperature in the fuel cell module 2 is lowered.

さらに、停止前制御においては、時刻t301の後、図9に点線で示す燃料供給量、及び細い実線で示す改質用の水の供給量が直線的に低下される。一方、太い一点鎖線で示す発電用の空気供給量は直線的に増加される。従って、停止前制御中においては、燃料電池モジュール2から取り出される電力に対応した量よりも多くの空気が供給される。このように、空気供給量を増加させることにより、改質器20から熱を奪い、燃料電池モジュール2内の温度上昇を抑制している。続いて、図9に示す例では、時刻t301から約20秒後の時刻t302において、燃料供給量及び水供給量が、燃料電池モジュール2から取り出されている微弱な電流に対応した供給量まで低下され、その後、低下された供給量が維持される。このように、停止前制御として、燃料供給量及び水供給量を低下させておくことにより、燃料供給の完全停止時に大流量の燃料が急激に停止されることによる燃料電池モジュール2内の気流の乱れや、燃料供給の完全停止後における大量の燃料の改質器20、マニホールド66内への残留を防止している。なお、時刻t301の後、燃料供給量を減少させ、空気供給量を増加させることにより、図9に太い実線で示す燃料電池モジュール2内の空気極側の空気の温度は低下される。しかしながら、燃料電池モジュール2を取り囲む断熱材7等には依然として大量の熱量が蓄積されている。また、停止前制御中においては、外部への電流出力は停止されているものの、燃料及び水の供給が継続されているため、発電用の空気の供給を継続しても、各燃料電池セルユニット16内部の燃料極側へ空気が進入することはない。従って、安全に空気の供給を継続することができる。   Further, in the pre-stop control, after time t301, the fuel supply amount indicated by the dotted line in FIG. 9 and the supply amount of reforming water indicated by the thin solid line are linearly reduced. On the other hand, the air supply amount for power generation indicated by a thick dashed line is increased linearly. Therefore, during the pre-stop control, more air is supplied than the amount corresponding to the electric power extracted from the fuel cell module 2. In this way, by increasing the air supply amount, heat is taken from the reformer 20 and the temperature rise in the fuel cell module 2 is suppressed. Subsequently, in the example shown in FIG. 9, at time t302 about 20 seconds after time t301, the fuel supply amount and the water supply amount are reduced to the supply amount corresponding to the weak current extracted from the fuel cell module 2. And then the reduced supply is maintained. As described above, as the pre-stop control, by reducing the fuel supply amount and the water supply amount, the air flow in the fuel cell module 2 caused by the rapid stop of the large flow rate of fuel when the fuel supply is completely stopped. It prevents turbulence and a large amount of fuel remaining in the reformer 20 and the manifold 66 after the fuel supply is completely stopped. Note that, after the time t301, the temperature of air on the air electrode side in the fuel cell module 2 indicated by a thick solid line in FIG. 9 is lowered by decreasing the fuel supply amount and increasing the air supply amount. However, a large amount of heat is still accumulated in the heat insulating material 7 and the like surrounding the fuel cell module 2. In addition, during the pre-stop control, the output of current to the outside is stopped, but the fuel and water supply continues. Therefore, even if the supply of air for power generation is continued, each fuel cell unit No air enters the fuel electrode 16 inside. Therefore, the supply of air can be continued safely.

図9に示す例では、停止前制御が開始された時刻t301から約2分後の時刻t303において、燃料供給量及び改質用の水供給量がゼロにされ、燃料電池モジュール2からの取り出し電流もゼロにされ、シャットダウン停止されている。   In the example shown in FIG. 9, the fuel supply amount and the reforming water supply amount are made zero at time t303, approximately two minutes after the time t301 when the pre-stop control is started, and the current taken out from the fuel cell module 2 It is also zeroed and shutdown is stopped.

また、図9に示す例では、時刻t303におけるシャットダウン停止後も、温度降下制御として、発電用空気の供給(ただし、発電は完全に停止されている)が継続されている。これにより、燃料電池モジュール2内(燃料電池セルスタック14の空気極側)の空気、残余燃料の燃焼ガス、及びシャットダウン停止後に燃料電池セルスタック14の燃料極側から流出した燃料が排出されるので、温度降下制御は排気工程として機能する。   In the example shown in FIG. 9, the supply of power generation air (however, the power generation is completely stopped) is continued as the temperature drop control even after the shutdown stop at time t303. As a result, the air in the fuel cell module 2 (air electrode side of the fuel cell stack 14), the remaining fuel combustion gas, and the fuel flowing out from the fuel electrode side of the fuel cell stack 14 after shutdown is discharged. The temperature drop control functions as an exhaust process.

本実施形態においては、時刻t303において燃料供給が完全に停止された後、時刻t304までの所定期間、大量の発電用空気の供給が継続されている。また、本実施形態においては、発電用の空気供給量は、停止前制御中に最大の空気供給量である80L/minまで増加され、その後もこの空気供給量が維持される。なお、温度降下制御が実施される期間においては、燃料電池セルスタック14の燃料極側や改質器20内に燃料が残存しており、燃料極側(各燃料電池セルユニット16の内部)は依然として圧力が十分に高い状態にある。従って、温度降下制御が実施される所定期間においては、燃料供給が停止された状態で発電用の空気を供給しても、燃料極側に空気が進入することはない。   In the present embodiment, after the fuel supply is completely stopped at time t303, a large amount of power generation air is continuously supplied for a predetermined period until time t304. In the present embodiment, the air supply amount for power generation is increased to 80 L / min, which is the maximum air supply amount during the pre-stop control, and this air supply amount is maintained thereafter. During the period in which the temperature drop control is performed, fuel remains in the fuel electrode side of the fuel cell stack 14 and the reformer 20, and the fuel electrode side (inside each fuel cell unit 16) The pressure is still high enough. Therefore, in the predetermined period in which the temperature drop control is performed, even if the power generation air is supplied in a state where the fuel supply is stopped, the air does not enter the fuel electrode side.

図8に示すように、時刻t304において発電用空気の供給が停止された後、所定の放置期間中は自然放置される。発電用空気の供給停止後、燃料電池モジュール2内の温度が約550℃まで低下した時刻t305において、シャットダウン停止回路110aは残留水素排出制御を開始させる。
本実施形態においては、残留水素排出制御として、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45が間欠的に複数回作動される。即ち、残留水素排出制御では、燃料電池モジュール2内が所定温度まで低下するごとに、小流量の発電用空気が短時間供給される(ただし、発電は完全に停止されている)。本実施形態においては、燃料電池モジュール2内の温度が約550℃まで低下した時刻t305、約500℃まで低下した時刻t306、約450℃まで低下した時刻t307、及び約350℃まで低下した時刻t308に、発電用空気が短時間供給される。
As shown in FIG. 8, after the supply of power generation air is stopped at time t304, it is left undisturbed for a predetermined leaving period. After the supply of power generation air is stopped, the shutdown stop circuit 110a starts the residual hydrogen discharge control at time t305 when the temperature in the fuel cell module 2 decreases to about 550 ° C.
In the present embodiment, as the residual hydrogen discharge control, the power generation air flow rate adjustment unit 45 that is a power generation oxidant gas supply device is intermittently operated a plurality of times. That is, in the residual hydrogen discharge control, every time the inside of the fuel cell module 2 is lowered to a predetermined temperature, a small flow of power generation air is supplied for a short time (however, power generation is completely stopped). In the present embodiment, the time t305 when the temperature in the fuel cell module 2 decreases to about 550 ° C., the time t306 when it decreases to about 500 ° C., the time t307 when it decreases to about 450 ° C., and the time t308 when it decreases to about 350 ° C. In addition, power generation air is supplied for a short time.

発電用空気流量調整ユニット45が作動されることにより、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルスタック14の空気極側に空気が供給される。燃料電池モジュール2内に供給された空気は、内部に収容された燃料電池セルスタック14(各燃料電池セルユニット16)を冷却する。また、空気が供給されることにより、燃料電池モジュール2内に滞留していた空気及び燃料電池セルスタック14の燃料極側から流出した燃料が、空気用熱交換器22を通って燃料電池モジュール2の外部に排出される。なお、本実施形態においては、発電用空気流量調整ユニット45の1回の作動により燃料電池モジュール2内に導入される空気の体積は、燃料電池モジュール2の内容積よりも少ない。このため、発電用空気流量調整ユニット45の1回の作動により燃料電池モジュール2内に滞留していた気体(空気及び流出した燃料)が全て排出されることはない。   By operating the power generation air flow rate adjustment unit 45, air is supplied to the air electrode side of the fuel cell stack 14 in the fuel cell module 2. The air supplied into the fuel cell module 2 cools the fuel cell stack 14 (each fuel cell unit 16) accommodated therein. In addition, when air is supplied, the air remaining in the fuel cell module 2 and the fuel flowing out from the fuel electrode side of the fuel cell stack 14 pass through the air heat exchanger 22 and the fuel cell module 2. Is discharged outside. In the present embodiment, the volume of air introduced into the fuel cell module 2 by one operation of the power generation air flow rate adjustment unit 45 is smaller than the internal volume of the fuel cell module 2. For this reason, the gas (air and outflowed fuel) staying in the fuel cell module 2 is not completely discharged by one operation of the power generation air flow rate adjusting unit 45.

図10は、残留水素排出制御における発電用空気の供給態様を模式的に示す図である。
図10に示すように、残留水素排出制御による発電用空気流量調整ユニット45の各回の作動においては、空気の流量が約10秒間かけて漸増され、流量が20L/minに到達した時点でこの流量が約1秒間保持され、その後、発電用空気流量調整ユニット45が停止される。このように、残留水素排出制御において、発電用空気流量調整ユニット45は、予め定められた時間作動される。
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a supply mode of power generation air in the residual hydrogen discharge control.
As shown in FIG. 10, in each operation of the power generation air flow rate adjustment unit 45 by residual hydrogen discharge control, the air flow rate is gradually increased over about 10 seconds, and this flow rate is reached when the flow rate reaches 20 L / min. Is maintained for about 1 second, and then the power generation air flow rate adjustment unit 45 is stopped. Thus, in the residual hydrogen discharge control, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is operated for a predetermined time.

ここで、各燃料電池セルユニット16の上端部には燃料ガス流路細管98が設けられており、この燃料ガス流路細管98の流路抵抗は、燃料電池モジュール2の内部から空気用熱交換器22を介して外気へ至る流路の流路抵抗よりも大きく構成されている。このため、燃料供給が停止された状態で燃料電池モジュール2内に空気が導入された場合でも、燃料電池セルスタック14の空気極側から燃料極側(各燃料電池セルユニット16の内部)へ進入する空気は僅かであり、大部分の空気は燃料電池モジュール2外に排出される。加えて、図10に示すように、燃料電池モジュール2内に導入する空気の流量を漸増させると共に、短時間で空気の導入を停止させるため、燃料極側へ進入する空気の量は、無視できる程度に抑制されている。   Here, a fuel gas channel narrow tube 98 is provided at the upper end of each fuel cell unit 16, and the channel resistance of the fuel gas channel narrow tube 98 is the heat exchange for air from the inside of the fuel cell module 2. The flow path resistance of the flow path leading to the outside air via the vessel 22 is configured to be larger. For this reason, even when air is introduced into the fuel cell module 2 in a state where the fuel supply is stopped, the fuel cell stack 14 enters the fuel electrode side (inside each fuel cell unit 16) from the air electrode side. The amount of air to be discharged is small, and most of the air is discharged out of the fuel cell module 2. In addition, as shown in FIG. 10, since the flow rate of air introduced into the fuel cell module 2 is gradually increased and the introduction of air is stopped in a short time, the amount of air entering the fuel electrode side can be ignored. It is suppressed to the extent.

また、制御部110は電圧監視回路110b(図6)を備えており、電圧監視回路110bは、シャットダウン停止後において、電力状態検出センサ126(図6)により検出された燃料電池モジュール2からの開回路出力電圧を監視している。即ち、燃料電池セルユニット16の空気極側から燃料極側への空気の過剰な進入が発生すると、空気極側と燃料極側の酸素分圧の差が急激に低下するため、開回路出力電圧が低下する。このため、開回路出力電圧を監視することにより、空気の進入を検知することができる。開回路出力電圧が過剰に低下して、所定の電圧以下になった場合、電圧監視回路110bは、シャットダウン停止回路110aによる残留水素排出制御を中止し、空気の供給を停止させる。これにより、燃料極側への過剰な空気の進入が発生した場合には即座に空気の供給が停止されるので、燃料極の雰囲気酸化を防止することができる。   Further, the control unit 110 includes a voltage monitoring circuit 110b (FIG. 6). The voltage monitoring circuit 110b is opened from the fuel cell module 2 detected by the power state detection sensor 126 (FIG. 6) after the shutdown is stopped. The circuit output voltage is monitored. That is, when excessive entry of air from the air electrode side to the fuel electrode side of the fuel cell unit 16 occurs, the difference in oxygen partial pressure between the air electrode side and the fuel electrode side rapidly decreases, so that the open circuit output voltage Decreases. For this reason, air intrusion can be detected by monitoring the open circuit output voltage. When the open circuit output voltage decreases excessively and falls below a predetermined voltage, the voltage monitoring circuit 110b stops the residual hydrogen discharge control by the shutdown stop circuit 110a and stops the supply of air. As a result, when excessive air enters the fuel electrode side, the supply of air is immediately stopped, so that atmospheric oxidation of the fuel electrode can be prevented.

さらに、本実施形態においては、残留水素排出制御による発電用空気流量調整ユニット45の作動は、燃料電池モジュール2内の温度が、約550℃、約500℃、約450℃、約350℃まで低下したとき夫々実行される。このように、発電用空気流量調整ユニット45の間欠的な作動は、燃料電池モジュール2内の温度が低下するほど低頻度で実行される。   Further, in the present embodiment, the operation of the power generation air flow rate adjustment unit 45 by the residual hydrogen discharge control causes the temperature in the fuel cell module 2 to drop to about 550 ° C., about 500 ° C., about 450 ° C., about 350 ° C. Each time it is executed. As described above, the intermittent operation of the power generation air flow rate adjustment unit 45 is performed with a lower frequency as the temperature in the fuel cell module 2 decreases.

次に、燃料電池モジュール2内の温度が約300℃まで低下した時刻t309において、シャットダウン停止回路110aは冷却運転制御を開始させる。冷却運転制御においては、発電用空気流量調整ユニット45が大流量で連続的に作動される。即ち、本実施形態において、燃料電池セルユニット16は、温度が約300℃まで低下していれば、燃料極側への空気の進入が発生しても、燃料極が酸化されるリスクはない。このため、温度が約300℃まで低下した時点で燃料電池モジュール2内に大量の空気を送り込むことにより、燃料電池セルスタック14を急速に冷却する。燃料電池セルスタック14を冷却することにより、各燃料電池セルユニット16の電解質層94の温度が低下される。電解質層94が失活性状態となるまで冷却されると、酸素イオンは電解質層94を透過しなくなり、燃料極の電気化学的酸化のリスクがなくなる。加えて、燃料電池セルユニット16の空気極側に連続的に大流量で空気を送り込むことにより、燃料極側への空気の進入が発生する。これにより、空気極側と燃料極側の酸素分圧がほぼ等しくなるため、燃料極の電気化学的酸化のリスクは大幅に低下される。なお、本実施形態では、冷却運転制御において、空気が燃料電池モジュール2内に70L/minの流量で導入される。   Next, at time t309 when the temperature in the fuel cell module 2 is reduced to about 300 ° C., the shutdown stop circuit 110a starts the cooling operation control. In the cooling operation control, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is continuously operated at a large flow rate. That is, in the present embodiment, if the temperature of the fuel cell unit 16 is reduced to about 300 ° C., there is no risk that the fuel electrode is oxidized even if air enters the fuel electrode side. For this reason, the fuel cell stack 14 is rapidly cooled by sending a large amount of air into the fuel cell module 2 when the temperature drops to about 300 ° C. By cooling the fuel cell stack 14, the temperature of the electrolyte layer 94 of each fuel cell unit 16 is lowered. When the electrolyte layer 94 is cooled to a deactivated state, oxygen ions do not permeate the electrolyte layer 94 and the risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode is eliminated. In addition, when air is continuously fed to the air electrode side of the fuel cell unit 16 at a large flow rate, air enters the fuel electrode side. As a result, the oxygen partial pressures on the air electrode side and the fuel electrode side become substantially equal, so the risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode is greatly reduced. In the present embodiment, air is introduced into the fuel cell module 2 at a flow rate of 70 L / min in the cooling operation control.

さらに、燃料電池モジュール2内の温度が約150℃まで低下した時刻t310において、シャットダウン停止回路110aは改質用空気流量調整ユニット44を作動させる。改質用空気流量調整ユニット44が作動されることにより、改質器20、マニホールド66を介して、燃料電池セルスタック14の燃料極側(各燃料電池セルユニット16の内側)に空気が直接供給される。また、発電用空気流量調整ユニット45による空気の供給もそのまま継続される。改質用空気流量調整ユニット44を作動させ、燃料極側に空気を直接供給することにより、改質器20、マニホールド66、各燃料電池セルユニット16の内側等に残留している燃料、水蒸気等が排出される。これにより、空気極側と燃料極側の酸素分圧は完全に等しくなるため、燃料極の電気化学的酸化のリスクは実質的にゼロとなる。なお、改質用空気流量調整ユニット44による燃料極側への空気の供給は、燃料電池モジュール2内の温度約300℃から開始しても良い。   Further, at time t310 when the temperature in the fuel cell module 2 is lowered to about 150 ° C., the shutdown stop circuit 110a operates the reforming air flow rate adjustment unit 44. By operating the reforming air flow rate adjusting unit 44, air is directly supplied to the fuel electrode side (inside each fuel cell unit 16) of the fuel cell stack 14 via the reformer 20 and the manifold 66. Is done. Further, the supply of air by the power generation air flow rate adjustment unit 45 is continued as it is. By operating the reforming air flow rate adjustment unit 44 and supplying air directly to the fuel electrode side, the fuel, water vapor, etc. remaining inside the reformer 20, the manifold 66, each fuel cell unit 16, etc. Is discharged. As a result, the oxygen partial pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are completely equal, so that the risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode is substantially zero. The supply of air to the fuel electrode side by the reforming air flow rate adjustment unit 44 may start at a temperature of about 300 ° C. in the fuel cell module 2.

図11は停止工程の動作を説明する図であり、上段には燃料極側及び空気極側の圧力変化を模式的に表すグラフを示し、中段には制御部110による制御動作及び燃料電池モジュール2内の温度を時系列で示し、下段には各時点における燃料電池セルユニット16の上端部の状態を示している。   FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the stopping process, and the upper stage shows a graph schematically showing the pressure change on the fuel electrode side and the air electrode side, and the middle stage shows the control operation by the control unit 110 and the fuel cell module 2. The temperature inside is shown in time series, and the lower part shows the state of the upper end portion of the fuel cell unit 16 at each time point.

まず、図11中段における停止スイッチ操作前は、発電運転が行われており、停止スイッチ操作後は、停止前制御が実行される。停止前制御においては、燃料ガスの供給量が低下されるので、図11の下段(1)のように、発電運転中には大きかった各燃料電池セルユニット16上端の炎が、下段(2)に示すように小さくなる。このように、燃料ガスの供給量及び発電量が低下されるため、燃料電池モジュール2内の温度は、発電運転中よりも低下される。約2分間の停止前制御の後、シャットダウン停止が行われる(燃料供給の停止及び発電の停止)。シャットダウン停止の後、温度降下制御として、発電用空気流量調整ユニット45により発電用の空気が2分間供給される。温度降下制御の後、発電用空気流量調整ユニット45が停止され、その後所定の放置期間、自然放置される。   First, the power generation operation is performed before the stop switch operation in the middle stage of FIG. 11, and the pre-stop control is executed after the stop switch operation. In the pre-stop control, the supply amount of the fuel gas is reduced, so that the flame at the upper end of each fuel cell unit 16 that was large during the power generation operation, as shown in the lower part (1) of FIG. It becomes small as shown in. Thus, since the supply amount of fuel gas and the power generation amount are reduced, the temperature in the fuel cell module 2 is lowered than during the power generation operation. After the pre-stop control for about 2 minutes, shutdown stop is performed (fuel supply stop and power generation stop). After the shutdown is stopped, power generation air is supplied for 2 minutes by the power generation air flow rate adjustment unit 45 as temperature drop control. After the temperature drop control, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is stopped and then left naturally for a predetermined leaving period.

上述したように、シャットダウン停止の時点においては、各燃料電池セルユニット16の燃料極側の圧力は空気極側の圧力よりも高いため、燃料供給が停止された後も、燃料極側の燃料ガスが各燃料電池セルユニット16の上端から噴出する。なお、燃料ガスが燃焼される炎は、シャットダウン停止時に消失する。シャットダウン停止後において、各燃料電池セルユニット16の上端から噴出する燃料ガスは、シャットダウン停止直後が最も多く、その後次第に減少する。このシャットダウン停止直後に噴出される大量の燃料ガスは、温度降下制御により供給される発電用の空気によって、燃料電池モジュール2の外へ排出される。また、温度降下制御終了後にも、燃料ガスは各燃料電池セルユニット16の上端から噴出されるが、その燃料ガスの量は比較的少なくなっている。   As described above, since the pressure on the fuel electrode side of each fuel cell unit 16 is higher than the pressure on the air electrode side at the time of shutdown stop, the fuel gas on the fuel electrode side after the fuel supply is stopped. Is ejected from the upper end of each fuel cell unit 16. The flame in which the fuel gas is burned disappears when the shutdown is stopped. After the shutdown is stopped, the fuel gas ejected from the upper end of each fuel cell unit 16 is the largest immediately after the shutdown is stopped, and then gradually decreases. A large amount of fuel gas ejected immediately after the shutdown is stopped is discharged out of the fuel cell module 2 by power generation air supplied by temperature drop control. Even after the temperature drop control is finished, the fuel gas is ejected from the upper end of each fuel cell unit 16, but the amount of the fuel gas is relatively small.

このため、温度降下制御終了後に噴出された燃料ガスである水素は、燃料電池モジュール2内の上部(燃料電池セルスタック14よりも上方)に滞留するが、噴出された燃料ガスは、各燃料電池セルユニット16の空気極には、実質的に接触しない。従って、燃料ガスが高温の空気極に接触することにより還元され、空気極が劣化されることはない。また、シャットダウン停止前の停止前制御においては、所定範囲の分量の適量の水が供給され、この水の一部が蒸発部20a内に残留している。このため、シャットダウン停止後において、蒸発部20a内で水が蒸発されることにより、各燃料電池セルユニット16の燃料極側の圧力が高められる。   For this reason, hydrogen, which is the fuel gas ejected after the end of the temperature drop control, stays in the upper part of the fuel cell module 2 (above the fuel cell stack 14), but the ejected fuel gas remains in each fuel cell. The air electrode of the cell unit 16 does not substantially contact. Therefore, the fuel gas is reduced by contacting the hot air electrode, and the air electrode is not deteriorated. In the pre-stop control before the shutdown stop, an appropriate amount of water in a predetermined range is supplied, and a part of this water remains in the evaporation unit 20a. For this reason, after the shutdown is stopped, the pressure on the fuel electrode side of each fuel cell unit 16 is increased by evaporating water in the evaporation section 20a.

次いで、温度降下制御終了後、燃料電池モジュール2内の温度が約550℃に低下するまでは、放置期間として燃料電池モジュール2は自然放置される。燃料電池モジュール2内の温度が約550℃に低下すると、残留水素排出制御が開始され、発電用空気流量調整ユニット45が間欠的に複数回作動される。   Next, after the temperature drop control is completed, the fuel cell module 2 is left as a standing period until the temperature in the fuel cell module 2 drops to about 550 ° C. When the temperature in the fuel cell module 2 drops to about 550 ° C., residual hydrogen discharge control is started, and the power generation air flow rate adjustment unit 45 is intermittently operated a plurality of times.

ここで、温度降下制御終了直後においては、燃料電池セルスタック14の温度が高いため、空気極側から燃料極側への空気の進入が発生すると、燃料極が雰囲気酸化されるリスクが極めて高い。この状態から、放置期間を経て、燃料電池セルスタック14の温度は次第に低下するため、進入した空気が燃料極に接触し、燃料極が雰囲気酸化されるリスクは少しずつ低下する。一方、温度降下制御終了直後においては、燃料電池セルスタック14の温度が高いため、各燃料電池セルユニット16の電解質層94及び燃料極は何れも活性状態にある。従って、電解質層94を透過した酸素イオンは、燃料極において残留している水素と反応することができ、電気化学的酸化反応が発生することはない。この状態から、燃料電池セルスタック14の温度が低下すると、温度低下に伴って燃料極の活性が少しずつ低下し始める。従って、電解質層94を透過した酸素イオンは、温度低下と共に燃料極において水素と反応しにくくなり、燃料極において電気化学的酸化反応が発生するリスクが少しずつ高くなる。   Here, immediately after the end of the temperature drop control, the temperature of the fuel cell stack 14 is high. Therefore, when air enters from the air electrode side to the fuel electrode side, the risk that the fuel electrode is oxidized in the atmosphere is extremely high. From this state, the temperature of the fuel cell stack 14 gradually decreases after a standing period, so that the risk that the entering air contacts the fuel electrode and the fuel electrode is oxidized in the atmosphere gradually decreases. On the other hand, immediately after the end of the temperature drop control, the temperature of the fuel cell stack 14 is high, and therefore the electrolyte layer 94 and the fuel electrode of each fuel cell unit 16 are in an active state. Therefore, oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 94 can react with hydrogen remaining in the fuel electrode, and no electrochemical oxidation reaction occurs. When the temperature of the fuel cell stack 14 is lowered from this state, the activity of the fuel electrode starts to gradually decrease with the temperature drop. Therefore, oxygen ions that have passed through the electrolyte layer 94 are less likely to react with hydrogen at the fuel electrode as the temperature decreases, and the risk of an electrochemical oxidation reaction occurring at the fuel electrode is gradually increased.

このように、燃料極が雰囲気酸化されるリスクは燃料電池セルスタック14の温度低下と共に減少する一方、燃料極が電気化学的に酸化されるリスクは温度低下と共に増大する。
なお、図15を参照して説明したように、燃料極が雰囲気酸化されやすい温度帯域は酸化抑制温度以上である約350℃以上の温度帯域であり、燃料極が電気化学的に酸化されやすい温度帯域は非正常電流発生可能温度帯域Tc(約200〜290℃)である。しかしながら、燃料極の活性下限温度Taである約290℃以上の温度帯域においても、燃料極の活性は温度低下と共に低下しているため、燃料極の電気化学的は発生し得る。同様に、酸化抑制温度である約350℃未満の温度帯域においても燃料極の雰囲気酸化は発生し得る。また、燃料電池セルスタック14を構成する各燃料電池セルユニット16の温度は、完全に均一ではないため、例えば、発電室温度センサ142によって検出された温度が350℃未満であっても、一部の燃料電池セルユニット16の温度が350℃を超えている場合がある。従って、実際には、燃料極の雰囲気酸化が発生し得る温度帯域と、電気化学的酸化が発生し得る温度帯域は、一部が重畳している。本実施形態においては、このように一部が重畳している雰囲気酸化のリスク及び電気化学的酸化のリスクを、残留水素排出制御によって抑制している。
Thus, the risk that the fuel electrode is oxidized in the atmosphere decreases as the temperature of the fuel cell stack 14 decreases, while the risk that the fuel electrode is electrochemically oxidized increases as the temperature decreases.
As described with reference to FIG. 15, the temperature range in which the fuel electrode is easily oxidized in the atmosphere is a temperature range of about 350 ° C. or higher, which is higher than the oxidation suppression temperature, and the temperature at which the fuel electrode is easily oxidized electrochemically. The band is a temperature band Tc (approximately 200 to 290 ° C.) where an abnormal current can be generated. However, even in the temperature range of about 290 ° C. or more, which is the lower limit temperature Ta of the fuel electrode, the activity of the fuel electrode decreases with a decrease in temperature, so that the fuel electrode can be electrochemically generated. Similarly, atmospheric oxidation of the fuel electrode can occur even in a temperature range below about 350 ° C., which is the oxidation suppression temperature. In addition, since the temperature of each fuel cell unit 16 constituting the fuel cell stack 14 is not completely uniform, for example, even if the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 is less than 350 ° C. The temperature of the fuel cell unit 16 may exceed 350 ° C. Therefore, in practice, a part of the temperature range where the atmospheric oxidation of the fuel electrode can occur and the temperature range where the electrochemical oxidation can occur overlap. In the present embodiment, the risk of atmospheric oxidation and the risk of electrochemical oxidation partially overlapping in this way are suppressed by residual hydrogen discharge control.

ここで、放置期間終了後、残留水素排出制御が開始されると、燃料電池モジュール2内に空気が導入されることにより、燃料極側から空気極側に流出して燃料電池モジュール2内に滞留していた燃料(水素)の一部が排出される。これにより、燃料電池セルユニット16の空気極側の水素濃度が低下する。このため、残留水素排出制御を実行することにより、各燃料電池セルユニット16の上端を通って空気極側から燃料極側に少しずつ拡散する気体に含まれる水素の濃度が低下する(図11の下段(4))。即ち、残留水素排出制御を実行することにより、各燃料電池セルユニット16の燃料極側に拡散する気体に含まれる酸素の濃度が上昇する。しかしながら、気体の拡散は、燃料極の温度低下と共に緩やかに進行するため、燃料極に悪影響を与える程度の雰囲気酸化は発生しない。   Here, when the residual hydrogen discharge control is started after the standing period is over, air is introduced into the fuel cell module 2 and flows out from the fuel electrode side to the air electrode side and stays in the fuel cell module 2. A part of the fuel (hydrogen) was discharged. As a result, the hydrogen concentration on the air electrode side of the fuel cell unit 16 decreases. For this reason, by executing the residual hydrogen discharge control, the concentration of hydrogen contained in the gas gradually diffusing from the air electrode side to the fuel electrode side through the upper end of each fuel cell unit 16 decreases (see FIG. 11). Lower row (4)). That is, by executing the residual hydrogen discharge control, the concentration of oxygen contained in the gas diffusing to the fuel electrode side of each fuel cell unit 16 increases. However, gas diffusion proceeds slowly with a decrease in the temperature of the fuel electrode, so that atmospheric oxidation that has an adverse effect on the fuel electrode does not occur.

このように、残留水素排出制御を実行して、燃料電池セルユニット16の燃料極側に拡散する気体に含まれる酸素の濃度を高めることにより、燃料電池セルユニット16の燃料極側の酸素分圧が極めて緩やかに上昇される。即ち、長い時間をかけて燃料電池セルユニット16の温度が低下し、燃料極の雰囲気酸化のリスクが低下するにつれて、燃料極側に存在する気体の酸素分圧が少しずつ上昇する。さらに燃料電池セルユニット16の温度が低下し、燃料極の電気化学的酸化のリスクが高くなる時点では、燃料極側の酸素分圧が高まり、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が小さくなっている。これにより、燃料電池セルユニット16の温度が低下した状態における燃料極の電気化学的酸化反応が抑制される。   In this way, the residual hydrogen discharge control is executed, and the oxygen partial pressure on the fuel electrode side of the fuel cell unit 16 is increased by increasing the concentration of oxygen contained in the gas diffusing to the fuel electrode side of the fuel cell unit 16. Rises very slowly. That is, as the temperature of the fuel cell unit 16 decreases over a long period of time and the risk of atmospheric oxidation of the fuel electrode decreases, the oxygen partial pressure of the gas present on the fuel electrode side gradually increases. Further, when the temperature of the fuel cell unit 16 decreases and the risk of electrochemical oxidation of the fuel electrode increases, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side increases, and the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side increases. Is getting smaller. Thereby, the electrochemical oxidation reaction of the fuel electrode in a state where the temperature of the fuel cell unit 16 is lowered is suppressed.

これに対し、従来のシャットダウン停止のように残留水素排出制御を実行しない場合には、燃料極側から空気極側に流出した水素が燃料電池モジュール2内に滞留し、これが、空気極側から燃料極側に再び拡散する。このように、水素濃度の高い気体が空気極側から燃料極側に拡散すると、燃料電池セルスタック14温度の低下により電気化学的酸化のリスクが高くなった時点においても、依然として燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が大きいまま維持される。特に、1本の燃料電池セルユニット16の内部(燃料極側)で水素濃度に勾配ができると、図16(b)により説明したように局部電池現象が発生し、これが燃料極の電気化学的酸化を促進してしまう。   On the other hand, when the residual hydrogen discharge control is not executed as in the case of the conventional shutdown stop, the hydrogen flowing out from the fuel electrode side to the air electrode side stays in the fuel cell module 2, and this is the fuel from the air electrode side. It diffuses again to the pole side. As described above, when a gas having a high hydrogen concentration diffuses from the air electrode side to the fuel electrode side, even when the risk of electrochemical oxidation is increased due to a decrease in the temperature of the fuel cell stack 14, the fuel electrode side and the air still remain. The difference in oxygen partial pressure on the pole side is maintained large. In particular, if a hydrogen concentration gradient occurs within one fuel cell unit 16 (on the fuel electrode side), a local cell phenomenon occurs as described with reference to FIG. Promotes oxidation.

本実施形態においては、放置期間終了後、燃料電池セルユニット16の空気極側の残留水素を、残留水素排出制御によって排出することにより、間接的に燃料極側の酸素分圧を高くしている。この燃料極側の酸素分圧の上昇は、燃料電池セルユニット16の温度低下と共に極めて緩やかに発生するため、高温時にリスクが高い雰囲気酸化と、低温時にリスクが高い電気化学的酸化の両方を確実に回避することが可能になる。   In the present embodiment, after the standing period, the residual hydrogen on the air electrode side of the fuel cell unit 16 is discharged by the residual hydrogen discharge control to indirectly increase the oxygen partial pressure on the fuel electrode side. . This increase in the oxygen partial pressure on the fuel electrode side occurs very slowly as the temperature of the fuel cell unit 16 decreases. Therefore, both high-risk atmospheric oxidation at high temperatures and high-risk electrochemical oxidation at low temperatures are ensured. Can be avoided.

次に、図12を参照して、燃料極が酸化された際の挙動を説明する。
図12は、横軸に温度(℃)を示し、縦軸に線膨張率(%)を示すグラフである。グラフ中の太線Iは、燃料極に使用されている材料の還元体を空気雰囲気中で徐々に昇温させた場合の線膨張率を示す。上述したように、燃料極は、ニッケルと、イットリウムをドープしたジルコニアとの混合物(Ni/YSZ)からなる、ニッケル含有複合材料から構成されている。また、グラフ中の破線IIは、Ni/YSZの酸化体を同様に昇温させた場合の線膨張率を示す。また、グラフ中の細線IIIは、ニッケルの還元体を同様に昇温させた場合の線膨張率を示す。燃料極の材料及びニッケルは、いずれも室温(25℃)から700℃まで0.5℃/分の昇温速度で昇温させた。燃料極の材料及びニッケルの線膨張率は、室温での体積を基準とし、熱機械分析(thermomechanical analysis:TMA)装置を使用して測定した。
Next, the behavior when the fuel electrode is oxidized will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a graph showing temperature (° C.) on the horizontal axis and linear expansion coefficient (%) on the vertical axis. A thick line I in the graph indicates a linear expansion coefficient when the reductant of the material used for the fuel electrode is gradually heated in an air atmosphere. As described above, the fuel electrode is made of a nickel-containing composite material made of a mixture of nickel and zirconia doped with yttrium (Ni / YSZ). A broken line II in the graph indicates a linear expansion coefficient when the Ni / YSZ oxidant is similarly heated. The thin line III in the graph indicates the linear expansion coefficient when the temperature of the nickel reductant is similarly raised. Both the fuel electrode material and nickel were heated from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C. at a rate of 0.5 ° C./min. The linear expansion coefficient of the anode material and nickel was measured using a thermomechanical analysis (TMA) apparatus based on the volume at room temperature.

測定に使用した燃料極の材料は、ニッケルと、イットリウムをドープしたジルコニアとの混合物(NiYSZ)からなる、ニッケル含有複合材料の還元体である。NiとYSZ酸化物と混合比は、50:50である。
なお、燃料極の材料は、燃料電池の運転中に水素が供給されるため、燃料電池の停止直後には還元体となっている。
The fuel electrode material used for the measurement is a reductant of a nickel-containing composite material made of a mixture of nickel and zirconia doped with yttrium (NiYSZ). The mixing ratio of Ni and YSZ oxide is 50:50.
Since the fuel electrode material is supplied with hydrogen during operation of the fuel cell, it is a reductant immediately after the fuel cell is stopped.

まず、グラフ中の破線IIに注目すると、複合材料の酸化体の長さは、温度の上昇に従ってほぼ一定の割合で単調に増加している。複合材料の酸化体は既に酸化されているため、この体積増加は、熱膨張によるものと考えられ、酸化の影響はない。   First, paying attention to the broken line II in the graph, the length of the oxidant of the composite material monotonously increases at a substantially constant rate as the temperature increases. Since the oxidant of the composite material has already been oxidized, this volume increase is considered to be due to thermal expansion and is not affected by oxidation.

次に、グラフ中の太線Iに注目すると、室温から350℃付近までの領域と、480℃付近よりも高温領域における還元体複合材料の体積増加は、太線Iが破線IIとほぼ平行であることから、熱膨張によるものと考えられる。これに対し、還元体複合材料の長さは、350℃付近から400℃付近で、一旦僅かに減少して、380℃付近で極小となり、続いて、400℃付近から480℃付近にかけて、急激に増加している。このように、還元体複合材料は、従来、酸化により膨張するだけと考えられていたが、実際には、350℃付近から400℃付近の温度範囲で収縮するという事実が本件発明者により見出された。   Next, paying attention to the thick line I in the graph, the increase in volume of the reductant composite material in the region from room temperature to around 350 ° C. and in the region higher than about 480 ° C. is that the thick line I is almost parallel to the broken line II. Therefore, it is thought that it is due to thermal expansion. On the other hand, the length of the reductant composite material decreases slightly from around 350 ° C. to around 400 ° C., then becomes minimal at around 380 ° C., and then suddenly increases from around 400 ° C. to around 480 ° C. It has increased. As described above, the reductant composite material has conventionally been thought to only expand due to oxidation, but in fact, the present inventors have found the fact that it shrinks in the temperature range from about 350 ° C. to about 400 ° C. It was done.

さらに、グラフ中の細線IIIに注目すると、ニッケル単体も、350℃付近から480℃付近にかけて、温度の上昇に従って体積が減少していることが分かる。このことから、太線Iに示した350℃付近から480℃付近にかけての還元体複合材料の特異な体積変化は、還元体複合材料の成分のうち、既に酸化されているYSZ酸化物ではなく、ニッケルに起因するものと考えられる。   Furthermore, paying attention to the thin line III in the graph, it can be seen that the volume of nickel alone also decreases from 350 ° C. to 480 ° C. as the temperature increases. From this, the peculiar volume change of the reductant composite material from about 350 ° C. to about 480 ° C. shown in the thick line I is not the already oxidized YSZ oxide among the components of the reductant composite material, but nickel It is thought to be caused by

ここで、図11により説明したように、シャットダウン停止回路110aによる残留水素排出制御は、燃料電池モジュール2内の温度が550℃まで低下した時点から開始される。残留水素排出制御が開始されると、燃料電池モジュール2内に空気が導入されるので、燃料電池セルユニット16の空気極側に滞留していた水素の一部が排出され、空気極側の酸素濃度が高くなる。空気極側の気体は、各燃料電池セルユニット16上端の燃料ガス流路細管98を通って燃料極側に少しずつ拡散する。このため、残留水素排出制御が実行された場合は、残留水素排出制御が実行されない場合に比べ、極僅かではあるが燃料極は雰囲気酸化されやすい状態となる。   Here, as described with reference to FIG. 11, the residual hydrogen discharge control by the shutdown stop circuit 110 a is started when the temperature in the fuel cell module 2 is lowered to 550 ° C. When the residual hydrogen discharge control is started, air is introduced into the fuel cell module 2, so that a part of the hydrogen staying on the air electrode side of the fuel cell unit 16 is discharged and oxygen on the air electrode side is discharged. The concentration becomes high. The gas on the air electrode side gradually diffuses to the fuel electrode side through the fuel gas channel narrow tube 98 at the upper end of each fuel cell unit 16. For this reason, when the residual hydrogen discharge control is executed, the fuel electrode is easily oxidized in the atmosphere, although the amount is slightly smaller than when the residual hydrogen discharge control is not executed.

ところが、残留水素排出制御が開始された後、空気極側から燃料極側へ少しずつ空気が拡散し始め、拡散した空気が或る程度の量となるのは、燃料電池セルスタック14の温度が400℃程度に低下した頃になる。上述したように、この温度帯域において燃料極が雰囲気酸化されると、燃料極の材料は僅かに酸化収縮する。このように、約400℃以下の温度帯域において燃料極を僅かに雰囲気酸化させておくことにより燃料極は酸化収縮される。次いで、燃料電池セルスタック14の温度が低下し、燃料極が電気化学的酸化を受けた場合、燃料極は酸化膨張されるが、上記の雰囲気酸化により燃料極が酸化収縮されていることにより、この酸化膨張の影響が相殺される。即ち、燃料極の雰囲気酸化により発生する応力と、電気化学的酸化により発生する応力が相殺され、酸化による各燃料電池セルユニット16への悪影響が抑制される。本実施形態においては、約550℃から残留水素排出制御を開始することにより、約400℃以下の温度帯域において燃料極の僅かな雰囲気酸化を発生させ、これにより酸化による悪影響を抑制している。   However, after the residual hydrogen discharge control is started, the air gradually begins to diffuse from the air electrode side to the fuel electrode side, and the amount of diffused air becomes a certain amount because the temperature of the fuel cell stack 14 is When the temperature drops to about 400 ° C. As described above, when the fuel electrode is atmospherically oxidized in this temperature range, the material of the fuel electrode slightly oxidizes and shrinks. Thus, the fuel electrode is oxidized and contracted by slightly oxidizing the fuel electrode in the atmosphere in a temperature range of about 400 ° C. or lower. Next, when the temperature of the fuel cell stack 14 decreases and the fuel electrode is subjected to electrochemical oxidation, the fuel electrode is oxidized and expanded, but the fuel electrode is oxidized and contracted by the above atmospheric oxidation. The effect of this oxidative expansion is offset. That is, the stress generated by atmospheric oxidation of the fuel electrode and the stress generated by electrochemical oxidation are offset, and adverse effects on each fuel cell unit 16 due to oxidation are suppressed. In this embodiment, by starting the residual hydrogen discharge control from about 550 ° C., slight atmospheric oxidation of the fuel electrode is generated in a temperature range of about 400 ° C. or less, thereby suppressing adverse effects due to oxidation.

本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、燃料電池モジュール2内の温度が酸化抑制温度以下に低下する(図8の時刻t308)前に残留水素排出制御を実行し(図8の時刻t305)、発電用空気流量調整ユニット45のみを作動させる。これにより、シャットダウン停止(図8の時刻t303)後に燃料極側から酸化剤ガス極側に流出した水素が燃料電池モジュール2から排出され、燃料電池モジュール2内の水素濃度が低下される。残留水素排出制御を実行し、酸化剤ガス極側の水素を排出しておくことにより、燃料極側へ拡散する気体の酸素濃度が高くなる。   According to the solid oxide fuel cell system 1 of the embodiment of the present invention, the residual hydrogen discharge control is executed before the temperature in the fuel cell module 2 falls below the oxidation suppression temperature (time t308 in FIG. 8) ( At time t305 in FIG. 8, only the power generation air flow rate adjustment unit 45 is operated. As a result, hydrogen that has flowed out from the fuel electrode side to the oxidant gas electrode side after the shutdown stop (time t303 in FIG. 8) is discharged from the fuel cell module 2, and the hydrogen concentration in the fuel cell module 2 is reduced. By executing the residual hydrogen discharge control and discharging the hydrogen on the oxidant gas electrode side, the oxygen concentration of the gas diffused to the fuel electrode side becomes high.

本実施形態においては、燃料電池モジュール2内が酸化抑制温度である350℃以下に低下する前の雰囲気酸化のリスクが高い状態から、残留水素排出制御により空気側の酸素濃度を高くする。このため、極めて少量ずつ空気極側から燃料極側へ拡散する気体の酸素濃度を高くしておくことができ、時間経過と共に温度が低下して、電気化学的酸化のリスクが高まる時点では、燃料極側の酸素分圧がある程度高くなる。これにより、燃料極の雰囲気酸化を回避しながら少しずつ燃料極側の酸素分圧を高くすることができ、電気化学的酸化のリスクが高くなる温度帯域(図15のTc)に至る時点では、燃料極側と空気極側の酸素分圧差が低下され、電気化学的酸化の発生も効果的に抑制することができる。さらに、燃料電池モジュール2内の温度が酸化抑制温度以下に低下し、燃料極の雰囲気酸化のリスクが十分に低下した状態では、燃料電池モジュール2内を冷却する冷却運転制御を実行する(図8の時刻t309)。これにより、燃料電池セルユニット16の電解質層の温度が低下され、その活性が失われるので、電気化学的酸化発生の原因が根本的に除去される。本実施形態によれば、シャットダウン停止を実行しながら、燃料極の雰囲気酸化及び電気化学的酸化の両方を十分に抑制することができる。   In the present embodiment, the oxygen concentration on the air side is increased by residual hydrogen discharge control from a state where there is a high risk of atmospheric oxidation before the inside of the fuel cell module 2 falls to 350 ° C. or less, which is the oxidation suppression temperature. Therefore, the oxygen concentration of the gas diffusing from the air electrode side to the fuel electrode side can be increased very little by little, and when the temperature decreases with time and the risk of electrochemical oxidation increases, the fuel The oxygen partial pressure on the pole side increases to some extent. Thereby, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side can be gradually increased while avoiding the atmospheric oxidation of the fuel electrode, and at the time of reaching the temperature band (Tc in FIG. 15) where the risk of electrochemical oxidation increases. The difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side is reduced, and the occurrence of electrochemical oxidation can be effectively suppressed. Further, in a state where the temperature in the fuel cell module 2 is lowered below the oxidation suppression temperature and the risk of atmospheric oxidation of the fuel electrode is sufficiently reduced, cooling operation control for cooling the inside of the fuel cell module 2 is executed (FIG. 8). Time t309). Thereby, the temperature of the electrolyte layer of the fuel cell unit 16 is lowered and its activity is lost, so that the cause of electrochemical oxidation is fundamentally removed. According to this embodiment, it is possible to sufficiently suppress both atmospheric oxidation and electrochemical oxidation of the fuel electrode while executing shutdown stop.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、燃料極側への空気の進入が発生しない状態で温度降下制御(図8の時刻t303〜t304)を実行しておくことにより、燃料極側と空気極側の温度を均一化しておくことができ、温度低下に伴う気体の収縮に基づく空気の進入を抑制することができる。また、温度降下制御により温度を均一化しておくことにより、シャットダウン停止後の燃料電池モジュール2内の温度状態を規定の状態に設定することができ、放置期間経過(図8の時刻t304〜t305)後、適切なタイミングで残留水素排出制御(図8の時刻t305〜t308)を実行することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, by performing temperature drop control (time t303 to t304 in FIG. 8) in a state where no air enters the fuel electrode side. The temperatures on the fuel electrode side and the air electrode side can be made uniform, and the ingress of air based on the contraction of the gas accompanying the temperature decrease can be suppressed. Further, by making the temperature uniform by the temperature drop control, the temperature state in the fuel cell module 2 after the shutdown is stopped can be set to a specified state, and the leaving period has elapsed (time t304 to t305 in FIG. 8). Thereafter, residual hydrogen discharge control (time t305 to time t308 in FIG. 8) can be executed at an appropriate timing.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、残留水素排出制御として、発電用空気流量調整ユニット45が間欠的に複数回作動される(図8の時刻t305、t306、t307、t308)ので、空気極側に1回で導入する空気量を少なくすることができる。このため、燃料極側への空気の進入を確実に防止することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is intermittently operated a plurality of times as residual hydrogen discharge control (time t305, t306, t307 in FIG. 8). , T308), it is possible to reduce the amount of air introduced into the air electrode at a time. For this reason, it is possible to reliably prevent air from entering the fuel electrode.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、残留水素排出制御(図8の時刻t305〜t308)により供給される空気の流量は、温度降下制御(図8の時刻t303〜t304)により供給される空気の流量よりも少なく設定されている。温度降下制御は、燃料極側の圧力が十分に高い状態で実行されるため、空気進入のリスクは極めて低い。これに対して、残留水素排出制御の実行時(図8の時刻t305)においては、燃料極側の圧力が低下しているため、進入のリスクが高くなっている。本実施形態によれば、残留水素排出制御における空気の流量は、温度降下制御よりも少なく設定されているので、進入のリスクを十分に抑制しながら、空気を空気極側に供給することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the flow rate of the air supplied by the residual hydrogen discharge control (time t305 to t308 in FIG. 8) is the temperature drop control (time t303 to time t303 in FIG. 8). It is set to be smaller than the flow rate of air supplied by t304). Since the temperature drop control is executed in a state where the pressure on the fuel electrode side is sufficiently high, the risk of air entry is extremely low. On the other hand, when the residual hydrogen discharge control is executed (time t305 in FIG. 8), the pressure on the fuel electrode side is low, so the risk of entry is high. According to this embodiment, since the air flow rate in the residual hydrogen discharge control is set to be smaller than that in the temperature drop control, air can be supplied to the air electrode side while sufficiently suppressing the risk of entry. .

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、シャットダウン停止回路110aは、残留水素排出制御において空気極側に供給される空気の流量が漸増されるように発電用空気流量調整ユニット45を制御する(図10)。また、本実施形態においては、空気極側から燃料極側への流路抵抗は、空気極側から空気用熱交換器22等を通って燃料電池モジュール2の外部へ至る流路の流路抵抗よりも大きいので、空気極側に空気が導入されると、燃料電池モジュール2内部に滞留していた気体は、燃料極側へ進入することなく外部に排出されやすい。また、残留水素排出制御において、空気の流量は漸増されるので、少量の供給で燃料電池モジュール2内から外部へ至る気体の流れが生成された後で流量が増加し、燃料極側への進入が発生しにくくなる。本実施形態によれば、残留水素排出制御における空気進入のリスクを極めて低下させることができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the shutdown stop circuit 110a adjusts the power generation air flow rate so that the flow rate of the air supplied to the air electrode side is gradually increased in the residual hydrogen discharge control. The unit 45 is controlled (FIG. 10). In this embodiment, the flow path resistance from the air electrode side to the fuel electrode side is the flow path resistance of the flow path from the air electrode side to the outside of the fuel cell module 2 through the air heat exchanger 22 or the like. When the air is introduced to the air electrode side, the gas staying inside the fuel cell module 2 is easily discharged outside without entering the fuel electrode side. Further, in the residual hydrogen discharge control, the flow rate of air is gradually increased. Therefore, the flow rate increases after a gas flow from the inside of the fuel cell module 2 to the outside is generated with a small amount of supply, and the flow toward the fuel electrode is increased. Is less likely to occur. According to this embodiment, the risk of air ingress in the residual hydrogen discharge control can be greatly reduced.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、発電用空気流量調整ユニット45が予め定められた時間作動される(図10)ので、残留水素排出制御において、正確に管理された量の空気を導入することができる。これにより、空気極側の酸素分圧を所望の値に設定することができ、燃料極側に拡散される酸素量を適切に設定することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is operated for a predetermined time (FIG. 10), so that it is accurately managed in the residual hydrogen discharge control. A large amount of air can be introduced. Thereby, the oxygen partial pressure on the air electrode side can be set to a desired value, and the amount of oxygen diffused to the fuel electrode side can be set appropriately.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、残留水素排出制御における発電用空気流量調整ユニット45の間欠的な作動は、燃料電池モジュール2内の温度が低下するほど低頻度で実行される(図8)。燃料極側の圧力は、シャットダウン停止(図8の時刻t303)後、温度低下と共に低下する。本実施形態によれば、燃料極側の圧力低下と共に空気供給量が低下されるので、燃料極側への空気の進入を確実に防止することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the intermittent operation of the power generation air flow rate adjustment unit 45 in the residual hydrogen discharge control is less frequent as the temperature in the fuel cell module 2 decreases. (FIG. 8). The pressure on the fuel electrode side decreases with a decrease in temperature after the shutdown is stopped (time t303 in FIG. 8). According to the present embodiment, the air supply amount is reduced along with the pressure drop on the fuel electrode side, so that air can be reliably prevented from entering the fuel electrode side.

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、電圧監視回路110bにより開回路出力電圧が監視されているので、空気の燃料極側への進入が発生した場合には、即座に残留水素排出制御を停止することができ、燃料極の雰囲気酸化を確実に防止することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the open circuit output voltage is monitored by the voltage monitoring circuit 110b, so that when air enters the fuel electrode side, it immediately occurs. In addition, the residual hydrogen discharge control can be stopped and the atmospheric oxidation of the fuel electrode can be reliably prevented.

さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム1によれば、停止前制御(図9の時刻t301〜t303)により、シャットダウン停止時(図9の時刻t303)における燃料電池モジュール2の状態を、規定の状態に設定することができるので、残留水素排出制御に基づく燃料極側への空気の拡散を適切なタイミングで引き起こすことができる。これにより、燃料極の雰囲気酸化及び電気化学的酸化を確実に防止することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the state of the fuel cell module 2 at the time of shutdown stop (time t303 in FIG. 9) is controlled by the pre-stop control (time t301 to t303 in FIG. 9). Therefore, the air can be diffused to the fuel electrode side based on the residual hydrogen discharge control at an appropriate timing. Thereby, atmospheric oxidation and electrochemical oxidation of the fuel electrode can be reliably prevented.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態では、残留水素排出制御において、同一流量の発電用空気を複数回供給していたが、変形例として、各回の流量を変更することもできる。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. In particular, in the above-described embodiment, the power generation air having the same flow rate is supplied a plurality of times in the residual hydrogen discharge control. However, as a modification, the flow rate of each time can be changed.

図13に示す変形例においては、燃料電池モジュール2内の温度が約500℃まで低下した時、約450℃まで低下した時、約400℃まで低下した時に夫々供給する空気の流量及び供給時間を変更している。即ち、図13に示す変形例においては、燃料電池モジュール2内の温度が低下するほど、空気の供給流量が小さく、供給時間も短くなる。これにより、燃料電池モジュール2内の温度が低下するほど、空気の供給量が低下する。   In the modification shown in FIG. 13, when the temperature in the fuel cell module 2 decreases to about 500 ° C., decreases to about 450 ° C., and decreases to about 400 ° C., the flow rate and supply time of air to be supplied respectively. It has changed. That is, in the modification shown in FIG. 13, the lower the temperature in the fuel cell module 2, the smaller the air supply flow rate and the shorter the supply time. Thereby, the supply amount of air decreases as the temperature in the fuel cell module 2 decreases.

また、上述した実施形態では、残留水素排出制御において、発電用空気を予め設定された時間供給していたが、変形例として、実際の空気供給量を制御することもできる。即ち、発電用空気の実際の流量を測定するセンサ(図示せず)を設けておき、このセンサによって測定された流量をフィードバックすることにより、所定量の空気が燃料電池モジュール2内に供給されるように本発明を構成することもできる。   In the above-described embodiment, in the residual hydrogen discharge control, the power generation air is supplied for a preset time. However, as a modification, the actual air supply amount can be controlled. That is, a sensor (not shown) for measuring the actual flow rate of the power generation air is provided, and a predetermined amount of air is supplied into the fuel cell module 2 by feeding back the flow rate measured by this sensor. The present invention can also be configured as described above.

1 固体酸化物型燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材(蓄熱材)
8 ケース
8a 連通開口
8b 下がり壁
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット(燃料電池セル)
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
20a 蒸発部(蒸発室)
20b 混合部(圧力変動吸収手段)
20c 改質部
20d 蒸発/混合部隔壁
20e 隔壁開口
20f 混合/改質部隔壁(圧力変動吸収手段)
20g 連通孔(狭小流路)
21 整流板(隔壁)
21a 開口部
21b 排気通路
21c 気体滞留空間
21d 縦壁
22 空気用熱交換器(熱交換器)
23 蒸発室用断熱材(内部断熱材)
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
39 バルブ
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット(改質用の酸化剤ガス供給装置)
45 発電用空気流量調整ユニット(発電用の酸化剤ガス供給装置)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置(排熱回収用の熱交換器)
52 制御ボックス
54 インバータ
62 改質器導入管(水導入管、予熱部、結露部)
62a T字管(結露部)
63a 水供給用配管
63b 燃料ガス供給用配管
64 燃料ガス供給管
64c 圧力変動抑制用流路抵抗部
66 マニホールド(分散室)
76 空気導入管
76a 吹出口
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
85 排気バルブ
86 内側電極端子(キャップ)
98 燃料ガス流路細管
110 制御部(コントローラ)
110a シャットダウン停止回路
110b 電圧監視回路
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ
150 外気温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell system 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 7 Heat insulation material (heat storage material)
8 Case 8a Communication opening 8b Falling wall 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit (fuel cell)
18 Combustion chamber (combustion section)
20 Reformer 20a Evaporating section (evaporating chamber)
20b Mixing part (pressure fluctuation absorbing means)
20c reforming part 20d evaporation / mixing part partition 20e partition opening 20f mixing / reforming part partition (pressure fluctuation absorbing means)
20g communication hole (narrow channel)
21 Rectifier plate (partition wall)
21a Opening 21b Exhaust passage 21c Gas residence space 21d Vertical wall 22 Air heat exchanger (heat exchanger)
23 Heat insulating material for evaporation chamber (internal heat insulating material)
24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply device)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit (fuel supply device)
39 Valve 40 Air supply source 44 Air flow rate adjustment unit for reforming (oxidizing gas supply device for reforming)
45 Air flow adjustment unit for power generation (oxidizer gas supply device for power generation)
46 1st heater 48 2nd heater 50 Hot water production apparatus (heat exchanger for exhaust heat recovery)
52 Control box 54 Inverter 62 Reformer introduction pipe (water introduction pipe, preheating part, condensation part)
62a T-shaped tube (condensation part)
63a Water supply pipe 63b Fuel gas supply pipe 64 Fuel gas supply pipe 64c Pressure fluctuation suppressing flow path resistance 66 Manifold (dispersion chamber)
76 Air introduction pipe 76a Air outlet 82 Exhaust gas discharge pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell 85 Exhaust valve 86 Inner electrode terminal (cap)
98 Fuel gas passage narrow tube 110 Controller (controller)
110a Shutdown stop circuit 110b Voltage monitoring circuit 112 Operation device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor 132 Fuel flow rate sensor (fuel supply amount detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
142 Power generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer Temperature Sensor 150 Outside Temperature Sensor

Claims (11)

水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池システムであって、
燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、
上記燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を上記燃料電池セルの燃料極側に供給する改質器と、
この改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、及び上記酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、
上記コントローラは、上記燃料供給装置による燃料の供給及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行するシャットダウン停止回路を備え、
上記シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止後、燃料、水、及び酸化剤ガスの供給が停止された放置期間経過後、上記燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下する前に、上記酸化剤ガス供給装置のみを所定期間作動させる残留水素排出制御、及び上記燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下した状態で上記酸化剤ガス供給装置を作動させ、上記燃料電池モジュール内を冷却する冷却運転制御を実行するようにプログラムされており、
上記残留水素排出制御により、シャットダウン停止後に上記燃料極側から上記酸化剤ガス極側に流出した水素が上記燃料電池モジュールから排出され、上記燃料電池モジュール内の水素濃度が低下されることを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen with an oxidant gas,
A fuel cell module containing fuel cells, and
A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell module;
A reformer for generating hydrogen by steam reforming the fuel supplied by the fuel supply device, and supplying the generated hydrogen to the fuel electrode side of the fuel cell;
A water supply device for supplying water for steam reforming to the reformer;
An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell;
A controller for controlling the fuel supply device, the water supply device, and the oxidant gas supply device, and for controlling the extraction of electric power from the fuel cell module,
The controller includes a shutdown stop circuit for executing a shutdown stop for stopping the supply of fuel by the fuel supply device and the extraction of electric power from the fuel cell module,
The shutdown stop circuit is configured such that after the shutdown period, the fuel, water, and oxidant gas supply is stopped and the oxidant is cooled before the temperature in the fuel cell module drops below the oxidation suppression temperature. Residual hydrogen discharge control in which only the gas supply device is operated for a predetermined period, and the oxidant gas supply device is operated in a state where the temperature in the fuel cell module is lowered below the oxidation suppression temperature to cool the inside of the fuel cell module. Programmed to perform cooling operation control,
According to the residual hydrogen discharge control, hydrogen that flows out from the fuel electrode side to the oxidant gas electrode side after shutdown is discharged from the fuel cell module, and a hydrogen concentration in the fuel cell module is reduced. Solid oxide fuel cell system.
上記シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止直後の、上記燃料電池セルの燃料極側の圧力が十分高い所定期間に、上記酸化剤ガス供給装置を作動させ、上記燃料電池モジュール内の温度を低下させる温度降下制御を実行するようにプログラムされており、上記残留水素排出制御は、上記温度降下制御終了後、上記放置期間が経過した後に実行される請求項1記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The shutdown stop circuit operates the oxidant gas supply device during a predetermined period in which the pressure on the fuel electrode side of the fuel cell is sufficiently high immediately after the shutdown is stopped, and a temperature drop that lowers the temperature in the fuel cell module. 2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, programmed to execute control, wherein the residual hydrogen discharge control is executed after the standing period has elapsed after completion of the temperature drop control. 上記残留水素排出制御は、上記温度降下制御終了後、上記冷却運転制御が開始される前の期間に、上記酸化剤ガス供給装置を間欠的に複数回作動させることにより実行される請求項2記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The residual hydrogen discharge control is executed by intermittently operating the oxidant gas supply device a plurality of times during a period after the temperature drop control is completed and before the cooling operation control is started. Solid oxide fuel cell system. 上記残留水素排出制御により供給される酸化剤ガスの流量は、上記温度降下制御により供給される酸化剤ガスの流量よりも少なく設定されている請求項3記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell system according to claim 3, wherein a flow rate of the oxidant gas supplied by the residual hydrogen discharge control is set to be smaller than a flow rate of the oxidant gas supplied by the temperature drop control. 上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側から燃料極側への流路抵抗は、上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側から上記燃料電池モジュールの外部への流路抵抗よりも大きく設定されており、上記シャットダウン停止回路は、上記残留水素排出制御において酸化剤ガス極側に供給される酸化剤ガスの流量が漸増されるように上記酸化剤ガス供給装置を制御する請求項3記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The flow resistance from the oxidant gas electrode side to the fuel electrode side of the fuel cell is set to be larger than the flow resistance from the oxidant gas electrode side of the fuel cell to the outside of the fuel cell module. 4. The solid oxide according to claim 3, wherein the shutdown stop circuit controls the oxidant gas supply device so that the flow rate of the oxidant gas supplied to the oxidant gas electrode side in the residual hydrogen discharge control is gradually increased. Type fuel cell system. 上記シャットダウン停止回路は、上記残留水素排出制御において所定量の酸化剤ガスが供給されるように、上記酸化剤ガス供給装置を予め定められた時間作動させ、又は、酸化剤ガス極側に供給された酸化剤ガス量をフィードバックして上記酸化剤ガス供給装置を制御する請求項3記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The shutdown stop circuit operates the oxidant gas supply device for a predetermined time or is supplied to the oxidant gas electrode side so that a predetermined amount of oxidant gas is supplied in the residual hydrogen discharge control. 4. The solid oxide fuel cell system according to claim 3, wherein the oxidant gas supply device is controlled by feeding back the amount of the oxidant gas. 上記残留水素排出制御における上記酸化剤ガス供給装置の間欠的な作動は、上記燃料電池モジュール内の温度が低下するほど低頻度で実行され、又は、上記燃料電池モジュール内の温度が低下するほど1回の間欠的作動における酸化剤ガス供給量が低下するように実行される請求項6記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The intermittent operation of the oxidant gas supply device in the residual hydrogen discharge control is performed less frequently as the temperature in the fuel cell module decreases, or 1 as the temperature in the fuel cell module decreases. The solid oxide fuel cell system according to claim 6, which is executed so that the supply amount of the oxidant gas in the intermittent operation is reduced. 上記コントローラは、さらに、上記燃料電池モジュールからの開回路出力電圧を監視する電圧監視回路を備え、上記シャットダウン停止回路は、上記開回路出力電圧が過剰に低下した場合には、上記残留水素排出制御による酸化剤ガスの供給を停止させる請求項3記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The controller further includes a voltage monitoring circuit for monitoring an open circuit output voltage from the fuel cell module, and the shutdown stop circuit is configured to control the residual hydrogen discharge when the open circuit output voltage is excessively decreased. 4. The solid oxide fuel cell system according to claim 3, wherein the supply of the oxidant gas is stopped. 上記燃料電池セルの燃料極はニッケル成分を含み、上記残留水素排出制御は、400℃以下の温度で上記燃料極の酸化が発生し、酸化収縮が発生するように実行される請求項3記載の固体酸化物型燃料電池システム。   The fuel electrode of the fuel cell includes a nickel component, and the residual hydrogen discharge control is executed such that oxidation of the fuel electrode occurs and oxidation shrinkage occurs at a temperature of 400 ° C. or lower. Solid oxide fuel cell system. 上記シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止を実行する直前に、予め定められた量の燃料及び水を上記改質器に所定期間供給する停止前制御を実行するようにプログラムされている請求項3記載の固体酸化物型燃料電池システム。   4. The shutdown stop circuit according to claim 3, wherein the shutdown stop circuit is programmed to execute pre-stop control for supplying a predetermined amount of fuel and water to the reformer for a predetermined period immediately before executing the shutdown stop. Solid oxide fuel cell system. 水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池システムであって、
燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、
上記燃料供給装置により供給された燃料を水蒸気改質して水素を生成し、生成された水素を上記燃料電池セルの、ニッケル成分を含む燃料極側に供給する改質器と、
この改質器に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、及び上記酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、
上記コントローラは、上記燃料供給装置による燃料の供給及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行するシャットダウン停止回路を備え、
上記シャットダウン停止回路は、シャットダウン停止後、燃料、水、及び酸化剤ガスの供給が停止された放置期間経過後、上記燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下する前に、上記酸化剤ガス供給装置のみを所定期間作動させる残留水素排出制御、及び上記燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度以下に低下した状態で上記酸化剤ガス供給装置を作動させ、上記燃料電池モジュール内を冷却する冷却運転制御を実行するようにプログラムされており、
上記残留水素排出制御により、シャットダウン停止後に上記燃料極側から上記酸化剤ガス極側に流出した水素が上記燃料電池モジュールから排出され、上記燃料電池モジュール内の水素濃度が低下されると共に、400℃以下の温度で上記燃料極が酸化され、酸化収縮が発生することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen with an oxidant gas,
A fuel cell module containing fuel cells, and
A fuel supply device for supplying fuel to the fuel cell module;
A reformer for steam-reforming the fuel supplied by the fuel supply device to generate hydrogen, and supplying the generated hydrogen to the fuel electrode side containing the nickel component of the fuel cell;
A water supply device for supplying water for steam reforming to the reformer;
An oxidant gas supply device for supplying an oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell;
A controller for controlling the fuel supply device, the water supply device, and the oxidant gas supply device, and for controlling the extraction of electric power from the fuel cell module,
The controller includes a shutdown stop circuit for executing a shutdown stop for stopping the supply of fuel by the fuel supply device and the extraction of electric power from the fuel cell module,
The shutdown stop circuit is configured such that after the shutdown period, the fuel, water, and oxidant gas supply is stopped and the oxidant is cooled before the temperature in the fuel cell module drops below the oxidation suppression temperature. Residual hydrogen discharge control in which only the gas supply device is operated for a predetermined period, and the oxidant gas supply device is operated in a state where the temperature in the fuel cell module is lowered below the oxidation suppression temperature to cool the inside of the fuel cell module. Programmed to perform cooling operation control,
By the residual hydrogen discharge control, hydrogen that flows out from the fuel electrode side to the oxidant gas electrode side after the shutdown is stopped is discharged from the fuel cell module, and the hydrogen concentration in the fuel cell module is lowered and 400 ° C. A solid oxide fuel cell system characterized in that the fuel electrode is oxidized at the following temperature to cause oxidation shrinkage.
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