JP2021048096A - Fuel cell system and operational method of them - Google Patents

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和芳 糸川
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延章 大栗
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Abstract

To enable a suppression of a damage of a reproduction heat exchanger at an activation.SOLUTION: A fuel cell system (1) comprises: an SOFC (10) generating power by an electrochemical reaction of a fuel gas and an oxidant gas; a regenerative heat exchanger (40) that exchanges heat of the exhaust gas from the SOFC to the oxidant gas; and an adjustment valve (47) that executes a flow amount adjustment of the oxidant gas to the regenerative heat exchanger (40). A control part (60) is structured so that the flow amount adjustment is controlled in the adjustment valve so as to avoid a sudden change of an inlet temperature of the oxidant gas in the regenerative heat exchanger in one part of an activation time in the SOFC.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same.

近年、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の開発が進められている。SOFCは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。SOFCは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く(例えば650℃〜1000℃)、発電効率が最も高いという特性を持つ。 In recent years, the development of solid oxide fuel cells (SOFCs) has been promoted. SOFC is a power generation mechanism in which oxide ions generated at the air electrode permeate the electrolyte and move to the fuel electrode, and the oxide ions react with hydrogen or carbon monoxide at the fuel electrode to generate electric energy. .. Among the currently known forms of fuel cells, SOFCs have the characteristics that the operating temperature of power generation is the highest (for example, 650 ° C. to 1000 ° C.) and the power generation efficiency is the highest.

特許文献1には、SOFCからの排出ガスの熱を酸化剤ガス(空気)に熱交換する再生熱交換器と、酸化剤ガスを加熱する空気予熱ヒータ及び起動バーナとを備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、起動時に、空気予熱ヒータ及び起動バーナにより加熱された酸化剤ガスをSOFCに供給してSOFCを昇温し、SOFCから排出される排出ガスを再生熱交換器に導入している。再生熱交換器では、高温側に高温の排出ガスが導入される一方、低温側に外気温となる酸化剤ガスが導入され、排出ガスの熱が酸化剤ガスに再利用される。 Patent Document 1 includes a fuel cell system including a regenerative heat exchanger that exchanges heat of exhaust gas from SOFC with oxidant gas (air), an air preheater that heats the oxidant gas, and a start burner. It is disclosed. In this fuel cell system, at startup, the oxidant gas heated by the air preheater and the start burner is supplied to the SOFC to raise the temperature of the SOFC, and the exhaust gas discharged from the SOFC is introduced into the regenerated heat exchanger. There is. In the regenerative heat exchanger, a high-temperature exhaust gas is introduced on the high-temperature side, while an oxidant gas having an outside temperature is introduced on the low-temperature side, and the heat of the exhaust gas is reused as the oxidant gas.

特許第6103127号公報Japanese Patent No. 6103127

上記構成において、再生熱交換器は、高温の排出ガスで加熱されてから、再生熱交換器に外気温となる酸化剤ガスが導入されるので、酸化剤ガスの導入前にて低温側も高温側と同様に十分に加熱された状態となる。この状態で、再生熱交換器の低温側への酸化剤ガスの導入を開始すると、低温側が高温に加熱された状態から外気温となる酸化剤ガスで急激に冷却される。このような急激な冷却によって、再生熱交換器におけるロウ付け部分に歪みが発生し易くなり、再生熱交換器に破損が発生するという問題がある。 In the above configuration, since the regenerative heat exchanger is heated by the high temperature exhaust gas and then the oxidant gas that becomes the outside air temperature is introduced into the regenerated heat exchanger, the low temperature side is also high temperature before the introduction of the oxidant gas. It will be in a sufficiently heated state as on the side. In this state, when the introduction of the oxidant gas to the low temperature side of the regenerative heat exchanger is started, the low temperature side is rapidly cooled by the oxidant gas that becomes the outside air temperature from the state of being heated to the high temperature. Due to such rapid cooling, the brazed portion of the regenerated heat exchanger is likely to be distorted, and there is a problem that the regenerated heat exchanger is damaged.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、起動時における再生熱交換器の破損を抑制することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的の1つとする。 The present invention has been made in view of the above points, and one of the objects of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing damage to the regenerated heat exchanger at the time of starting and a method for operating the fuel cell system.

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、前記再生熱交換器に対する前記酸化剤ガスの流量調整を実施する調整弁と、前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記再生熱交換器における前記酸化剤ガスの入口温度の急変を回避するよう、前記調整弁での流量調整を制御する制御部と、を有することを特徴としている。 In one aspect of the fuel cell system of the present embodiment, the solid oxide fuel cell that generates power by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and the heat of the exhaust gas from the solid oxide fuel cell are generated. A regenerated heat exchanger that exchanges heat with the oxidant gas supplied to the solid oxide fuel cell, a regulating valve that adjusts the flow rate of the oxidant gas to the regenerated heat exchanger, and the solid oxide fuel cell. It is characterized by having a control unit that controls the flow rate adjustment in the adjustment valve so as to avoid a sudden change in the inlet temperature of the oxidant gas in the regenerative heat exchanger during a part of the start-up time of the battery. There is.

本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する加熱器と、前記加熱器と並列に配置され、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、前記加熱器で加熱された前記酸化剤ガスを前記再生熱交換器における前記酸化剤ガスの入口の供給する供給ラインと、を有することを特徴としている。 In one aspect, the fuel cell system of the present embodiment includes a solid oxide fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and the solid oxide fuel cell that heats the oxidant gas. And a heater arranged in parallel with the heater, the heat of the exhaust gas from the solid oxide fuel cell is exchanged with the oxidant gas supplied to the solid oxide fuel cell. It is characterized by having a heat exchanger and a supply line for supplying the oxidant gas heated by the heater to the inlet of the oxidant gas in the regenerated heat exchanger.

本実施形態の燃料電池システムの運転方法は、その一態様では、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、前記再生熱交換器に対する前記酸化剤ガスの流量調整を実施する調整弁と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記再生熱交換器における前記酸化剤ガスの入口温度の急変を回避するよう、前記調整弁での流量を調整する調整ステップを有することを特徴としている。 In one aspect of the operation method of the fuel cell system of the present embodiment, the solid oxide fuel cell that generates power by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas and the exhaust gas from the solid oxide fuel cell are used. A fuel having a regenerated heat exchanger that exchanges heat with the oxidant gas that supplies heat to the solid oxide fuel cell, and a regulating valve that adjusts the flow rate of the oxidant gas to the regenerated heat exchanger. A method of operating the battery system, in which the regulating valve is used so as to avoid a sudden change in the inlet temperature of the oxidant gas in the regenerative heat exchanger during a part of the start-up time of the solid oxide fuel cell. It is characterized by having an adjustment step for adjusting the flow rate.

本発明によれば、起動時に、酸化剤ガスの入口も高温となった再生熱交換器における該入口に酸化剤ガスを供給しても、その供給流量を調整して該入口の温度急変を回避したり、供給ラインを介して入口に供給する酸化剤ガスを昇温することができる。これにより、急激な冷却に起因する再生熱交換器におけるロウ付け部分の歪みの発生を防ぐことができ、再生熱交換器の破損を抑制することができる。 According to the present invention, even if the oxidant gas is supplied to the inlet of the regenerative heat exchanger in which the inlet of the oxidant gas is also heated at the time of start-up, the supply flow rate is adjusted to avoid a sudden temperature change at the inlet. Or, the temperature of the oxidant gas supplied to the inlet via the supply line can be raised. As a result, it is possible to prevent the occurrence of distortion of the brazed portion in the regenerated heat exchanger due to rapid cooling, and it is possible to suppress damage to the regenerated heat exchanger.

第1の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system by 1st Embodiment. 第1の実施の形態による燃料電池システムの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the time change of the operation parameter of the fuel cell system by 1st Embodiment. 図3Aは、再生熱交換器における低温側の温度の時間変化を示すグラフであり、図3Bは、再生熱交換器に対する反応空気の流量を調整する調整弁における開度の時間変化を示すグラフである。FIG. 3A is a graph showing the time change of the temperature on the low temperature side in the regenerated heat exchanger, and FIG. 3B is a graph showing the time change of the opening degree in the adjusting valve for adjusting the flow rate of the reaction air with respect to the regenerated heat exchanger. is there. 第2の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the fuel cell system by 2nd Embodiment.

[第1の実施の形態]
以下、第1の実施の形態に係る燃料電池システムについて添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、第1の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。図1においては、説明の便宜上、本発明に関連する構成要素のみを示している。図1においては、燃料ガスや酸化剤ガス等の流体の流路を実線で示し、燃料電池システム1の制御信号の信号線を破線(一部省略)で示している。なお、SOFC10内の流体の流路は、便宜上、一点鎖線で示している。
[First Embodiment]
Hereinafter, the fuel cell system according to the first embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment. In FIG. 1, for convenience of explanation, only the components related to the present invention are shown. In FIG. 1, the flow path of a fluid such as fuel gas or oxidant gas is shown by a solid line, and the signal line of the control signal of the fuel cell system 1 is shown by a broken line (partially omitted). The fluid flow path in the SOFC 10 is indicated by a alternate long and short dash line for convenience.

図1に示すように、燃料電池システム1は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、以下、単に「SOFC」という)10を有している。SOFC10は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは、空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有している。セルスタックの各セルは、電気的に直列に接続されている。SOFC10は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 has a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter simply referred to as “SOFC”) 10. The SOFC 10 has a cell stack in which a plurality of cells are stacked or aggregated. Each cell has a basic configuration in which an electrolyte is sandwiched between an air electrode and a fuel electrode. Each cell in the cell stack is electrically connected in series. SOFC10 is a power generation mechanism in which oxide ions generated at the air electrode permeate the electrolyte and move to the fuel electrode, and the oxide ions react with hydrogen or carbon monoxide at the fuel electrode to generate electric energy. ..

SOFC10は、酸化剤ガス流路(カソードガス流路)12と、燃料ガス流路(アノードガス流路)14とを有している。酸化剤ガス流路12の入口部12Aには、反応空気ブロア(酸化剤ガス供給器)20が取り込んだ酸化剤ガス(空気)及びその他のガスが供給され、酸化剤ガス流路12の出口部12Bからは、カソード側排出ガス(以下では単に「排出ガス」と呼ぶことがある)が排出される。燃料ガス流路14の入口部14Aには、燃料ガス供給器(図示略)からの燃料ガス(燃料)及びその他のガスが供給され、燃料ガス流路14の出口部14Bからは、アノード側排出ガス(以下では単に「排出ガス」と呼ぶことがある)が排出される。酸化剤ガス流路12に供給された酸化剤ガスと燃料ガス流路14に供給された燃料ガスが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する(発電する)。SOFC10には、当該SOFC10の温度(モジュール代表温度)を検出する温度検出部30が設けられている。 The SOFC 10 has an oxidant gas flow path (cathode gas flow path) 12 and a fuel gas flow path (anode gas flow path) 14. The oxidant gas (air) taken in by the reaction air blower (oxidizer gas supply device) 20 and other gases are supplied to the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12, and the outlet portion of the oxidant gas flow path 12 is supplied. From 12B, the cathode side exhaust gas (hereinafter, may be simply referred to as “exhaust gas”) is discharged. Fuel gas (fuel) and other gases from a fuel gas supply device (not shown) are supplied to the inlet portion 14A of the fuel gas flow path 14, and are discharged from the outlet portion 14B of the fuel gas flow path 14 on the anode side. Gas (sometimes referred to simply as "emissions" below) is emitted. A direct current is generated (generated electricity) by causing an electrochemical reaction between the oxidant gas supplied to the oxidant gas flow path 12 and the fuel gas supplied to the fuel gas flow path 14. The SOFC 10 is provided with a temperature detection unit 30 that detects the temperature of the SOFC 10 (module representative temperature).

燃料電池システム1は、空気再生熱交換器(以下、単に「再生熱交換器」という)40と、反応空気ブロア20が取り込む酸化剤ガスを酸化剤ガス流路12の入口部12Aへ供給する反応空気供給ライン41とを備えている。再生熱交換器40は、反応空気供給ライン41に設けられている。再生熱交換器40には、酸化剤ガス流路12の出口部12Bからのカソード側排出ガスを通す反応空気排気ライン42が接続されている。再生熱交換器40は、反応空気排気ライン42を流れるカソード側排出ガス(主に酸化剤ガス)と、反応空気供給ライン41に流れる酸化剤ガスとを熱交換させ、SOFC10に導入する酸化剤ガス(反応空気)を加熱する。よって、再生熱交換器40は、反応空気供給ライン41との接続部分が低温側となる一方、反応空気排気ライン42との接続部分が高温側となり、反応空気供給ライン41からの酸化剤ガスを導入する入口が特に低温となる。 The fuel cell system 1 supplies the air regenerating heat exchanger (hereinafter, simply referred to as “regenerating heat exchanger”) 40 and the oxidant gas taken in by the reaction air blower 20 to the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12. It is provided with an air supply line 41. The regenerative heat exchanger 40 is provided in the reaction air supply line 41. The regenerative heat exchanger 40 is connected to a reaction air exhaust line 42 through which the cathode side exhaust gas from the outlet portion 12B of the oxidant gas flow path 12 passes. The regenerative heat exchanger 40 exchanges heat between the cathode side exhaust gas (mainly the oxidant gas) flowing through the reaction air exhaust line 42 and the oxidant gas flowing through the reaction air supply line 41, and introduces the oxidant gas into the SOFC 10. Heat (reaction air). Therefore, in the regenerated heat exchanger 40, the connection portion with the reaction air supply line 41 is on the low temperature side, while the connection portion with the reaction air exhaust line 42 is on the high temperature side, and the oxidant gas from the reaction air supply line 41 is discharged. The inlet to be introduced becomes particularly cold.

反応空気排気ライン42には、酸化剤ガス流路12の出口部12Bの近傍の温度を検出する温度検出部(第1温度検出部)51が設けられている。温度検出部51は、酸化剤ガス流路12(SOFC10)からの排出ガスの温度を検出する。 The reaction air exhaust line 42 is provided with a temperature detection unit (first temperature detection unit) 51 that detects the temperature in the vicinity of the outlet portion 12B of the oxidant gas flow path 12. The temperature detection unit 51 detects the temperature of the exhaust gas from the oxidant gas flow path 12 (SOFC10).

なお、酸化剤ガス流路12は、SOFC10内にて直線(一点鎖線)で示しているが、セルスタックの形状にあわせて流路を設定してよい。 Although the oxidant gas flow path 12 is indicated by a straight line (dashed line) in the SOFC 10, the flow path may be set according to the shape of the cell stack.

反応空気供給ライン41における再生熱交換器40より上流側には、該反応空気供給ライン41から分岐する反応空気バイパスライン43が設けられている。反応空気バイパスライン43の下流端は、反応空気供給ライン41における再生熱交換器40より下流側に接続される。反応空気バイパスライン43には、電気ヒータ44と、調整弁45と、温度検出部46とが設けられている。電気ヒータ44は、反応空気バイパスライン43上に設けられることで、再生熱交換器40と並列となる位置に配置されている。 A reaction air bypass line 43 branching from the reaction air supply line 41 is provided on the upstream side of the regenerative heat exchanger 40 in the reaction air supply line 41. The downstream end of the reaction air bypass line 43 is connected to the downstream side of the regenerated heat exchanger 40 in the reaction air supply line 41. The reaction air bypass line 43 is provided with an electric heater 44, a regulating valve 45, and a temperature detecting unit 46. The electric heater 44 is provided on the reaction air bypass line 43 and is arranged at a position parallel to the regenerated heat exchanger 40.

電気ヒータ44は、加熱器を構成するものであり、反応空気ブロア20から反応空気バイパスライン43を流れる反応空気(酸化剤ガス)を加熱する。例えば、電気ヒータ44は、燃料電池システム1の起動時に反応空気を加熱する。すなわち、電気ヒータ44は、燃料電池システム1(SOFC10)の起動用の電気ヒータを構成する。電気ヒータ44の出力は、SOFC10の定格出力の1/5〜2/3とすることが好ましい。 The electric heater 44 constitutes a heater, and heats the reaction air (oxidizing agent gas) flowing through the reaction air bypass line 43 from the reaction air blower 20. For example, the electric heater 44 heats the reaction air when the fuel cell system 1 is started. That is, the electric heater 44 constitutes an electric heater for starting the fuel cell system 1 (SOFC10). The output of the electric heater 44 is preferably 1/5 to 2/3 of the rated output of the SOFC 10.

調整弁45は、自身の開閉状態を切り換えることにより、反応空気ブロア20から反応空気バイパスライン43(電気ヒータ44)に供給される反応空気の量を調整する。調整弁45における開度は、後述する制御部60からの制御信号により制御される。 The regulating valve 45 adjusts the amount of reaction air supplied from the reaction air blower 20 to the reaction air bypass line 43 (electric heater 44) by switching its own open / closed state. The opening degree of the regulating valve 45 is controlled by a control signal from the control unit 60, which will be described later.

温度検出部46は、反応空気バイパスライン43における電気ヒータ44の出口近傍の温度を検出する。 The temperature detection unit 46 detects the temperature in the vicinity of the outlet of the electric heater 44 in the reaction air bypass line 43.

反応空気供給ライン41には、反応空気バイパスライン43の調整弁45と並列となる位置に、調整弁47が設けられている。調整弁47は、自身の開閉状態を切り換えることにより、反応空気ブロア20から反応空気供給ライン41(再生熱交換器40)に供給される反応空気(酸化剤ガス)の流量調整を実施する。調整弁47における開度は、後述する制御部60からの制御信号により制御される。 The reaction air supply line 41 is provided with a regulating valve 47 at a position parallel to the regulating valve 45 of the reaction air bypass line 43. The adjusting valve 47 adjusts the flow rate of the reaction air (oxidizing agent gas) supplied from the reaction air blower 20 to the reaction air supply line 41 (regenerated heat exchanger 40) by switching its own open / closed state. The opening degree of the regulating valve 47 is controlled by a control signal from the control unit 60, which will be described later.

反応空気供給ライン41には、酸化剤ガス流路12の入口部12Aの近傍の温度を検出する温度検出部48が設けられている。また、反応空気供給ライン41には、再生熱交換器40の出口近傍の温度を検出する温度検出部49が設けられている。なお、反応空気供給ライン41における温度検出部48、49の間に、反応空気バイパスライン43の下流端が接続される。 The reaction air supply line 41 is provided with a temperature detection unit 48 that detects the temperature in the vicinity of the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12. Further, the reaction air supply line 41 is provided with a temperature detection unit 49 for detecting the temperature in the vicinity of the outlet of the regenerative heat exchanger 40. The downstream end of the reaction air bypass line 43 is connected between the temperature detection units 48 and 49 in the reaction air supply line 41.

また、反応空気供給ライン41における反応空気ブロア20の出口側には、反応空気ブロア20から供給される反応空気の流量を測定するための流量計50が設けられている。更に、燃料電池システム1においては、外気となる反応空気(酸化剤ガス)の温度を検出する温度検出部(第2温度検出部)52を備えている。図1では、温度検出部52を反応空気ブロア20の入口側に設けた場合を図示したが、反応空気ブロア20で供給される反応空気の温度を検出できる限りに、設置位置を変更してもよい。 Further, a flow meter 50 for measuring the flow rate of the reaction air supplied from the reaction air blower 20 is provided on the outlet side of the reaction air blower 20 in the reaction air supply line 41. Further, the fuel cell system 1 includes a temperature detection unit (second temperature detection unit) 52 that detects the temperature of the reaction air (oxidizing agent gas) that becomes the outside air. Although FIG. 1 shows a case where the temperature detection unit 52 is provided on the inlet side of the reaction air blower 20, the installation position may be changed as long as the temperature of the reaction air supplied by the reaction air blower 20 can be detected. Good.

なお、調整弁45、47の少なくとも一方は、比例制御弁として、反応空気バイパスライン43及び反応空気供給ライン41の双方の系統への酸化剤ガスの供給量(流量)を制御することが好ましい。ここでは、反応空気バイパスライン43及び反応空気供給ライン41にそれぞれ調整弁45、47を備える場合について説明しているが、調整弁の構成について適宜変更が可能である。例えば、反応空気供給ライン41から反応空気バイパスライン43への分岐箇所に三又構造の調整弁を備え、反応空気バイパスライン43及び反応空気供給ライン41の双方の系統への酸化剤ガスの供給量を制御してもよい。 It is preferable that at least one of the regulating valves 45 and 47 controls the supply amount (flow rate) of the oxidant gas to both the reaction air bypass line 43 and the reaction air supply line 41 as a proportional control valve. Although the case where the reaction air bypass line 43 and the reaction air supply line 41 are provided with the regulating valves 45 and 47, respectively, is described here, the configuration of the regulating valves can be changed as appropriate. For example, a regulating valve having a three-pronged structure is provided at a branch point from the reaction air supply line 41 to the reaction air bypass line 43, and the amount of oxidant gas supplied to both the reaction air bypass line 43 and the reaction air supply line 41. May be controlled.

燃料電池システム1は、システム全体を制御する制御部60を有している。制御部60は、温度検出部30、46、48、49、51、52、調整弁45、47、反応空気ブロア20、電気ヒータ44、流量計50及び不図示の操作部に接続される。なお、図1では、制御部60と温度検出部51とを接続する信号線を省略している。制御部60は、操作部から入力された指示や、温度検出部30、46、48、49、51、52、流量計50等の検出結果に応じて接続機器を制御する。 The fuel cell system 1 has a control unit 60 that controls the entire system. The control unit 60 is connected to temperature detection units 30, 46, 48, 49, 51, 52, regulating valves 45, 47, reaction air blower 20, electric heater 44, flow meter 50, and an operation unit (not shown). In FIG. 1, the signal line connecting the control unit 60 and the temperature detection unit 51 is omitted. The control unit 60 controls the connected equipment according to the instruction input from the operation unit and the detection results of the temperature detection units 30, 46, 48, 49, 51, 52, the flow meter 50, and the like.

以下、図1に加えて図2を参照して、燃料電池システム1の起動動作(制御部60による制御内容)について説明する。図2は、本実施の形態による燃料電池システムの運転パラメータの時間変化を説明するための図である。なお、下記の起動動作が実施されている時間がSOFC10の「起動時間」とされる。 Hereinafter, the starting operation (control content by the control unit 60) of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG. 2 in addition to FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining time-dependent changes in operating parameters of the fuel cell system according to the present embodiment. The time during which the following startup operation is performed is defined as the "startup time" of the SOFC 10.

制御部60において、調整弁45を開状態、調整弁47を閉状態にし、反応空気ブロア20及び電気ヒータ44をそれぞれオン状態にする制御を実行する。これらの制御は、略同時に実行してもよいし、時間的にずらして実行してもよい。これら制御によって、反応空気ブロア20から取り込まれた反応空気(酸化剤ガス)が電気ヒータ44により加熱され、反応空気バイパスライン43から反応空気供給ライン41を通じて酸化剤ガス流路12に流れる。 The control unit 60 executes control to open the regulating valve 45, close the regulating valve 47, and turn on the reaction air blower 20 and the electric heater 44, respectively. These controls may be executed substantially at the same time, or may be executed at staggered times. By these controls, the reaction air (oxidizer gas) taken in from the reaction air blower 20 is heated by the electric heater 44 and flows from the reaction air bypass line 43 to the oxidant gas flow path 12 through the reaction air supply line 41.

このとき、電気ヒータ44の出口側における温度検出部46で検出する温度(図2A参照)は時間t1まで次第に上昇し、その下流側にて酸化剤ガス流路12の入口部12Aにおける温度検出部48で検出する温度(図2E参照)も同様に時間t1まで次第に上昇する。そして、酸化剤ガス流路12を介してSOFC10に供給される反応空気の熱量(図2G参照)も次第に上昇してSOFC10が昇温し、温度検出部30で検出するSOFC10の温度(図2F参照)も時間t1まで次第に上昇する。 At this time, the temperature detected by the temperature detection unit 46 on the outlet side of the electric heater 44 (see FIG. 2A) gradually rises until the time t1, and the temperature detection unit at the inlet 12A of the oxidant gas flow path 12 on the downstream side thereof. Similarly, the temperature detected at 48 (see FIG. 2E) gradually rises to time t1. Then, the amount of heat of the reaction air supplied to the SOFC 10 via the oxidant gas flow path 12 (see FIG. 2G) gradually increases, the temperature of the SOFC 10 rises, and the temperature of the SOFC 10 detected by the temperature detection unit 30 (see FIG. 2F). ) Also gradually rises until time t1.

ここで、図2Aにおいて、温度Taは、電気ヒータ44の飽和出力時における反応空気の加熱温度とされる。時間t1の経過時にて温度検出部46での検出温度が温度Taに達すると、制御部60において、図2Bに示す流量計50の測定値に基づき、反応空気ブロア20から供給する反応空気を増量する制御を実行する。これと同時に、制御部60は、図2Cに示すように、調整弁47を閉状態から次第に開弁して全開状態にする制御を実行する。かかる調整弁47の開度調整の具体的な制御については後述する。 Here, in FIG. 2A, the temperature Ta is the heating temperature of the reaction air at the time of saturation output of the electric heater 44. When the temperature detected by the temperature detection unit 46 reaches the temperature Ta after the lapse of time t1, the control unit 60 increases the amount of reaction air supplied from the reaction air blower 20 based on the measured values of the flow meter 50 shown in FIG. 2B. Perform control. At the same time, as shown in FIG. 2C, the control unit 60 executes control to gradually open the regulating valve 47 from the closed state to the fully open state. Specific control of the opening degree adjustment of the adjusting valve 47 will be described later.

この制御にて、図2Dに示すように、再生熱交換器40の出口側の温度検出部49で検出する反応空気の温度が次第に上昇する。このとき、制御部60においては、電気ヒータ44の反応空気の出口温度となる温度検出部46での検出温度(図2A参照)が、温度Taに維持されるよう調整弁45の開度を制御する。言い換えると、温度検出部46での検出温度に応じて制御部60が調整弁45を制御し、電気ヒータ44の出力が一定に保たれる。 With this control, as shown in FIG. 2D, the temperature of the reaction air detected by the temperature detection unit 49 on the outlet side of the regenerative heat exchanger 40 gradually rises. At this time, the control unit 60 controls the opening degree of the adjusting valve 45 so that the temperature detected by the temperature detection unit 46 (see FIG. 2A), which is the outlet temperature of the reaction air of the electric heater 44, is maintained at the temperature Ta. To do. In other words, the control unit 60 controls the adjusting valve 45 according to the temperature detected by the temperature detection unit 46, and the output of the electric heater 44 is kept constant.

再生熱交換器40で加熱された反応空気は電気ヒータ44で加熱された反応空気に比べて低温となるので、酸化剤ガス流路12の入口部12Aとなる温度検出部48での検出温度(図2E参照)は若干下降する。但し、反応空気供給ライン41に反応空気バイパスライン43が合流して酸化剤ガス流路12に反応空気が供給される。言い換えると、電気ヒータ44と再生熱交換器40との両方で反応ガスを加熱して酸化剤ガス流路12に同時に供給され(供給ステップ)、酸化剤ガス流路12(SOFC10)に供給される反応空気の全体の熱量としては増量することとなる(図2G参照)。これにより、図2Fに示すように、時間t1経過前に比べ、時間t1経過後の方が、温度検出部30の検出温度となるSOFC10の温度の上昇速度が加速される。 Since the reaction air heated by the regenerative heat exchanger 40 has a lower temperature than the reaction air heated by the electric heater 44, the temperature detected by the temperature detection unit 48 which is the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12 ( (See FIG. 2E) slightly descends. However, the reaction air bypass line 43 joins the reaction air supply line 41, and the reaction air is supplied to the oxidant gas flow path 12. In other words, the reaction gas is heated by both the electric heater 44 and the regenerative heat exchanger 40 and simultaneously supplied to the oxidant gas flow path 12 (supply step) and supplied to the oxidant gas flow path 12 (SOFC10). The total amount of heat of the reaction air will be increased (see FIG. 2G). As a result, as shown in FIG. 2F, the temperature rise rate of the SOFC 10 which is the detection temperature of the temperature detection unit 30 is accelerated after the time t1 elapses as compared with the time before the time t1 elapses.

ここで、温度検出部48の検出温度と、温度検出部30の検出温度とが概略同一となったタイミングを時間t2とし、その検出温度を温度Tbとする。また、温度検出部30の検出温度がSOFC10の動作温度(発電準備温度)となる温度Tcとなったタイミングを時間t3とする。 Here, the timing at which the detection temperature of the temperature detection unit 48 and the detection temperature of the temperature detection unit 30 are substantially the same is defined as the time t2, and the detection temperature is defined as the temperature Tb. Further, the timing at which the detection temperature of the temperature detection unit 30 becomes the temperature Tc which becomes the operating temperature (power generation preparation temperature) of the SOFC 10 is set as the time t3.

図2Cに示すように、時間t2の経過後、調整弁47を次第に閉弁するよう調整し、時間t3にて所定開度(例えば50%)の状態に維持する制御を実行する。これと同時に、制御部60において、図2Bに示す流量計50の測定値に基づき、反応空気ブロア20から供給する反応空気を時間t3まで減量してから一定に維持する制御を実行する。これら制御での変化速度、変化量及び調整弁45の制御にあっては、温度検出部46での検出温度(図2A参照)を温度Taに維持するよう制御部60を介して調整する。これら制御によって、図2Dに示すように、再生熱交換器40の出口側の温度検出部49で検出する反応空気の温度は時間t3まで上昇してから一定に維持される。 As shown in FIG. 2C, after the lapse of time t2, the adjusting valve 47 is adjusted to be gradually closed, and control is executed to maintain the state of a predetermined opening degree (for example, 50%) at time t3. At the same time, the control unit 60 executes control to reduce the amount of the reaction air supplied from the reaction air blower 20 to the time t3 and then maintain the constant value based on the measured value of the flow meter 50 shown in FIG. 2B. In the control of the change rate, the amount of change, and the control valve 45 in these controls, the temperature detected by the temperature detection unit 46 (see FIG. 2A) is adjusted via the control unit 60 so as to be maintained at the temperature Ta. By these controls, as shown in FIG. 2D, the temperature of the reaction air detected by the temperature detection unit 49 on the outlet side of the regenerative heat exchanger 40 rises to time t3 and is maintained constant.

上記のように時間t2後の調整弁47の開度を調整したことで、再生熱交換器40に供給される反応空気が所定量まで減り、酸化剤ガス流路12の入口部12Aに供給される反応空気も減量される。言い換えると、酸化剤ガス流路12に供給される反応空気にて相対的に低温となる再生熱交換器40で加熱された反応空気が減少するので、時間t2の経過後、温度検出部48での検出温度(図2E参照)は上昇する。このとき、酸化剤ガス流路12(SOFC10)に供給される反応空気の全体の熱量は、再生熱交換器40からの反応空気供給開始時となる時間t1と略同一またはそれより高くなる(図2G参照)。このように、時間t2を経過した後も、温度Tbより高温の反応空気が酸化剤ガス流路12に供給されるので、図2Fに示すように、温度検出部30の検出温度となるSOFC10の温度が上昇される。この状態を時間t3まで継続することで、温度検出部30の検出温度がSOFC10の動作温度Tcとなり、SOFC10の起動動作が完了する。 By adjusting the opening degree of the regulating valve 47 after the time t2 as described above, the reaction air supplied to the regenerative heat exchanger 40 is reduced to a predetermined amount and supplied to the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12. The reaction air is also reduced. In other words, the reaction air heated by the regenerative heat exchanger 40, which has a relatively low temperature in the reaction air supplied to the oxidant gas flow path 12, decreases, so that the temperature detection unit 48 after the lapse of time t2 The detection temperature of (see FIG. 2E) rises. At this time, the total amount of heat of the reaction air supplied to the oxidant gas flow path 12 (SOFC10) is substantially the same as or higher than the time t1 at the start of the reaction air supply from the regenerative heat exchanger 40 (FIG. See 2G). In this way, even after the time t2 has elapsed, the reaction air having a temperature higher than the temperature Tb is supplied to the oxidant gas flow path 12, and as shown in FIG. 2F, the SOFC 10 has a temperature detected by the temperature detection unit 30. The temperature is raised. By continuing this state until the time t3, the detection temperature of the temperature detection unit 30 becomes the operating temperature Tc of the SOFC 10, and the activation operation of the SOFC 10 is completed.

次いで、図3を参照して、起動動作での調整弁47の開度調整の制御について説明する。図3Aは、再生熱交換器における低温側の温度の時間変化を示すグラフであり、図3Bは、再生熱交換器に対する反応空気の流量を調整する調整弁における開度の時間変化を示すグラフである。 Next, with reference to FIG. 3, control of opening degree adjustment of the adjusting valve 47 in the starting operation will be described. FIG. 3A is a graph showing the time change of the temperature on the low temperature side in the regenerated heat exchanger, and FIG. 3B is a graph showing the time change of the opening degree in the adjusting valve for adjusting the flow rate of the reaction air with respect to the regenerated heat exchanger. is there.

時間t1の経過時においては、上述したように、温度検出部46での検出温度が温度Ta(図2A参照)、つまり、電気ヒータ44の飽和出力時における反応空気の加熱温度に達する。時間t1を経過する前は、SOFC10が徐々に昇温し(図2F参照)、SOFC10から反応空気排気ライン42を流れる排出ガスも徐々に高温となるので、該排ガスが導入される再生熱交換器40の温度も徐々に高温となる。 When the time t1 elapses, as described above, the temperature detected by the temperature detection unit 46 reaches the temperature Ta (see FIG. 2A), that is, the heating temperature of the reaction air at the time of saturation output of the electric heater 44. Before the time t1 elapses, the SOFC 10 gradually rises in temperature (see FIG. 2F), and the exhaust gas flowing from the SOFC 10 through the reaction air exhaust line 42 also gradually rises in temperature. The temperature of 40 also gradually becomes high.

時間t1の直前では調整弁47が閉弁し、再生熱交換器40への反応空気の供給が停止しているので、再生熱交換器40は高温側だけでなく低温側も該高温側と同様に昇温される(図3A参照)。そして、時間t1の経過後に調整弁47を閉状態から次第に開弁し、再生熱交換器40の低温側となる反応空気の入口(反応空気供給ライン41との接続部分)に反応空気が供給される。 Immediately before time t1, the regulating valve 47 is closed and the supply of reaction air to the regenerating heat exchanger 40 is stopped. Therefore, the regenerating heat exchanger 40 is not only on the high temperature side but also on the low temperature side as well as on the high temperature side. (See FIG. 3A). Then, after the lapse of time t1, the regulating valve 47 is gradually opened from the closed state, and the reaction air is supplied to the reaction air inlet (connection portion with the reaction air supply line 41) on the low temperature side of the regenerative heat exchanger 40. To.

このとき、本実施の形態に対する比較方法として、例えば、図3Bの一点鎖線で示すように、調整弁47を開弁する。比較方法においては、時間t1の経過後、時間t2に達するより極めて短い時間tsで調整弁47を全開(弁開度100%)にする。すると、図3Aの一点鎖線で示すように、再生熱交換器40の低温側となる反応空気の入口では、高温となる時間t1から極めて短時間となる時間tsの間にて外気温まで冷却される。このため、低温側にて急激な温度変化が発生し、再生熱交換器40におけるロウ付け部分に歪みや熱収縮が生じて再生熱交換器40の破損の原因になる、という問題がある。 At this time, as a comparison method with respect to the present embodiment, for example, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 3B, the regulating valve 47 is opened. In the comparison method, after the lapse of time t1, the adjusting valve 47 is fully opened (valve opening 100%) in an extremely shorter time ts than reaching time t2. Then, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 3A, the reaction air inlet on the low temperature side of the regenerative heat exchanger 40 is cooled to the outside air temperature between the high temperature time t1 and the extremely short time ts. To. Therefore, there is a problem that a sudden temperature change occurs on the low temperature side, distortion or heat shrinkage occurs in the brazed portion of the regenerative heat exchanger 40, which causes damage to the regenerated heat exchanger 40.

ここで、時間t1の前から再生熱交換器40の低温側に外気を導入しておくことで、低温側の急激な温度変化を回避できるが、空気流量の増加による反応空気ブロア20の高容量化や、電気ヒータ44の高出力化等、設備負担が大きくなる。また、起動時におけるSOFC10の加熱時間が長くなる等の問題も発生し、好ましくない。 Here, by introducing the outside air to the low temperature side of the regenerative heat exchanger 40 before the time t1, a sudden temperature change on the low temperature side can be avoided, but the high capacity of the reaction air blower 20 due to the increase in the air flow rate. The equipment burden will increase due to the increase in the output of the electric heater 44 and the increase in the output. In addition, problems such as a long heating time of SOFC 10 at startup occur, which is not preferable.

この点、本実施の形態では、再生熱交換器40の反応空気の入口温度の急変を回避するよう、制御部60によって調整弁47での流量調整が制御される(調整ステップ)。かかる制御では、図3Bに示すように、時間t1から時間t2に達する調整弁47の開度調整時間を、時間t1から時間tsまでより長時間とする。これにより、図3Aの実線で示すように、単位時間当たりの温度変化量が小さくなり、再生熱交換器40の反応空気の入口温度にて温度変化を緩やかにして、再生熱交換器40での破損の発生を抑制することができる。その結果、破損によって再生熱交換器40の気密が保たれなくなることを回避でき、システム停止等の事態になることを回避することができる。 In this respect, in the present embodiment, the flow rate adjustment in the adjusting valve 47 is controlled by the control unit 60 so as to avoid a sudden change in the inlet temperature of the reaction air of the regenerating heat exchanger 40 (adjustment step). In such control, as shown in FIG. 3B, the opening adjustment time of the adjusting valve 47, which reaches the time t1 to the time t2, is set to be longer than the time t1 to the time ts. As a result, as shown by the solid line in FIG. 3A, the amount of temperature change per unit time becomes small, the temperature change is moderated at the inlet temperature of the reaction air of the regenerative heat exchanger 40, and the regenerative heat exchanger 40 is used. The occurrence of damage can be suppressed. As a result, it is possible to prevent the regenerative heat exchanger 40 from being unable to maintain airtightness due to damage, and it is possible to avoid a situation such as a system stop.

かかる温度変化では、図3Bに示すカーブを描くように調整弁47の開度を制御部60にて制御するとよい。かかる開度の制御では、調整弁47の開弁開始(時間t1)からの経過時間で、調整弁47の開度を除算した値が、該経過時間が長くなるに従って大きくなるよう調整弁47を制御する。よって、図3Bのグラフにて、調整弁47の開度を示す曲線は、時間t1から時間が経過するに従って該曲線の傾きが次第に大きくなる。このように制御することで、調整弁47の開弁開始時の反応空気量をより少なくして再生熱交換器40の歪みを回避しつつ、全開となるまでの時間の短縮化を図り、SOFC1の起動時間を短くすることができる。 In such a temperature change, the opening degree of the adjusting valve 47 may be controlled by the control unit 60 so as to draw a curve shown in FIG. 3B. In the control of such an opening degree, the adjusting valve 47 is adjusted so that the value obtained by dividing the opening degree of the adjusting valve 47 by the elapsed time from the valve opening start (time t1) of the adjusting valve 47 increases as the elapsed time increases. Control. Therefore, in the graph of FIG. 3B, the slope of the curve showing the opening degree of the adjusting valve 47 gradually increases as time elapses from time t1. By controlling in this way, the amount of reaction air at the start of valve opening of the regulating valve 47 is reduced to avoid distortion of the regenerating heat exchanger 40, and the time until the regulating valve 47 is fully opened is shortened. The startup time of can be shortened.

また、本実施の形態では、温度検出部51、52の検出結果に応じて制御部60にて調整弁47を制御することができる。この場合、制御部60にて、酸化剤ガス流路12における出口部12Bの温度となる温度検出部51の検出結果から、外気の温度となる温度検出部52の検出結果を減算して温度差を演算する。そして、制御部60は、かかる温度差が大きくなる程、調整弁47の開度調整時間を長くする調整を行う。このように、制御部60は、上記温度差に応じて調整弁47の開度調整時間を増減でき、再生熱交換器40低温側での急激な温度変化を回避と開度調整時間の短縮との両立をより良く達成できる。 Further, in the present embodiment, the control valve 47 can be controlled by the control unit 60 according to the detection results of the temperature detection units 51 and 52. In this case, the control unit 60 subtracts the detection result of the temperature detection unit 52, which is the temperature of the outside air, from the detection result of the temperature detection unit 51, which is the temperature of the outlet unit 12B in the oxidant gas flow path 12, and the temperature difference. Is calculated. Then, the control unit 60 adjusts to lengthen the opening degree adjusting time of the adjusting valve 47 as the temperature difference increases. In this way, the control unit 60 can increase or decrease the opening degree adjusting time of the adjusting valve 47 according to the temperature difference, avoiding a sudden temperature change on the low temperature side of the regenerating heat exchanger 40, and shortening the opening degree adjusting time. Can be better achieved at the same time.

以上のように、上記燃料電池システム1においては、電気ヒータ44と再生熱交換器40とを並列に配置している。そして、SOFC10の起動時間の一部となる時間t1から時間t2まで、電気ヒータ44と再生熱交換器40との両方で反応空気(酸化剤ガス)を加熱してSOFC10に供給している。 As described above, in the fuel cell system 1, the electric heater 44 and the regenerative heat exchanger 40 are arranged in parallel. Then, the reaction air (oxidizing agent gas) is heated by both the electric heater 44 and the regenerative heat exchanger 40 from the time t1 to the time t2, which is a part of the start-up time of the SOFC 10, and is supplied to the SOFC 10.

ここで、仮に、比較例として電気ヒータ44だけの熱量で反応空気を加熱した場合には、図2Fのグラフにて一点鎖線で示すように略一定速度で昇温する。これに対し、本実施の形態の方が、時間t1から時間t2の間、再生熱交換器40からも加熱した反応空気を供給してSOFC10に供給する熱量を増大することができる。これにより、SOFC10の昇温速度を加速でき、図2Fのグラフにて時間tm分の起動時間(温度Tcに到達する時間)の短縮化を図ることができる。 Here, as a comparative example, when the reaction air is heated by the amount of heat of only the electric heater 44, the temperature is raised at a substantially constant rate as shown by the alternate long and short dash line in the graph of FIG. 2F. On the other hand, in the present embodiment, the amount of heat supplied to the SOFC 10 can be increased by supplying the heated reaction air from the regenerative heat exchanger 40 from the time t1 to the time t2. As a result, the rate of temperature rise of SOFC 10 can be accelerated, and the start-up time (time to reach the temperature Tc) can be shortened by the time tm in the graph of FIG. 2F.

しかも、本実施の形態では、電気ヒータ44と再生熱交換器40とを並列に配置したので、それらに反応空気を供給する供給機構としての反応空気ブロア20を共通化させることができ、該供給機構の設置数を少なくすることができる。更には、再生熱交換器40以外の加熱機構を電気ヒータ44だけにすることもでき、従来の起動バーナを省略して燃料電池システム1全体での小型化、設備コストの削減を図ることができる。 Moreover, in the present embodiment, since the electric heater 44 and the regenerative heat exchanger 40 are arranged in parallel, the reaction air blower 20 as a supply mechanism for supplying the reaction air to them can be shared, and the supply can be made common. The number of installed mechanisms can be reduced. Further, the heating mechanism other than the regenerative heat exchanger 40 can be limited to the electric heater 44, and the conventional start burner can be omitted to reduce the size of the entire fuel cell system 1 and the equipment cost. ..

ここで、上記起動動作では、SOFC10における反応空気の入口温度、つまり、温度検出部48の検出結果が上限温度(例えば400〜800℃、図2E参照)を超えないように制御している。すなわち、制御部60にて温度検出部48の検出結果を取得し、該検出結果に応じて、調整弁45、47の弁開度を調整している。この調整によって、電気ヒータ44及び再生熱交換器40への反応空気の供給量を調整し、酸化剤ガス流路12の入口部12Aに高温の反応空気が供給されることを防止している。これにより、SOFC10及びその入口が高温になり過ぎて破損することを防止することができる。 Here, in the above-mentioned start-up operation, the inlet temperature of the reaction air in the SOFC 10, that is, the detection result of the temperature detection unit 48 is controlled so as not to exceed the upper limit temperature (for example, 400 to 800 ° C., see FIG. 2E). That is, the control unit 60 acquires the detection result of the temperature detection unit 48, and adjusts the valve opening degrees of the adjusting valves 45 and 47 according to the detection result. By this adjustment, the supply amount of the reaction air to the electric heater 44 and the regenerative heat exchanger 40 is adjusted, and the high temperature reaction air is prevented from being supplied to the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12. This makes it possible to prevent the SOFC 10 and its inlet from becoming too hot and damaged.

また、電気ヒータ44における反応空気の出口温度、つまり、温度検出部46の検出結果に応じて、調整弁45の弁開度を調整するので、電気ヒータ44が高温になり過ぎて破損することを防止することができる。 Further, since the valve opening degree of the adjusting valve 45 is adjusted according to the outlet temperature of the reaction air in the electric heater 44, that is, the detection result of the temperature detecting unit 46, the electric heater 44 becomes too hot and is damaged. Can be prevented.

また、上記実施の形態では、SOFC10の内部温度(温度検出部30の検出結果)と、酸化剤ガス流路12の入口部12Aの温度(温度検出部48の検出結果)とが概略同一となった後、調整弁47を制御して再生熱交換器40に供給する反応空気を減らしてから所定量に維持している。具体的には、図2Dに示すように、再生熱交換器40の出口側の温度検出部49で検出する反応空気の温度を時間t3まで上昇してから一定に維持している。これにより、SOFC10を昇温すべく再生熱交換器40で加熱した反応空気を供給し終えた後も、再生熱交換器40の温度が高温になり過ぎることを防止することができる。その結果、反応空気ブロア20を介して供給された気温と同じ温度(例えば約20℃)の反応空気との温度差によって再生熱交換器40が破損することを回避することができる。 Further, in the above embodiment, the internal temperature of the SOFC 10 (detection result of the temperature detection unit 30) and the temperature of the inlet portion 12A of the oxidant gas flow path 12 (detection result of the temperature detection unit 48) are substantially the same. After that, the regulating valve 47 is controlled to reduce the reaction air supplied to the regenerative heat exchanger 40 and then maintain the predetermined amount. Specifically, as shown in FIG. 2D, the temperature of the reaction air detected by the temperature detection unit 49 on the outlet side of the regenerative heat exchanger 40 is maintained constant after rising to time t3. As a result, it is possible to prevent the temperature of the regenerating heat exchanger 40 from becoming too high even after the reaction air heated by the regenerating heat exchanger 40 has been supplied to raise the temperature of the SOFC 10. As a result, it is possible to prevent the regenerated heat exchanger 40 from being damaged by the temperature difference from the reaction air having the same temperature (for example, about 20 ° C.) as the air temperature supplied through the reaction air blower 20.

[第2の実施の形態]
次いで、第1の実施の形態とは異なる第2の実施の形態について図4を参照して説明する。図4は、第2の実施の形態による燃料電池システムを示すブロック図である。なお、第2の実施の形態において、第1の実施の形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment different from the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram showing a fuel cell system according to the second embodiment. In the second embodiment, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

図4に示すように、第2の実施の形態では、第1の実施の形態に対し、供給ライン70の構成を追加している。供給ライン70は、上流側が反応空気バイパスライン43における電気ヒータ44の出口側から分岐している。そして、供給ライン70の下流側は、反応空気供給ライン41における反応空気バイパスライン43の分岐位置と調整弁47との間に接続される。 As shown in FIG. 4, in the second embodiment, the configuration of the supply line 70 is added to the first embodiment. The upstream side of the supply line 70 branches from the outlet side of the electric heater 44 in the reaction air bypass line 43. The downstream side of the supply line 70 is connected between the branch position of the reaction air bypass line 43 in the reaction air supply line 41 and the regulating valve 47.

第2の実施の形態においては、電気ヒータ44で加熱された酸化剤ガスを供給ライン70を経て反応空気供給ライン41における調整弁47の上流側に導入することができる。従って、調整弁47を開弁したときに、電気ヒータ44で加熱された酸化剤ガスと反応空気ブロア20からの外気温となる酸化剤ガスとを混合し、再生熱交換器40における酸化剤ガスの入口に供給することができる。これにより、再生熱交換器40の入口に供給される酸化剤ガスは外気温より高温になり、該入口が昇温した状態でも酸化剤ガスの供給による急激な温度変化を抑制して、再生熱交換器40の破損を回避することができる。 In the second embodiment, the oxidant gas heated by the electric heater 44 can be introduced to the upstream side of the regulating valve 47 in the reaction air supply line 41 via the supply line 70. Therefore, when the regulating valve 47 is opened, the oxidant gas heated by the electric heater 44 and the oxidant gas that becomes the outside air temperature from the reaction air blower 20 are mixed, and the oxidant gas in the regenerated heat exchanger 40 is mixed. Can be supplied to the entrance of. As a result, the oxidant gas supplied to the inlet of the regenerative heat exchanger 40 becomes higher than the outside air temperature, and even when the temperature of the inlet is raised, the sudden temperature change due to the supply of the oxidant gas is suppressed, and the regenerated heat is suppressed. Damage to the exchanger 40 can be avoided.

なお、上記各実施の形態では、加熱器として電気ヒータ44を用いた場合を例示して説明したが、加熱器としてそれ以外の加熱機構を用いてもよい。例えば、バーナーである。 In each of the above embodiments, the case where the electric heater 44 is used as the heater has been described as an example, but other heating mechanisms may be used as the heater. For example, a burner.

また、上記各実施の形態では、図2Aに示すように、時間t1後の温度検出部46の検出結果となる電気ヒータ44の出力を一定としたが、再生熱交換器40の出力に応じて電気ヒータ44の出力を低下させる制御を制御部60にて実施してもよい。この場合、再生熱交換器40の出力分、電気ヒータ44の出力を下げて運転でき、起動時間が若干長くなる場合があるものの起動時の消費電力を削減することができる。言い換えると、起動時間の短縮効果と、消費電力を削減効果とをバランス良く得ることができる。 Further, in each of the above embodiments, as shown in FIG. 2A, the output of the electric heater 44, which is the detection result of the temperature detection unit 46 after the time t1, is kept constant, but it depends on the output of the regenerative heat exchanger 40. The control unit 60 may perform control to reduce the output of the electric heater 44. In this case, the output of the electric heater 44 can be reduced by the output of the regenerative heat exchanger 40 for operation, and the start-up time may be slightly longer, but the power consumption at the time of start-up can be reduced. In other words, the effect of shortening the startup time and the effect of reducing power consumption can be obtained in a well-balanced manner.

また、第2の実施の形態では、第1の実施の形態における図3のグラフにて実線で示した調整弁47の制御を実施しなくてもよいが、かかる制御を実施した方が、再生熱交換器40の破損をより良く抑制することができる。 Further, in the second embodiment, it is not necessary to control the regulating valve 47 shown by the solid line in the graph of FIG. 3 in the first embodiment, but it is better to carry out such control for regeneration. Damage to the heat exchanger 40 can be better suppressed.

なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。 The present invention is not limited to each of the above embodiments, and can be modified in various ways. In the above embodiment, the size, shape, function, and the like of the components shown in the accompanying drawings are not limited to this, and can be appropriately changed within the range in which the effects of the present invention are exhibited. In addition, it can be appropriately modified and implemented as long as it does not deviate from the scope of the object of the present invention.

本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、起動時における再生熱交換器の破損を抑制でき、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システム及びその運転方法に適用して好適である。 The fuel cell system and its operating method of the present invention can suppress damage to the regenerated heat exchanger at the time of starting, and are suitable for application to the fuel cell system and its operating method in household, commercial and all other industrial fields. is there.

1 燃料電池システム
10 固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)
40 再生熱交換器
44 電気ヒータ(加熱器)
47 調整弁
51 温度検出部(第1温度検出部)
52 温度検出部(第2温度検出部)
60 制御部
70 供給ライン
1 Fuel cell system 10 Solid oxide fuel cell (SOFC)
40 Regenerative heat exchanger 44 Electric heater (heater)
47 Control valve 51 Temperature detection unit (1st temperature detection unit)
52 Temperature detection unit (second temperature detection unit)
60 Control unit 70 Supply line

Claims (6)

燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、
前記再生熱交換器に対する前記酸化剤ガスの流量調整を実施する調整弁と、
前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記再生熱交換器における前記酸化剤ガスの入口温度の急変を回避するよう、前記調整弁での流量調整を制御する制御部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
Solid oxide fuel cells that generate electricity through the electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas,
A regenerative heat exchanger that exchanges heat from the exhaust gas from the solid oxide fuel cell with the oxidant gas supplied to the solid oxide fuel cell.
A regulating valve that adjusts the flow rate of the oxidant gas to the regenerated heat exchanger,
A control unit that controls the flow rate adjustment at the regulating valve so as to avoid a sudden change in the inlet temperature of the oxidant gas in the regenerative heat exchanger during a part of the start-up time of the solid oxide fuel cell.
A fuel cell system characterized by having.
前記制御部は、前記調整弁の開弁開始からの経過時間で、前記調整弁の開度を除算した値が、該経過時間が長くなるに従って大きくなるよう該調整弁を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 The control unit is characterized in that the regulating valve is controlled so that the value obtained by dividing the opening degree of the regulating valve by the elapsed time from the start of opening of the regulating valve increases as the elapsed time increases. The fuel cell system according to claim 1. 前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの温度を検出する第1温度検出部と、
前記再生熱交換器に供給される前の前記酸化剤ガスの温度を検出する第2温度検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記第1温度検出部及び前記第2温度検出部の検出結果に応じて、前記調整弁を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
A first temperature detection unit that detects the temperature of the exhaust gas from the solid oxide fuel cell, and
A second temperature detector that detects the temperature of the oxidant gas before it is supplied to the regenerative heat exchanger, and
With
The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control unit controls the adjustment valve according to the detection results of the first temperature detection unit and the second temperature detection unit.
前記制御部は、前記第1温度検出部の検出結果から前記第2温度検出部の検出結果を減算した差を演算し、該差に応じて前記調整弁の開度調整時間を増減することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 The control unit calculates a difference obtained by subtracting the detection result of the second temperature detection unit from the detection result of the first temperature detection unit, and increases or decreases the opening degree adjustment time of the adjustment valve according to the difference. The fuel cell system according to claim 3. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記酸化剤ガスを加熱して前記固体酸化物形燃料電池に供給する加熱器と、
前記加熱器と並列に配置され、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、
前記加熱器で加熱された前記酸化剤ガスを前記再生熱交換器における前記酸化剤ガスの入口の供給する供給ラインと、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
Solid oxide fuel cells that generate electricity through the electrochemical reaction of fuel gas and oxidant gas,
A heater that heats the oxidant gas and supplies it to the solid oxide fuel cell,
A regenerative heat exchanger that is arranged in parallel with the heater and exchanges heat of the exhaust gas from the solid oxide fuel cell with the oxidant gas supplied to the solid oxide fuel cell.
A supply line for supplying the oxidant gas heated by the heater to the inlet of the oxidant gas in the regenerative heat exchanger.
A fuel cell system characterized by having.
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池からの排出ガスの熱を、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記酸化剤ガスに熱交換する再生熱交換器と、前記再生熱交換器に対する前記酸化剤ガスの流量調整を実施する調整弁と、を有する燃料電池システムの運転方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池における起動時間の一部にて、前記再生熱交換器における前記酸化剤ガスの入口温度の急変を回避するよう、前記調整弁での流量を調整する調整ステップを有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
The solid oxide fuel cell that generates power by the electrochemical reaction of the fuel gas and the oxidant gas, and the oxidant gas that supplies the heat of the exhaust gas from the solid oxide fuel cell to the solid oxide fuel cell. A method of operating a fuel cell system, comprising: a regenerative heat exchanger that exchanges heat with the fuel cell, and a regulating valve that adjusts the flow rate of the oxidant gas with respect to the regenerated heat exchanger.
Having an adjustment step for adjusting the flow rate at the adjustment valve so as to avoid a sudden change in the inlet temperature of the oxidant gas in the regenerative heat exchanger at a part of the start-up time of the solid oxide fuel cell. A method of operating a fuel cell system characterized by.
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