JP5505872B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates electric power by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas.

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

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

従来のSOFCにおいては、運転中に燃料ガスの供給系統のマイコンメータが異常を検知したり、地震等に伴う異常が発生した際、或いは補機類のメンテナンスなどを行う際には、運転を一時的に停止させる必要がある。そして、これらの異常などの一時的な要因が解消した後、或いは、メンテナンスが終了した後には、安定した発電に向けて、できるだけ短い時間での迅速な運転の再起動が要求される。
そこで、燃料電池システムにおける運転の再起動の迅速化を図るために、従来のSOFCにおいては、例えば、特許文献1に記載されているように、燃料電池システムの所定の制御処理中に再起動要求がなされた場合には、燃料電池システムの停止処理ルーチンをすべて実行した後に最初の起動処理ルーチンから起動処理を実行するのではなく、起動処理を再起動要求がなされた時点の制御処理と同条件の時点に移行して実行するようにしたものが提案されている。
In the conventional SOFC, when the microcomputer meter of the fuel gas supply system detects an abnormality during operation, an abnormality occurs due to an earthquake, etc., or when maintenance of auxiliary equipment is performed, the operation is temporarily stopped. Must be stopped. And after temporary factors, such as these abnormalities are eliminated, or after a maintenance is complete | finished, the quick restart of driving | operation is requested | required in as short time as possible for stable electric power generation.
Therefore, in order to speed up the restart of operation in the fuel cell system, in the conventional SOFC, for example, as described in Patent Document 1, a restart request is performed during a predetermined control process of the fuel cell system. If the restart process is executed, the start process is not executed from the first start process routine after all the stop process routines of the fuel cell system are executed, but the start process is the same as the control process at the time when the restart request is made. It has been proposed to move to the point of execution and execute.

一方、例えば、特許文献2に記載されている従来のSOFCでは、燃料電池セルスタックを収容している収容容器内に配置することによって熱効率を高めると共に、余剰ガスを収容容器内で燃焼させることによって従来よりも高温の燃焼ガスで加熱でき、低負荷運転時にも水蒸気改質に必要な熱量を得ることができるものが提案されている。この従来のSOFCにおいては、迅速な起動を行うために、起動時に燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度未満の場合には燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱する加熱運転を行い、燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の温度帯域内の温度まで上昇すると、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって燃料改質器を加熱して部分酸化改質反応(以下「POX」と呼ぶ)を行うようになっている。さらに、燃料改質器の温度が水蒸気改質可能温度以上で定常温度未満の温度帯域まで上昇すると、部分酸化反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱と水蒸気改質反応の吸熱を制御して燃料改質器を加熱し、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用したオートサーマル改質反応(以下「ATR」と呼ぶ)を行い、燃料改質器の温度が定常状態になると、燃焼ガスによる燃焼熱により燃料改質器を加熱し、水蒸気改質反応(以下「SR」と呼ぶ)を行うようになっている。すなわち、このような従来のSOFCにおいては、起動時の燃料改質器の温度上昇に伴ってPOX、ATR、SRという順序を踏まえて燃料の改質を行いながら起動を実行するため、安定した迅速な起動ができるようになっている。   On the other hand, for example, in the conventional SOFC described in Patent Document 2, the thermal efficiency is increased by placing the fuel cell stack in a storage container that stores the fuel cell stack, and excess gas is burned in the storage container. Proposals have been made that can be heated with combustion gas at a higher temperature than before, and can obtain the amount of heat necessary for steam reforming even during low-load operation. In this conventional SOFC, in order to perform quick start-up, when the temperature of the fuel reformer is lower than the partial oxidation reaction start temperature at start-up, a heating operation is performed in which the fuel reformer is heated by the combustion heat of the combustion gas. When the temperature of the fuel reformer rises to a temperature within the temperature range above the partial oxidation reaction start temperature and below the steam reformable temperature, the fuel reformer is cooled by the reaction heat of the partial oxidation reaction and the combustion heat of the combustion gas. A partial oxidation reforming reaction (hereinafter referred to as “POX”) is performed by heating. Furthermore, when the temperature of the fuel reformer rises to a temperature range above the steam reformable temperature and below the steady temperature, the reaction heat of the partial oxidation reaction, the combustion heat by the combustion gas, and the heat absorption of the steam reforming reaction are controlled to control the fuel. When the reformer is heated and an autothermal reforming reaction (hereinafter referred to as “ATR”) is performed in combination with partial oxidation reforming and steam reforming, the temperature of the fuel reformer reaches a steady state. The fuel reformer is heated by the combustion heat to perform a steam reforming reaction (hereinafter referred to as “SR”). That is, in such a conventional SOFC, startup is performed while reforming the fuel based on the order of POX, ATR, SR as the temperature of the fuel reformer rises at startup, so that stable and rapid Can be started.

特開2006−269196号公報JP 2006-269196 A 特開2004−319420号公報JP 2004-319420 A

しかしながら、上述した特許文献1及び特許文献2のSOFCにおいては、運転の再起動時には、停止中の燃料電池セルやスタックに残存している余熱も考慮すると燃料電池セルやスタックの一部が高温状態になっていることが少なくない。
これに関し、本発明者らは、このような燃料電池セルやスタックが高温状態にあるときに、特にPOXによって再起動を行うとセルに大きな負担を与えてしまうという重要な新たな課題を見出した。
より具体的には、制御上の改質器温度はPOX運転が可能な状態に見えても、停止運転制御中からの再起動では燃料電池セルやスタックの一部が高温状態となっていることがあるため、燃料改質器の温度が部分酸化反応開始温度以上で水蒸気改質可能温度未満の温度帯域内にあるとしてPOXを行ってしまうと、POXは空気を投入して部分酸化を伴う発熱反応であるため、セルに酸化影響を与えたり、異常な高温状態になることがあり、これがセル自身の耐久性や発電能力を除々に低下させてしまうという重要な課題を見出した。この課題を解決し、さらに再起動に要する時間をも大幅に短縮させることをも実現すべくなされたものである。
However, in the SOFCs of Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, when restarting the operation, a part of the fuel cell or stack is in a high temperature state in consideration of the remaining heat remaining in the stopped fuel cell or stack. There are many cases that become.
In this regard, the present inventors have found an important new problem that when such a fuel cell or stack is in a high temperature state, particularly when restarting by POX, a large burden is placed on the cell. .
More specifically, even if the reformer temperature on the control seems to be in a state where POX operation is possible, the fuel cell or part of the stack is in a high temperature state when restarting from the stop operation control. Therefore, if POX is performed on the assumption that the temperature of the fuel reformer is within the temperature range above the partial oxidation reaction start temperature and lower than the steam reforming temperature, POX generates heat accompanied by partial oxidation by introducing air. Since it is a reaction, the present invention has found an important problem that the cell may have an oxidative effect or become in an abnormally high temperature state, which gradually reduces the durability and power generation capability of the cell itself. In order to solve this problem, the time required for restarting can be greatly shortened.

一方、上述した特許文献1及び特許文献2においては、再起動時にセルを保護しつつ、再起動の更なる迅速化を図るために高温からの温度低下時における再起動時にあっては、通常起動時のPOX温度帯域であるとしても通常起動時のPOXを禁止して、通常起動時のPOXとは異なる再起動制御を実行するという思想については何ら開示も示唆もされておらず、上述した新たな課題を解決するものではない。   On the other hand, in Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, in order to further accelerate the restart while protecting the cell at the time of restart, the normal start is performed at the time of restart at the time of a temperature drop from a high temperature. There is no disclosure or suggestion about the idea of prohibiting POX during normal startup and executing restart control different from POX during normal startup, even if it is in the POX temperature zone at the time. It does not solve a difficult problem.

そこで、本発明は、上述した新たな課題を解決するためになされたものであり、高温からの温度低下を伴った停止時にあっては、通常起動時のPOXとは異なる再起動制御を代わりに実行することにより、セルへの負担を軽減して耐久性を向上させると共に、再起動用に設定された再起動用制御によって再起動を行うため起動時間をセルへの影響を防止しつつ短縮することができる固体電解質型燃料電池(SOFC)を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-described new problem. Instead of restart control that is different from POX at the normal start-up, when the stop is accompanied by a temperature drop from a high temperature. By executing it, the burden on the cell is reduced and durability is improved, and the restart is performed by the restart control set for restart, so the start-up time is shortened while preventing the influence on the cell. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell (SOFC) that can be used.

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型の燃料電池モジュールを備えた固体電解質型燃料電池であって、固体電解質型の燃料電池モジュール内に配置された固体電解質型の燃料電池セルと、燃料ガスを改質して燃料電池セルに供給する改質器であって、所定の温度帯域に応じて燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料ガスを部分酸化改質する改質反応であるPOX、燃料ガスと水蒸気を化学反応させることにより燃料ガスを水蒸気改質する改質反応であるSR、及び、POXとSRとを併用させることにより燃料ガスをオートサーマル改質する改質反応であるATRの改質反応によって燃料ガスを水素に改質する改質器と、改質器による改質状態を変更するための改質器温度を検出する改質器温度検出手段と、燃料電池モジュールの運転を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、燃料電池モジュールの運転の起動を制御する起動制御手段と、燃料電池モジュールの運転の停止を制御する停止制御手段と、を備え、起動制御手段は、燃料ガスを着火して燃焼させた後、改質器温度検出手段が検出した改質器温度が、POXが開始するPOX開始温度よりも低い場合には燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼熱のみによって改質器を昇温させる燃焼運転を実行し、改質器温度がPOX開始温度以上であり且つ水蒸気改質が可能な温度未満のPOX温度帯域内にある場合には、改質器を昇温させるために通常起動時のPOXを実行し、改質器温度が水蒸気改質が可能な温度以上であり且つ所定の定常温度未満のATR温度帯域内にある場合には、改質器を昇温させるために通常起動時のATRを実行し、改質器温度が、所定の定常温度以上である場合には、改質器を昇温させるために通常起動時のSRを実行し、起動制御手段は、更に、燃料電池モジュールが高温状態からの停止に伴って停止制御手段による停止処理が実行され、POX温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、通常起動時のPOXによる起動を禁止し、通常起動時のPOX温度帯域から、この通常起動時のPOX温度帯域の下限値よりも低い下限値を備えた再起動時のPOX温度帯域に変更し、改質器温度が再起動時のPOX温度帯域内の所定温度以上である場合には、改質器温度が所定温度に低下するまで停止制御手段による運転の停止を継続し、改質器温度が所定温度以下となった後に再起動を実行することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃料電池モジュールが高温の状態から停止され停止制御手段によって停止処理が実行されている際に、通常起動時のPOX温度帯域内で再起動が発生した際には、改質器温度が通常起動時のPOX温度帯域内にあっても、通常起動時のPOXによる起動を禁止し、通常起動時のPOX温度帯域から、この通常起動時のPOX温度帯域の下限値よりも低い下限値を備えた再起動時のPOX温度帯域に変更し、改質器温度が再起動時のPOX温度帯域内の所定温度以上である場合には、改質器温度が所定温度に低下するまで停止制御手段による運転の停止を継続し、改質器温度が所定温度以下となった後に再起動を実行する。この結果、通常起動時のPOXをそのまま実行した場合に比べて、見かけ上の温度が低くても燃料電池セルや改質器の一部などに蓄えられた大きな余熱に起因して燃料電池セルに酸化の影響を与えたり、予期しない高温状態にしてしまうことによるセルへの負担を軽減することができ、セルの耐久性を向上させることができる。また、燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用した再起動制御を実行するように工夫したことにより、セルに影響を与えることなく燃料電池モジュールの温度回復を早めて起動時間を短縮することができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell comprising a solid oxide fuel cell module that generates power by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas, A solid electrolyte type fuel cell disposed in an electrolyte type fuel cell module, and a reformer for reforming the fuel gas and supplying the fuel gas to the fuel cell, the fuel gas depending on a predetermined temperature range POX, which is a reforming reaction in which the fuel gas is partially oxidized and reformed by chemically reacting the oxidant gas, SR, which is a reforming reaction in which the fuel gas is steam-reformed by chemically reacting the fuel gas and steam, and A reformer that reforms fuel gas into hydrogen by a reforming reaction of ATR, which is a reforming reaction for autothermal reforming of fuel gas by using POX and SR together, and reforming by the reformer It includes a reformer temperature detection means for detecting the reformer temperature to change the state, and control means for controlling the operation of the fuel cell module, the control means controls the activation of the operation of the fuel cell module And a stop control means for controlling the stop of the operation of the fuel cell module. The start control means ignites and burns the fuel gas, and then detects the reform detected by the reformer temperature detecting means. When the temperature of the organ is lower than the POX start temperature at which POX starts, a combustion operation is performed in which the temperature of the reformer is raised only by the combustion heat of the fuel gas and the oxidant gas, and the reformer temperature starts at POX When the temperature is above the temperature and within the POX temperature range below the temperature at which steam reforming is possible, POX at normal startup is executed to raise the temperature of the reformer , and the reformer temperature is steam reformed. The temperature is higher than possible and If there in in ATR temperature band less than the steady temperature, when running ATR normal startup to raise the temperature of the reformer, the reformer temperature is higher than a predetermined constant temperature, In order to raise the temperature of the reformer, the normal start-up SR is executed, and the start-up control means is further subjected to stop processing by the stop control means when the fuel cell module is stopped from a high temperature state, and the POX temperature band When the operation is restarted in the operation, the start by the POX at the normal start is prohibited, and the lower limit value is lower than the lower limit value of the POX temperature band at the normal start from the POX temperature band at the normal start. When the reformer temperature is equal to or higher than a predetermined temperature within the POX temperature band at the time of restart, stop control is performed until the reformer temperature falls to the predetermined temperature. Continue to stop operation by means and reform The restart is performed after the vessel temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature .
In the present invention configured as described above, when the fuel cell module is stopped from a high temperature state and the stop process is being executed by the stop control means, when the restart occurs within the POX temperature band at the normal start time. Even if the reformer temperature is within the POX temperature band at the normal startup , the startup by the POX at the normal startup is prohibited, and the POX temperature band at the normal startup is changed from the POX temperature band at the normal startup. When the POX temperature band at the time of restarting having a lower limit value lower than the lower limit value is changed and the reformer temperature is equal to or higher than a predetermined temperature within the POX temperature band at the time of restarting, the reformer temperature is set to a predetermined value. The stop of the operation by the stop control means is continued until the temperature is lowered, and the restart is executed after the reformer temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature . As a result, compared with the case where POX at the normal start-up is executed as it is, even if the apparent temperature is low, the fuel cell is caused by the large residual heat stored in the fuel cell or a part of the reformer. The burden on the cell due to the influence of oxidation or an unexpectedly high temperature state can be reduced, and the durability of the cell can be improved. In addition, by devising restart control that actively uses residual heat remaining in the fuel cell and reformer, the temperature recovery of the fuel cell module can be accelerated without affecting the cell. Startup time can be shortened.

本発明において、好ましくは、再起動時のPOX温度帯域は通常起動時のPOX温度帯域の上限値よりも低い上限値を備え、起動制御手段は、改質器温度が、再起動時のPOX温度帯域の上限値と通常起動時のPOX温度帯域の上限値の間の温度帯域ではATRによる再起動を実行し、再起動時のPOX温度帯域の下限値と所定温度の間の温度帯域ではPOXによる再起動を実行し、所定温度と再起動時のPOX温度帯域の上限値の間の温度帯域では再起動を禁止し、改質器温度が所定温度に低下するまで停止制御手段による運転の停止を継続し、所定温度以下となった後にPOXによる再起動を実行する。
このように構成された本発明においては、再起動時に燃料電池セルや改質器に残存している余熱が積極的に利用できる通常起動時のPOXの温度帯域では、ATRを実行するように再起動時のPOX温度帯域の上限値と通常起動時のPOX温度帯域の上限値の間の温度帯域までATRの運転範囲を拡大し、酸化影響のないPOX温度帯域の下限値と所定温度の間の温度帯域ではPOXによる再起動を図り、所定温度と再起動時のPOX温度帯域の上限値の間の温度帯域では再起動を禁止して停止処理制御によって温度降下を図った上で再起動を行うことによってセルへの影響を抑えながら安定した状態でかつ短時間で温度上昇を図ることができる。
In the present invention, preferably, the POX temperature zone at the time of restarting has an upper limit value lower than the upper limit value of the POX temperature zone at the time of normal startup, and the startup control means is configured such that the reformer temperature is the POX temperature at the time of restarting. In the temperature band between the upper limit value of the band and the upper limit value of the POX temperature band at normal startup, restart is performed by ATR , and in the temperature band between the lower limit value of the POX temperature band at restart and the predetermined temperature, by POX Execute the restart, prohibit the restart in the temperature range between the predetermined temperature and the upper limit value of the POX temperature band at the time of restart, and stop the operation by the stop control means until the reformer temperature falls to the predetermined temperature Continue and restart by POX after the temperature falls below the predetermined temperature.
In the present invention configured as described above, the ATR is re- executed so that the ATR is executed in the temperature range of the POX at the normal startup in which the remaining heat remaining in the fuel cell and the reformer can be actively used at the time of the restart. The operating range of the ATR is expanded to a temperature range between the upper limit value of the POX temperature range at startup and the upper limit value of the POX temperature range at normal startup, and between the lower limit value of the POX temperature range that is not affected by oxidation and a predetermined temperature. aims to restart due to a temperature zone in POX, to restart on which attained temperature drop by the stop processing control prohibits restarting the temperature range between the upper limit of the POX temperature band predetermined temperature and reboot Accordingly, it is possible to increase the temperature in a stable state in a short time while suppressing the influence on the cell.

本発明において、好ましくは、再起動時のPOXは、通常起動時のPOXよりも酸化剤ガスの供給量を少なくするように構成されている。
このように構成された本発明においては、固体電解質型燃料電池セルや改質器に残存している余熱を積極的に利用することにより迅速な起動を可能にする一方で、酸化剤ガスが多く投入されることによって余熱の影響で燃料電池セルに酸化影響を与えることを防止できる。
In the present invention, it is preferable that the POX at the time of restarting is configured so that the supply amount of the oxidant gas is smaller than that at the time of normal starting.
In the present invention configured as described above, rapid activation can be achieved by actively utilizing the residual heat remaining in the solid oxide fuel cell and the reformer, while there is a large amount of oxidant gas. By introducing the fuel cell, it is possible to prevent the fuel cell from being oxidized due to the influence of residual heat.

本発明の固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、高温状態からの停止時における再起動時にあっては、通常起動時のPOXを禁止する代わりに、この通常起動時のPOXとは異なる再起動制御を実行することにより、セルへの負担を軽減して耐久性を向上させることができる共に、余熱を積極的に利用した運転によって再起動時の起動時間を大幅に短縮することができる。   According to the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present invention, at the time of restart at the time of stoppage from a high temperature state, instead of prohibiting POX at the time of normal start, the reactivation different from POX at the time of normal start is performed. By executing the startup control, it is possible to reduce the burden on the cell and improve the durability, and it is possible to significantly reduce the startup time at the time of restart by the operation that actively uses the residual heat.

本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。1 is a front sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an 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固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。1 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の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 solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of operation stop of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動時と再起動時の動作の各運転状態における燃料流量、改質用空気流量、発電用空気流量、水流量、及び、改質器及びスタックの移行温度条件を示すデータテーブルである。The fuel flow rate, the reforming air flow rate, the power generation air flow rate, the water flow rate, and the reforming in each operation state of the normal startup and restarting operations of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. It is a data table which shows the transition temperature conditions of a mass device and a stack. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)において再起動を行うための再起動制御フローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the restart control flow for performing restart in the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 図10に示す本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローに基づいて再起動を実行した場合の動作を示すタイムチャートについて、通常起動時の動作を示すタイムチャートと比較した図である。FIG. 10 is a time chart showing the operation at the time of normal startup with respect to the time chart showing the operation when the restart is executed based on the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention. It is the figure compared with.

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

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。)を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、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、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 sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material (not shown, but the heat insulating material is not an essential component and may not be necessary). Is formed. In addition, you may make it not provide a heat insulating material. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. 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の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. ing. Further, an air heat exchanger 22 for receiving combustion heat and heating air is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、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 a pure water tank 26 that stores water from a water supply source 24 such as tap water and uses the filter to obtain pure water, and a water flow rate that adjusts the flow rate of the water supplied from the water storage tank. An adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) is provided. The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjusting unit. 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second for heating the power generating air supplied to the power generation chamber And a heater 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電解質型燃料電池(SOFC)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電解質型燃料電池(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内の密閉空間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 a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an 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, in the sealed space 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2, as described above, the fuel cell assembly 12, the reformer 20, and the air heat exchange are sequentially performed from below. A vessel 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、改質部20b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。   The reformer 20 is provided with a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water and a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof. In addition, in the reformer 20, an evaporation unit 20a and a reforming unit 20b are formed in order from the upstream side, and the reforming unit 20b 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。   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.

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.

次に、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。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。   Next, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The air heat exchanger 22 includes an air aggregation chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side. The air aggregation chamber 70 and the air distribution chamber 72 include six air flow path tubes 74. Connected by. Here, as shown in FIG. 3, three air flow path pipes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is in each set. It flows into each air distribution chamber 72 from the air flow path pipe 74.

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72, the air introduction pipe 76 extends downward, and the lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10, and the air that has been preheated in the power generation chamber 10. Is introduced.

次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
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。
Next, an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. Further, as shown in FIG. 3, an exhaust gas passage 80 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 6 a and the rear surface 6 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end side of the exhaust gas passage 80 is formed. Is in communication with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side is in communication with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG.
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は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
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. 4 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
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16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、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 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、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電解質型燃料電池(SOFC)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の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板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68a及び100a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) 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 the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are a ceramic lower support plate 68 and an upper side, respectively. It is supported by the support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 68a and 100a 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の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。   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 entire outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. And an air electrode connecting portion 102b electrically connected to each other. The air electrode connecting portion 102b is formed of a vertical portion 102c extending in the vertical direction on the surface of the outer electrode layer 92 and a plurality of horizontal portions 102d extending in a horizontal direction along the surface of the outer electrode layer 92 from the vertical portion 102c. Has been. The fuel electrode connection portion 102a is linearly directed obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connection portion 102b toward the inner electrode terminal 86 positioned in the vertical direction of the fuel cell unit 16. It extends.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。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の外部端子104(図示せず)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。   Further, the inner electrode terminals 86 at the upper end and the lower end of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14 (the far left side and the near side in FIG. 5) are external terminals, respectively. 104 is connected. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 (not shown) of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, the 160 fuel cell units 16 Everything is connected in series.

次に図6により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池1は、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。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user. A device 112, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing an alarm (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

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(水蒸気)の流量を検出するためのものである。
水位センサ136は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water flow rate sensor 134 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20.
The water level sensor 136 is for detecting the water level of the pure water tank 26.
The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
The exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ142は、図3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、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 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) 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。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
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.
Further, the control unit 110 sends a control signal to the inverter 54 to control the power supply amount.

次に図7により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a time chart showing the operation at the time of startup of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to one embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the fuel cell module 2, the operation is started in a no-load state, that is, in a state where a circuit including the fuel cell module 2 is opened. At this time, since no current flows through the circuit, the fuel cell module 2 does not generate power.

先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の空気用熱交換器22へ供給し、この発電用空気が、発電室10及び燃焼室18に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjustment unit 44 to the reformer 20 of the fuel cell module 2 via the first heater 46. At the same time, the power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the air heat exchanger 22 of the fuel cell module 2 via the second heater 48, and this power generation air is supplied to the power generation chamber 10 and the combustion chamber. Reach chamber 18.
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38, and the fuel gas mixed with the reforming air passes through the reformer 20, the fuel cell stack 14, and the fuel cell unit 16, and It reaches the combustion chamber 18.

次に、点火装置83により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器22内の発電用空気も暖める。   Next, the ignition device 83 is ignited to burn the fuel gas and air (reforming air and power generation air) in the combustion chamber 18. Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, and the power generation chamber 10 is warmed by the exhaust gas, and when the exhaust gas rises in the sealed space 8 of the fuel cell module 2, The fuel gas containing the reforming air is warmed, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is also warmed.

このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管64により燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。   At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the reformer 20 by the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44. The partial oxidation reforming reaction POX shown in FIG. Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the startability is good. Further, the heated fuel gas is supplied to the lower side of the fuel cell stack 14 through the fuel gas supply pipe 64, whereby the fuel cell stack 14 is heated from below, and the combustion chamber 18 also has the fuel gas and air. The fuel cell stack 14 is also heated from above, and as a result, the fuel cell stack 14 can be heated substantially uniformly in the vertical direction. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction between the fuel gas and air continues in the combustion chamber 18.

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

部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ148により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。   When the reformer temperature sensor 148 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate adjustment unit 28 and the fuel flow rate adjustment unit 38 are detected. In addition, the reforming air flow rate adjusting unit 44 supplies a gas in which fuel gas, reforming air, and water vapor are mixed in advance to the reformer 20. At this time, in the reformer 20, an autothermal reforming reaction ATR in which the partial oxidation reforming reaction POX described above and a steam reforming reaction SR described later are used proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 20 in a thermally independent state. That is, when oxygen (air) is large, heat generation by the partial oxidation reforming reaction POX is dominant, and when there is much steam, an endothermic reaction by the steam reforming reaction SR is dominant. At this stage, the initial stage of startup has already passed, and the temperature inside the power generation chamber 10 has been raised to a certain temperature. Therefore, even if the endothermic reaction is dominant, no significant temperature drop is caused. Further, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18 even while the autothermal reforming reaction ATR is in progress.

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

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

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

このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置83により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セル84の温度が燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。   In this way, after the fuel cell module 2 is ignited by the ignition device 83, the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed in sequence, so that the inside of the power generation chamber 10 The temperature gradually increases. Next, when the temperature in the power generation chamber 10 and the fuel cell 84 reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature at which the fuel cell module 2 is stably operated, the circuit including the fuel cell module 2 is closed, and the fuel cell Power generation by the module 2 is started, so that a current flows in the circuit. Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell 84 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 84 also rises. As a result, the rated temperature at which the fuel cell module 2 is operated becomes, for example, 600 ° C. to 800 ° C.

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル84で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the fuel cell 84 are supplied, and combustion in the combustion chamber 18 is continued. During power generation, power generation proceeds in a steam reforming reaction SR with high reforming efficiency.

次に、図8により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を説明する。図8は、本実施形態により固体電解質型燃料電池(SOFC)の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
Next, the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is stopped will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a time chart showing the operation when the solid oxide fuel cell (SOFC) is stopped according to this embodiment.
As shown in FIG. 8, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, first, the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28 are operated to supply fuel gas and water vapor to the reformer 20. Reduce the amount.

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

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

次に、図9〜図11を参照して、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による再起動時の動作を説明する。図9は、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動時と再起動時の動作の各運転状態における燃料流量、改質用空気流量、発電用空気流量、水流量、及び、改質器及びスタックの移行温度条件を示すデータテーブルである。   Next, with reference to FIG. 9 to FIG. 11, the operation at the time of restart by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described. FIG. 9 shows the fuel flow rate, the reforming air flow rate, the power generation air flow rate, the water flow rate, and the flow rate of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment in each operation state during normal startup and restart. It is a data table which shows the transition temperature conditions of a reformer and a stack.

まず、図9に示すように、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)は、上述した図7に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作と同一の動作を運転の通常起動時の動作として実行する制御モード(以下「通常起動モード」)を備えている。
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)は、図8に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の停止動作が実行されている状態で運転の起動(いわゆる「再起動」)が要求された場合にこの運転の再起動を実行する再起動制御モード(以下「再起動モード」)を備え、これらの再起動モードのそれぞれは、対応する再起動制御フローに基づいて実行されるようになっている。
なお、図9における通常起動モード及び再起動モードの詳細については後述する。
First, as shown in FIG. 9, the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment has the same operation as the operation at the time of starting the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. Is controlled as an operation at the normal start of operation (hereinafter referred to as “normal start mode”).
In addition, the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment starts operation (so-called “restart” in a state where the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. 8 is stopped. )), A restart control mode (hereinafter referred to as “restart mode”) is executed to restart the operation when requested, and each of these restart modes is executed based on a corresponding restart control flow. It has come to be.
Details of the normal startup mode and the restart mode in FIG. 9 will be described later.

つぎに、図10により、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローを具体的に説明する。図10は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)において再起動を行うための再起動制御フローを示すフローチャートである。図10において、Sは各ステップを示している。
まず、S1において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中である場合には、S2に進み、再起動を要求するか否かを判定する。
Next, the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be specifically described with reference to FIG. FIG. 10 is a flowchart showing a restart control flow for restarting a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. In FIG. 10, S indicates each step.
First, in S1, it is determined whether or not the fuel cell module 2 is in a stop operation. If the fuel cell module 2 is in a stop operation, the process proceeds to S2 and it is determined whether or not a restart is requested.

S2において、再起動を要求すると判定した場合には、S3に進み、改質器20による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出手段の一部である改質器温度センサ148により改質器20の温度(以下「改質器温度Tr」)を測定した後、S4に進み、改質器20による改質状態を変更するための改質状態温度を検出する改質状態温度検出手段の一部である発電室温度センサ142により燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の近傍の温度であるスタック温度Tsを測定する。
つぎに、S5に進み、改質器温度Trが500℃以上であるか否かを判定する。
If it is determined in S2 that a restart is required, the process proceeds to S3, where the reforming which is part of the reforming state temperature detecting means for detecting the reforming state temperature for changing the reforming state by the reformer 20 is performed. After the temperature of the reformer 20 (hereinafter, “reformer temperature Tr”) is measured by the temperature sensor 148, the process proceeds to S4, and the reformed state temperature for changing the reformed state by the reformer 20 is detected. The stack temperature Ts, which is the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 (that is, the fuel cell 84 itself), is measured by the power generation chamber temperature sensor 142 which is a part of the reforming state temperature detecting means.
Next, it progresses to S5 and it is determined whether the reformer temperature Tr is 500 degreeC or more.

S5において、改質器温度Trが500℃以上でないと判定した場合には、S6に進み、改質器温度Trが200℃未満であるか否かを判定する。
S6において、改質器温度Trが200℃未満でない、すなわち、改質器温度Trが200℃以上500℃未満であると判定した場合には、S7に進み、改質器温度Trが200℃以上230℃未満であるか否かを判定する。
In S5, when it is determined that the reformer temperature Tr is not 500 ° C. or higher, the process proceeds to S6, and it is determined whether or not the reformer temperature Tr is less than 200 ° C.
If it is determined in S6 that the reformer temperature Tr is not less than 200 ° C., that is, the reformer temperature Tr is 200 ° C. or more and less than 500 ° C., the process proceeds to S7, where the reformer temperature Tr is 200 ° C. or more. It is determined whether the temperature is less than 230 ° C.

S7において、改質器温度Trが200℃以上230℃未満でない、すなわち、改質器温度Trが230℃以上500℃未満であると判定した場合には、S8に進み、点火装置83による燃料ガスの着火を禁止して再起動を保留し、停止運転を継続させる。
そして、改質器温度Trが200℃以上230℃未満の温度帯域内まで低下した時点で、S7からS9に進み、点火装置83による燃料ガスの着火を開始し、この着火直後に図9に示すデータテーブル中の「再起動モード」による「再起動POX」を実行する。
If it is determined in S7 that the reformer temperature Tr is not 200 ° C. or higher and lower than 230 ° C., that is, the reformer temperature Tr is 230 ° C. or higher and lower than 500 ° C., the process proceeds to S8, and the fuel gas from the ignition device 83 The ignition is prohibited, the restart is put on hold, and the stop operation is continued.
Then, when the reformer temperature Tr decreases to a temperature range of 200 ° C. or higher and lower than 230 ° C., the process proceeds from S7 to S9, and ignition of the fuel gas by the ignition device 83 is started. “Restart POX” by “restart mode” in the data table is executed.

また、S5において、改質器温度Trが500℃以上であると判定した場合には、S10に進み、改質器温度Trが600℃以上であるか否かを判定する。
S10において、改質器温度Trが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが500℃以上600℃未満であると判定した場合には、S11に進み、図9に示すデータテーブル中の「再起動モード」による「通常起動ATR」を実行する。
In S5, when it is determined that the reformer temperature Tr is 500 ° C. or higher, the process proceeds to S10, and it is determined whether or not the reformer temperature Tr is 600 ° C. or higher.
In S10, when it is determined that the reformer temperature Tr is not 600 ° C. or higher, that is, the reformer temperature Tr is 500 ° C. or higher and lower than 600 ° C., the process proceeds to S11, and “in the data table shown in FIG. The “normal start ATR” is executed in the “restart mode”.

一方、S10において、改質器温度Trが600℃以上であると判定した場合には、S12に進み、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが600℃以上であるか否かを判定する。
S12において、スタック温度Tsが600℃以上であると判定した場合には、S13に進み、図9に示すデータテーブル中の「再起動モード」による「通常起動SR」を実行する。一方、S12において、スタック温度Tsが600℃以上でない、すなわち、改質器温度Trが600℃以上であるにもかかわらず、スタック温度Tsが600℃未満であると判定した場合には、S11に進み、図9に示すデータテーブル中の「再起動モード」による「通常起動ATR」を実行する。
On the other hand, when it is determined in S10 that the reformer temperature Tr is 600 ° C. or higher, the process proceeds to S12, in which it is determined whether or not the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 600 ° C. or higher. To do.
If it is determined in S12 that the stack temperature Ts is 600 ° C. or higher, the process proceeds to S13, and “normal start SR” is executed in the “restart mode” in the data table shown in FIG. On the other hand, if it is determined in S12 that the stack temperature Ts is not 600 ° C. or higher, that is, the reformer temperature Tr is 600 ° C. or higher, but the stack temperature Ts is lower than 600 ° C., the process proceeds to S11. Then, the “normal activation ATR” is executed by the “reactivation mode” in the data table shown in FIG.

つぎに、S1において、燃料電池モジュール2が停止運転中か否かを判定し、停止運転中でない場合には、S14に進み、起動中の失火に基づく再起動の要求があるか否かを判定する。
S14において、失火に基づく再起動の要求があると判定した場合、及び、S6において、改質器温度Trが200℃未満であると判定した場合には、温度センサーの値は見かけ上高くても燃料電池モジュール全てが長時間高温状態になっているわけではないので満遍なく蓄熱されている状況にないことから余熱に基く再起動制御が実行できる状況にはないのでS15に進み、図9に示すデータテーブル中の「通常起動モード」に基いて再起動を実行する。
Next, in S1, it is determined whether or not the fuel cell module 2 is in a stop operation. If the fuel cell module 2 is not in a stop operation, the process proceeds to S14 to determine whether or not there is a request for restart based on misfire during startup. To do.
If it is determined in S14 that there is a restart request based on misfire, and if it is determined in S6 that the reformer temperature Tr is lower than 200 ° C., the value of the temperature sensor may be apparently high. Since not all of the fuel cell modules have been in a high temperature state for a long time, there is no situation in which heat is uniformly stored, so there is no situation in which restart control based on residual heat is possible, so the process proceeds to S15 and the data shown in FIG. Reboot is executed based on the “normal start mode” in the table.

つぎに、図9〜図11を参照しながら、図10に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローに基づいて再起動を実行した場合の動作をより具体的に説明する。
図11は、図10に示す本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローに基づいて再起動を実行した場合の動作を示すタイムチャートについて、通常起動時の動作を示すタイムチャートと比較した図である。
なお、図11の上段のタイムチャートは、図9に示すデータテーブル中の「通常起動モード」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常起動の動作を示すタイムチャートであり、図11の下段のタイムチャートは、図9に示すデータテーブル中の「再起動モード」を実行した場合における固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動の動作を示すタイムチャートである。
Next, with reference to FIGS. 9 to 11, the operation when the restart is executed based on the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. 10 will be described more specifically. explain.
FIG. 11 is a time chart showing the operation at the time of normal startup in the time chart showing the operation when the restart is executed based on the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment shown in FIG. It is the figure compared with the chart.
The upper time chart of FIG. 11 is a time chart showing the normal start operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) when the “normal start mode” in the data table shown in FIG. 9 is executed. 11 is a time chart showing the restart operation of the solid oxide fuel cell (SOFC) when the “restart mode” in the data table shown in FIG. 9 is executed.

また、以下の本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の再起動制御フローに基づく再起動の動作の説明については、図9に示す「通常起動モード」と「再起動モード」に関するデータテーブルのみを参照すると共に、図11に示す本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)の「再起動モード」による再起動時の動作について、「通常起動モード」による通常起動時の動作と比較しながら説明する。   For the description of the restart operation based on the restart control flow of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment below, a data table relating to the “normal start mode” and the “restart mode” shown in FIG. 11 is compared with the operation at the time of restart in the “restart mode” of the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present embodiment shown in FIG. 11 compared with the operation at the time of normal start in the “normal start mode”. While explaining.

まず、図9に示す「通常起動モード」のデータテーブルの見方について説明する。
図9に示す「通常起動モード」の「状態」という欄は、上段から下段に向かって時系列順に通常起動時の各運転状態をそれぞれ表したものであり、各運転状態について、「着火時」、「燃焼運転」、「通常起動POX」、「通常起動ATR」、「通常起動SR」と略記して区別している。
ちなみに、図11における「通常起動モード」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt1とし、順次「通常起動POX」、「通常起動ATR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt2、t3、及び、t4とし、時間tにおいて改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度をTr(t)とし、時間tにおいて発電室温度センサ142により測定されたスタック温度をTs(t)とする。
First, how to read the “normal start mode” data table shown in FIG. 9 will be described.
The column “state” of “normal start mode” shown in FIG. 9 represents each operation state at the time of normal start from the upper stage toward the lower stage, and for each operation state, “at the time of ignition”. , “Combustion operation”, “normal start POX”, “normal start ATR”, and “normal start SR”.
By the way, for the time t which is the horizontal axis of the time chart of “normal start mode” in FIG. 11, the time of “ignition” is t1, and “normal start POX”, “normal start ATR”, and “normal start” The times when shifting to the “start-up SR” are t2, t3, and t4, respectively, the temperature of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 at the time t is Tr (t), and power generation is performed at the time t. Let the stack temperature measured by the room temperature sensor 142 be Ts (t).

図9に示す「通常起動モード」の「着火時」という運転状態は、点火装置83を点火し、燃料ガスが着火して燃焼を開始した状態であり、この着火時(t=t1)に改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度を「着火時温度Tr(t1)」とすると、この着火時温度Tr(t1)は、POXが開始するとき(t=t2)の改質器20の温度(以下「POX開始温度Tr(t2)」)(=300℃)よりも低くなっている。   The operation state of “at the time of ignition” in the “normal start mode” shown in FIG. 9 is a state in which the ignition device 83 is ignited, the fuel gas is ignited and combustion is started, and is changed to this ignition time (t = t1). Assuming that the temperature of the reformer 20 detected by the mass temperature sensor 148 is “ignition temperature Tr (t1)”, the ignition temperature Tr (t1) is reformed when POX starts (t = t2). The temperature is lower than the temperature of the vessel 20 (hereinafter “POX start temperature Tr (t2)”) (= 300 ° C.).

つぎに、「通常起動モード」の「燃焼運転」という運転状態は、燃料ガスの着火後に燃焼を開始してから、この燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を加熱して燃焼運転を実行する制御帯域(以下「燃焼運転制御帯域B1」)で起動を制御しており、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度が着火時温度Tr(t1)からPOX開始温度Tr(t2)(=300℃)未満までの温度帯域W1で実行されるものである。   Next, in the operation state of “combustion operation” in the “normal start mode”, after starting combustion after ignition of the fuel gas, the reformer 20 is heated by the combustion heat of the fuel gas and the combustion operation is executed. The activation is controlled in the control zone (hereinafter referred to as “combustion operation control zone B1”), and the temperature of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 changes from the ignition temperature Tr (t1) to the POX start temperature Tr (t2). ) (= 300 ° C.) in the temperature zone W1 up to less than (= 300 ° C.).

つぎに、「通常起動モード」の「通常起動POX」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)がPOX開始温度Tr(t2)(=300℃)以上であり且つSRが可能なSR可能温度(以下「SR可能温度Tr(t3)」)(=600℃)未満までの温度帯域(以下「通常起動POX温度帯域W2」)内にあるとき(300℃≦Tr(t)<600℃)、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を加熱してPOXを実行する制御帯域(以下「通常起動モードPOX制御帯域B2」)で起動を制御している。   Next, in the operation state of “normal start POX” in the “normal start mode”, the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is POX start temperature Tr (t2) (= 300 ° C.). ) When the temperature is within the temperature range (hereinafter referred to as “normal start-up POX temperature range W2”) up to less than SR possible temperature (hereinafter “SR possible temperature Tr (t3)”) (= 600 ° C.) 300 ° C. ≦ Tr (t) <600 ° C.) in a control zone where the reformer 20 is heated by POX reaction heat and fuel gas combustion heat (hereinafter referred to as “normal startup mode POX control zone B2”). Controls startup.

つぎに、「通常起動モード」の「通常起動ATR」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)がSR可能温度Tr(t3)(=600℃)以上であり且つ所定の定常温度Tr(t4)(=650℃)未満までの温度帯域(600℃≦Tr(t)<650℃)(以下「通常起動ATR温度帯域W3」)にあり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが250℃以上600℃未満までの温度帯域(250℃≦Ts<600℃)にあるとき、POXによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱とSRによる吸熱を制御して改質器20を加熱し、ATRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードATR制御帯域B3」)で起動を制御している。   Next, in the operation state “normal start ATR” in the “normal start mode”, the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is the SR possible temperature Tr (t3) (= 600 ° C.). ) Above and in a temperature range (600 ° C. ≦ Tr (t) <650 ° C.) (hereinafter “normal start-up ATR temperature range W3”) up to a predetermined steady-state temperature Tr (t4) (= 650 ° C.), and When the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is in the temperature range of 250 ° C. or higher and lower than 600 ° C. (250 ° C. ≦ Ts <600 ° C.), the reaction heat by POX, the combustion heat of the fuel gas, and SR The reformer 20 is heated by controlling the endotherm, and the activation is controlled in a control band (hereinafter, “normal activation mode ATR control band B3”) in which ATR is executed.

つぎに、「通常起動モード」の「通常起動SR」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が650℃以上の所定の定常温度Tr(t4)であり、且つ、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが600℃以上にある場合にSRを実行する制御帯域(以下「通常起動モードSR制御帯域B4」)で起動を制御している。   Next, an operation state of “normal start SR” in the “normal start mode” indicates that the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is a predetermined steady state temperature Tr (t4) at 650 ° C. or higher. And when the stack temperature Ts measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is 600 ° C. or higher, the startup is controlled in the control band for executing SR (hereinafter referred to as “normal startup mode SR control band B4”). Yes.

なお、図9に示す「燃料流量」という欄は、補機ユニット4の燃料ガス供給手段である燃料流量調整ユニット38から改質器20に供給される燃料ガスの流量[L/min]を示している。
また、図9に示す「改質用空気流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の酸化剤ガス供給手段である空気流量調整ユニット44から、酸化剤ガス加熱手段である第1ヒータ46を経て改質器20に供給される酸化剤ガス(改質用空気)の流量[L/min]を示している。
The column “fuel flow rate” shown in FIG. 9 indicates the flow rate [L / min] of the fuel gas supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38 that is the fuel gas supply means of the auxiliary unit 4 to the reformer 20. ing.
Further, the column “reforming air flow rate” shown in FIG. 9 includes a first oxidant gas heating unit from the air flow rate adjustment unit 44 that is an oxidant gas supply unit of the auxiliary unit 4 in each operation state. The flow rate [L / min] of the oxidizing gas (reforming air) supplied to the reformer 20 through the heater 46 is shown.

さらに、図9に示す「発電用空気流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の発電用空気流量調整ユニット45から第2ヒータ48を経て発電室10に供給される発電用空気の流量[L/min]を示している。
また、図9に示す「水流量」という欄は、各運転状態において、補機ユニット4の純水を生成して改質器20に供給する水供給手段である水流量調整ユニット28から改質器20に供給される純水の流量[cc/min]を示している。
Furthermore, the column “power generation air flow rate” shown in FIG. 9 indicates the power generation air supplied to the power generation chamber 10 from the power generation air flow rate adjustment unit 45 of the auxiliary unit 4 via the second heater 48 in each operation state. The flow rate [L / min] is shown.
Further, the column of “water flow rate” shown in FIG. 9 is reformed from the water flow rate adjustment unit 28 which is a water supply means that generates pure water of the auxiliary unit 4 and supplies it to the reformer 20 in each operation state. The flow rate [cc / min] of pure water supplied to the vessel 20 is shown.

さらに、図9に示す「移行温度条件」の「改質器温度」及び「スタック温度」という欄については、運転状態が次の運転状態に移行する際の改質器20の温度及び燃料電池セルスタック14の温度を示している。
より具体的に説明すると、例えば、「通常起動モード」の「燃焼運転」の状態欄における「移行温度条件」の「改質器温度」は「300℃以上」と示されているが、このことは、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が300℃以上になると、「燃焼運転」の運転状態が「通常起動POX」の運転状態へ移行されることを意味している。
同様に、「通常起動モード」の「通常起動POX」の状態欄における「移行温度条件」の「改質器温度」は「600℃以上」と示されており、「スタック温度」は「250℃以上」と示されているが、このことは、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が600℃以上になり、発電室温度センサ142により測定されたスタック温度Tsが250℃以上になると、「通常起動POX」の運転状態から「通常起動ATR」の運転状態へ移行されることを意味している。
Further, in the columns of “reformer temperature” and “stack temperature” of “transition temperature condition” shown in FIG. 9, the temperature of the reformer 20 and the fuel cell when the operation state shifts to the next operation state. The temperature of the stack 14 is shown.
More specifically, for example, “reformer temperature” of “transition temperature condition” in the “combustion operation” state column of “normal start mode” is indicated as “300 ° C. or higher”. Indicates that when the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 exceeds 300 ° C., the operation state of “combustion operation” is shifted to the operation state of “normal start POX”. I mean.
Similarly, “reformer temperature” of “transition temperature condition” in the “normal start POX” status column of “normal start mode” is indicated as “600 ° C. or higher”, and “stack temperature” is “250 ° C.” This indicates that the temperature Tr (t) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is 600 ° C. or higher, and the stack temperature measured by the power generation chamber temperature sensor 142 is displayed. When Ts becomes 250 ° C. or higher, it means that the operation state of “normal start POX” is shifted to the operation state of “normal start ATR”.

つぎに、図9に示す「再起動モード」のデータテーブルの見方について説明するが、上述した「通常起動モード」のデータテーブルの見方と基本的には同様であるため、「通常起動モード」のデータテーブルとの相違点や特徴的な点に着目して説明する。
まず、図9に示す「再起動モード」の「状態」という欄は、上段から下段に向かって時系列順に再起動時の各運転状態をそれぞれ表したものであり、各運転状態について、「着火時」、「再起動POX」、「着火禁止」、「通常起動ATR」、「通常起動SR」と略記している。
ちなみに、図11における「再起動モード」のタイムチャートの横軸である時間tについては、「着火時」の時間をt11とし、順次「再起動POX」、「通常起動ATR」、及び、「通常起動SR」へと移行するときの時間をそれぞれt12、t13、及び、t14とする。
Next, how to read the “restart mode” data table shown in FIG. 9 will be described. Since it is basically the same as the above-described “normal start mode” data table, Description will be made by paying attention to differences and characteristic points from the data table.
First, the column “state” of “restart mode” shown in FIG. 9 represents each operation state at the time of restart in time series from the upper stage to the lower stage. "Time", "Restart POX", "Ignition prohibited", "Normal start ATR", and "Normal start SR" are abbreviated.
Incidentally, with respect to time t, which is the horizontal axis of the “restart mode” time chart in FIG. 11, the time of “ignition” is set to t11, and “restart POX”, “normal start ATR”, and “normal start” The times when shifting to the “startup SR” are t12, t13, and t14, respectively.

つぎに、図9に示す「再起動モード」の「着火時」という運転状態は、燃料電池モジュール2の停止運転中に再起動が要求された場合に、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t)が、上述した「通常起動モード」の通常起動モードPOX制御帯域B2のPOX開始温度Tr(t2)(=300℃)よりも低い所定温度Tr(t11)(=200℃)未満である場合には、「通常起動モード」に基づく通常起動が「通常起動モード」の着火後の「燃焼運転」から実行されるようになっている(図10のS6及びS15参照)。
一方、改質器20の温度Tr(t11)が所定温度(=200℃)以上である場合には、点火装置83を点火し、燃料ガスの着火後、直ちに「再起動モード」の「再起動POX」の運転状態に移行される(図10のS7及びS9参照)。
なお、図9に示す「再起動モード」の「着火時」の「燃料流量」は5.5[L/min]であり、「通常起動モード」の「着火時」の「燃料流量」(6.0[L/min])よりも少なくなっている。
Next, the operation state of “at the time of ignition” in the “restart mode” shown in FIG. 9 is the modified state detected by the reformer temperature sensor 148 when the restart is requested during the stop operation of the fuel cell module 2. The temperature Tr (t) of the mass device 20 is lower than the POX start temperature Tr (t2) (= 300 ° C.) in the normal startup mode POX control band B2 in the “normal startup mode” described above, which is a predetermined temperature Tr (t11) (= When the temperature is less than 200 ° C., the normal activation based on the “normal activation mode” is executed from the “combustion operation” after the ignition in the “normal activation mode” (see S6 and S15 in FIG. 10). ).
On the other hand, when the temperature Tr (t11) of the reformer 20 is equal to or higher than a predetermined temperature (= 200 ° C.), the ignition device 83 is ignited and immediately after the fuel gas is ignited, The operation state is shifted to “POX” (see S7 and S9 in FIG. 10).
In addition, the “fuel flow rate” of “at the time of ignition” in the “restart mode” shown in FIG. 9 is 5.5 [L / min], and the “fuel flow rate” at the time of “ignition” in the “normal start mode” (6 0.0 [L / min]).

つぎに、図9及び図10のS9に示す「再起動モード」の「再起動POX」という運転状態は、改質器温度センサ148が検出した改質器20の温度Tr(t11)が所定温度(=200℃)以上である場合に、点火装置83を点火し、燃料ガスの着火後、直ちに移行してPOXを実行する制御帯域(以下「再起動モードPOX制御帯域B12」)で再起動を制御している。
この「再起動モード」の再起動モードPOX制御帯域B12で実行される「再起動POX」の運転状態は、「通常起動モード」の通常起動モードPOX制御帯域B2で実行される「通常起動POX」とは異なる運転状態となっている。
Next, in the operation state of “restart POX” in “restart mode” shown in S9 of FIG. 9 and FIG. 10, the temperature Tr (t11) of the reformer 20 detected by the reformer temperature sensor 148 is a predetermined temperature. When the temperature is equal to or higher than (= 200 ° C.), the ignition device 83 is ignited, and after the fuel gas is ignited, restart immediately in the control band (hereinafter referred to as “restart mode POX control band B12”) in which POX is executed. I have control.
The operation state of the “restart POX” executed in the restart mode POX control band B12 in the “restart mode” is “normal start POX” executed in the normal start mode POX control band B2 in the “normal start mode”. It is in a different driving state.

より具体的に説明すると、「再起動モード」の再起動モードPOX制御帯域B12で「再起動POX」が実行される改質器20の温度帯域(以下「再起動POX温度帯域W12」)は、「通常起動モード」の通常起動モードPOX制御帯域B2で「通常起動POX」が実行される通常起動POX温度帯域W2(300℃≦Tr(t)<600℃)よりも低温側の温度帯域(200℃≦Tr(t)<500℃)となっている。
また、「再起動モード」の「再起動POX」の運転状態における「燃料流量」は5.5[L/min]であり、「通常起動モード」の「着火時」及び「燃焼運転」の運転状態における「燃料流量」(6.0[L/min])よりは少ないが、「通常起動モード」の「通常起動POX」の運転状態における「燃料流量」(5.0[L/min])よりは多くなっている。
More specifically, the temperature band of the reformer 20 in which “restart POX” is executed in the restart mode POX control band B12 of “restart mode” (hereinafter “restart POX temperature band W12”) is: Temperature range (200 ° C. ≦ Tr (t) <600 ° C.) on the lower temperature side than the normal startup POX temperature zone W2 (300 ° C. ≦ Tr (t) <600 ° C.) in which “normal startup POX” is executed in the normal startup mode POX control zone B2 of “normal startup mode” C ≦ Tr (t) < 500 ° C.).
In addition, the “fuel flow rate” in the operation state of “restart POX” in “restart mode” is 5.5 [L / min], and “ignition” and “combustion operation” in “normal start mode” are performed. The “fuel flow rate” (5.0 [L / min]) in the “normal start POX” operating state in the “normal start mode” is smaller than the “fuel flow rate” in the state (6.0 [L / min]). More than that.

さらに、「再起動モード」の「再起動POX」の運転状態における「改質用空気流量」は17.0[L/min]であり、「通常起動モード」の「通常起動POX」の運転状態における「改質用空気流量」(18.0[L/min])よりは少なくなっている。   Further, the “reforming air flow rate” in the operation state of “restart POX” in “restart mode” is 17.0 [L / min], and the operation state of “normal start POX” in “normal start mode”. This is less than the “reforming air flow rate” (18.0 [L / min]).

つぎに、図9に示す「再起動モード」の「着火禁止」という運転状態は、点火装置83による燃料ガスの着火を禁止して再起動を禁止し、停止運転を継続させている制御帯域((以下「再起動モード着火禁止制御帯域」)で再起動を制御している(図10のS8参照)。
より具体的に説明すると、「再起動モード」の再起動モード着火禁止制御帯域で「着火禁止」が実行される改質器20の温度帯域(以下「着火禁止温度帯域」)は、「再起動モード」の再起動POX温度帯域W12よりも高温側にある230℃以上500℃未満の温度帯域となっている。
Next, the operation state of “ignition prohibited” in the “restart mode” shown in FIG. 9 prohibits ignition of the fuel gas by the ignition device 83, prohibits restart, and continues the stop operation ( (Hereinafter referred to as “restart mode ignition prohibition control band”) controls the restart (see S8 in FIG. 10).
More specifically, the temperature band of the reformer 20 in which “ignition prohibition” is executed in the restart mode ignition prohibition control band of “restart mode” (hereinafter “ignition prohibition temperature band”) is “restart In the “mode” restart POX temperature zone W12, the temperature zone is 230 ° C. or higher and lower than 500 ° C. on the higher temperature side.

また、「再起動モード」の再起動モード着火禁止制御帯域においては、特に、「再起動モード」の着火禁止温度帯域内の230℃以上500℃未満の部分が「通常起動モード」の通常起動POX温度帯域W2(300℃≦Tr(t)<600℃)内の一部分の温度帯域と重複しているにもかかわらず、「通常起動モード」の「通常起動POX」は実行されない。 In the restart mode ignition prohibition control band of the “restart mode”, in particular, the portion of 230 ° C. or more and less than 500 ° C. within the ignition prohibition temperature band of the “restart mode” is the normal start POX of the “normal start mode”. The “normal startup mode” “normal startup POX” is not executed even though it overlaps with a part of the temperature zone in the temperature band W2 (300 ° C. ≦ Tr (t) <600 ° C.).

さらに、「再起動モード」の再起動モード着火禁止制御帯域においては、改質器温度Trが着火禁止温度帯域内(230℃≦Tr<500℃)から230℃未満に低下した時点で、点火装置83による燃料ガスの着火を開始し、この着火直後に図9に示すデータテーブル中の「再起動モード」による「再起動POX」を実行するようになっている(図10のS7及びS9参照)。   Further, in the restart mode ignition prohibition control zone of the “restart mode”, when the reformer temperature Tr falls from within the ignition prohibition temperature zone (230 ° C. ≦ Tr <500 ° C.) to less than 230 ° C., the ignition device 83 is started, and immediately after this ignition, “restart POX” in “restart mode” in the data table shown in FIG. 9 is executed (see S7 and S9 in FIG. 10). .

つぎに、図9及び図10のS11に示す「再起動モード」の「通常起動ATR」という運転状態は、改質器20の温度Tr(t)が「通常起動モード」の通常起動POX温度帯域W2に相当する温度帯域内にあり、且つ「再起動モード」の着火禁止温度帯域よりも高温側にある500℃以上600℃未満の温度帯域(以下「再起動ATR温度帯域W13」内にあるときに、「通常起動モード」の「通常起動ATR」と同一のATRを実行する制御帯域(以下「再起動モードATR制御帯域B13」)で再起動を制御している。   Next, the operation state of “normal start ATR” in “restart mode” shown in S11 of FIG. 9 and FIG. 10 is the normal start POX temperature band in which the temperature Tr (t) of the reformer 20 is “normal start mode”. It is in the temperature band corresponding to W2 and at a temperature higher than the ignition prohibited temperature band in the “restart mode” and at a temperature higher than 500 ° C. and lower than 600 ° C. (hereinafter, in the “restart ATR temperature band W13”) In addition, the restart is controlled in a control band (hereinafter referred to as “restart mode ATR control band B13”) that executes the same ATR as the “normal start ATR” in the “normal start mode”.

つぎに、図9及び図10のS13に示す「再起動モード」の「通常起動SR」という運転状態は、「通常起動モード」の「通常起動SR」の「移行温度条件」と同一の条件によって「通常起動モード」の「通常起動SR」と同一のSRを実行する制御帯域(以下「再起動モードSR制御帯域B14」)で再起動を制御している。   Next, the operation state “normal start SR” of “restart mode” shown in S13 of FIG. 9 and FIG. 10 is the same as the “transition temperature condition” of “normal start SR” of “normal start mode”. The restart is controlled by a control band (hereinafter referred to as “restart mode SR control band B14”) that executes the same SR as the “normal start SR” of the “normal start mode”.

また、図11に示すように、「再起動モード」の「再起動POX」から「通常起動ATR」に移行するときの時間t13は、「通常起動モード」の「通常起動POX」から「通常起動ATR」に移行するときの時間t3よりも少ない時間となっている。   Also, as shown in FIG. 11, the time t13 when shifting from “restart POX” in “restart mode” to “normal start ATR” is “normal start POX” in “normal start mode”. The time is less than the time t3 when shifting to “ATR”.

さらに、「再起動モード」の「通常起動ATR」から「通常起動SR」に移行するときの時間t14についても、「通常起動モード」の「通常起動ATR」から「通常起動SR」に移行するときの時間t4よりも少ない時間となっており、再起動による起動時間が通常起動による起動時間に比べて短くなっている。   Furthermore, regarding the time t14 when shifting from “normal start ATR” in “restart mode” to “normal start SR”, when shifting from “normal start ATR” in “normal start mode” to “normal start SR” This time is less than the time t4, and the activation time due to restart is shorter than the activation time due to normal activation.

上述した本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローによる再起動制御によれば、燃料電池モジュール2の運転の停止により改質器20の温度Tr(t)が「通常起動モード」の通常起動POX温度帯域W2に相当する温度帯域内にあるときには、燃料電池セルスタック14や改質器20に残存している余熱を積極的に利用することにより、たとえ改質器20の温度Tr(t)が通常起動POX温度帯域W2内にあっても、「通常起動モード」による通常起動モードPOX制御帯域B2の「通常起動POX」の実行を禁止し、この禁止した「通常起動モード」の「通常起動POX」の代わりに、この「通常起動POX」とは異なる再起動制御を実行することができる。
この結果、再起動時に「通常起動モード」による通常起動モードPOX制御帯域B2の通常起動POXの実行を禁止することなくそのまま通常起動POXを実行した場合に比べて、燃料電池セル84の酸化や異常高温による燃料電池セル84への負担を軽減することができ、燃料電池セル84の耐久性を向上させることができる。
According to the restart control by the restart control flow in the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present embodiment described above, the temperature Tr (t) of the reformer 20 is “normally started” by stopping the operation of the fuel cell module 2. When the temperature is within the temperature range corresponding to the normal startup POX temperature range W2 of the “mode”, the residual heat remaining in the fuel cell stack 14 and the reformer 20 is actively used, so that the reformer 20 Even when the temperature Tr (t) is within the normal startup POX temperature band W2, the execution of the “normal startup POX” in the normal startup mode POX control band B2 in the “normal startup mode” is prohibited. Instead of “normally activated POX”, reactivation control different from “normally activated POX” can be executed.
As a result, compared with the case where the normal startup POX is directly executed without prohibiting the execution of the normal startup POX in the normal startup mode POX control band B2 in the “normal startup mode” at the time of restart, the oxidation or abnormality of the fuel cell 84 is performed. The burden on the fuel cell 84 due to the high temperature can be reduced, and the durability of the fuel cell 84 can be improved.

また、燃料電池セル84や改質器20に残存している余熱を積極的に利用して「通常起動モード」の「通常起動POX」とは異なる再起動制御を実行することにより、起動時間を大幅に短縮することができる。
さらに、例えば、起動時の失火に基づいて再起動を行った場合(図10のS14及びS15参照)には、「再起動モード」による再起動を禁止して、「通常起動モード」による起動を実行することができるため、燃料電池セルユニット16のダメージを抑制することができる。
In addition, the remaining heat remaining in the fuel cell 84 and the reformer 20 is actively used to execute the restart control different from the “normal start POX” in the “normal start mode”, thereby reducing the start time. It can be greatly shortened.
Further, for example, when a restart is performed based on a misfire at the time of starting (see S14 and S15 in FIG. 10), the restart in the “restart mode” is prohibited and the start in the “normal start mode” is performed. Since it can perform, the damage of the fuel cell unit 16 can be suppressed.

また、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローによる再起動制御によれば、「再起動モード」の着火禁止温度帯域(230℃≦Tr<500℃)よりも高温側にある「再起動モード」の再起動ATR温度帯域W13(500℃≦Tr<600℃)においては、「通常起動モード」の通常起動モードATR制御帯域B3の通常起動ATRと同一のATRによる再起動を実行する一方で、「再起動モード」の着火禁止温度帯域(230℃≦Tr<500℃)では「通常起動モード」の「通常起動POX」による再起動を禁止すると共に、改質器20の温度Tr(t)が230℃未満に低下するのを待った後に、「再起動モード」の「再起動POX」による再起動を実行するため、高温状態でPOXを実行することによる燃料電池セル84へのダメージを抑制しつつ、POXによる発熱反応によって迅速に燃料電池モジュールの温度回復を図り、速やかに再起動を行うことができる。   Further, according to the restart control by the restart control flow in the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present embodiment, the temperature is higher than the ignition prohibition temperature band (230 ° C. ≦ Tr <500 ° C.) in the “restart mode”. In the “restart mode” restart ATR temperature band W13 (500 ° C. ≦ Tr <600 ° C.), restart by the same ATR as the normal start ATR of the normal start mode ATR control band B3 of the “normal start mode” In the “restart mode” ignition prohibition temperature band (230 ° C. ≦ Tr <500 ° C.), the restart by the “normal start mode” “normal start POX” is prohibited and the reformer 20 After waiting for the temperature Tr (t) to drop below 230 ° C., POX is executed in a high temperature state in order to execute restart by “restart POX” in “restart mode”. While suppressing damage to the fuel cell 84 by, achieving rapid temperature recovery of the fuel cell module by exothermic reaction with POX, it can be quickly restarted.

さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローによる再起動制御によれば、再起動時に燃料電池セル84や改質器20に残存している余熱を積極的に利用して、「再起動モード」の「通常起動ATR」を実行する温度範囲を「通常起動モード」の「通常起動POX」のPOX温度帯域W2内の所定温度以上の範囲(500℃≦Tr<600℃)まで拡大することにより、燃料電池セル84への影響を抑えながら安定した状態で、かつ短時間で温度上昇を図ることができる。
すなわち、再起動時に改質器20や燃料電池セルスタック14に残存している余熱が積極的に利用できる「通常起動モード」のPOXの温度帯域W2(300℃≦Tr<600℃、Ts<250℃)では、「再起動モード」の「通常起動ATR」を実行するように「通常起動モード」のPOXの温度帯域W2(300℃≦Tr<600℃、Ts<250℃)内の所定温度以上(500℃≦Tr<600℃、500℃≦Tr<600℃)まで「再起動モード」の「通常起動ATR」の運転範囲を拡大し、酸化影響のない所定温度以下(200℃≦Tr<230℃)では「再起動モード」の「再起動POX」による再起動を図り、中間温度(230℃≦Tr<500℃)では再起動を禁止して停止処理制御によって温度降下を図った上で再起動を行うことによって、燃料電池セルスタック14への影響を抑えながら安定した状態でかつ短時間で温度上昇を図ることができる。
Furthermore, according to the restart control by the restart control flow in the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present embodiment, the remaining heat remaining in the fuel cell 84 and the reformer 20 at the time of restart is actively used. Then, the temperature range for executing the “normal start ATR” in the “restart mode” is a range equal to or higher than a predetermined temperature in the POX temperature band W2 of the “normal start POX” in the “normal start mode” (500 ° C. ≦ Tr <600 The temperature can be increased in a short time in a stable state while suppressing the influence on the fuel battery cell 84.
That is, the POX temperature band W2 (300 ° C. ≦ Tr <600 ° C., Ts <250) in the “normal startup mode” in which the remaining heat remaining in the reformer 20 and the fuel cell stack 14 can be actively used at the time of restart. ° C.) above the predetermined temperature within the POX temperature band W2 (300 ° C. ≦ Tr <600 ° C., Ts <250 ° C.) so as to execute the “normal start ATR” of the “restart mode”. The operating range of the “normal start ATR” in the “restart mode” is expanded up to (500 ° C. ≦ Tr <600 ° C., 500 ° C. ≦ Tr <600 ° C.) and below a predetermined temperature (200 ° C. ≦ Tr <230 ° C), restart by “Restart POX” in “Restart Mode”, and at intermediate temperatures (230 ° C ≦ Tr <500 ° C), restart is prohibited and the temperature is lowered by stop process control. Launch By Ukoto, a stable condition while suppressing the influence on the fuel cell stack 14 and in a short time can be achieved temperature rise.

また、本実施形態の固体電解質型燃料電池(SOFC)における再起動制御フローによる再起動制御によれば、「再起動モード」の「再起動POX」が実行される再起動モードPOX制御帯域B12においては、燃料電池セル84や改質器20に残存している余熱を積極的に利用することにより迅速な起動を可能にする一方で、「通常起動モード」の「通常起動POX」が実行される通常起動モードPOX制御帯域B2で酸化剤ガス供給手段である改質用空気流量調整ユニット44から改質器20に供給される酸化剤ガス(改質用空気)の供給量よりも少ない酸化剤ガス(改質用空気)によって「再起動POX」を実行することができ、酸化剤ガスが多く投入されることによって余熱の影響で燃料電池セルスタック14に酸化影響を与えることを防止することができる。   Further, according to the restart control by the restart control flow in the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present embodiment, in the restart mode POX control band B12 in which “restart POX” of “restart mode” is executed. Makes it possible to start quickly by actively using the residual heat remaining in the fuel cell 84 and the reformer 20, while executing “normal startup POX” in “normal startup mode”. Oxidant gas smaller than the supply amount of oxidant gas (reformation air) supplied to the reformer 20 from the reforming air flow rate adjustment unit 44 as oxidant gas supply means in the normal startup mode POX control zone B2. “Restart POX” can be executed by (reforming air), and a large amount of oxidant gas can be used to affect the fuel cell stack 14 due to residual heat. It is possible to prevent.

1 固体電解質型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部
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
142 セル温度センサ
150 外気温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit 18 Combustion chamber 20 Reformer 22 Heat exchanger 24 for air Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit 40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 46 First heater 48 Second heater 50 Hot water Manufacturing device 52 Control box 54 Inverter 83 Ignition device 84 Fuel cell 110 Control unit 112 Operating device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor 142 Cell temperature sensor 150 Outside temperature sensor

Claims (3)

燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより発電する固体電解質型の燃料電池モジュールを備えた固体電解質型燃料電池であって、
上記固体電解質型の燃料電池モジュール内に配置された固体電解質型の燃料電池セルと、
燃料ガスを改質して上記燃料電池セルに供給する改質器であって、所定の温度帯域に応じて燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料ガスを部分酸化改質する改質反応であるPOX、燃料ガスと水蒸気を化学反応させることにより燃料ガスを水蒸気改質する改質反応であるSR、及び、上記POXと上記SRとを併用させることにより燃料ガスをオートサーマル改質する改質反応であるATRの改質反応によって燃料ガスを水素に改質する上記改質器と、
上記改質器による改質状態を変更するための改質器温度を検出する改質器温度検出手段と、
上記燃料電池モジュールの運転を制御する制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料電池モジュールの運転の起動を制御する起動制御手段と、上記燃料電池モジュールの運転の停止を制御する停止制御手段と、を備え、
上記起動制御手段は、燃料ガスを着火して燃焼させた後、上記改質器温度検出手段が検出した上記改質器温度が、上記POXが開始するPOX開始温度よりも低い場合には燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼熱のみによって上記改質器を昇温させる燃焼運転を実行し、
上記改質器温度が上記POX開始温度以上であり且つ上記水蒸気改質が可能な温度未満のPOX温度帯域内にある場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のPOXを実行し、
上記改質器温度が上記水蒸気改質が可能な温度以上であり且つ所定の定常温度未満のATR温度帯域内にある場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のATRを実行し、
上記改質器温度が、上記所定の定常温度以上である場合には、上記改質器を昇温させるために通常起動時のSRを実行し、
上記起動制御手段は、更に、上記燃料電池モジュールが高温状態からの停止に伴って上記停止制御手段による停止処理が実行され、上記POX温度帯域内で運転の再起動が実行された場合には、上記通常起動時のPOXによる起動を禁止し、上記通常起動時のPOX温度帯域から、この通常起動時のPOX温度帯域の下限値よりも低い下限値を備えた再起動時のPOX温度帯域に変更し、上記改質器温度が上記再起動時のPOX温度帯域内の所定温度以上である場合には、上記改質器温度が上記所定温度に低下するまで上記停止制御手段による運転の停止を継続し、上記改質器温度が上記所定温度以下となった後に再起動を実行することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell comprising a solid oxide fuel cell module that generates electricity by electrochemically reacting a fuel gas and an oxidant gas,
A solid electrolyte fuel cell disposed in the solid electrolyte fuel cell module;
A reformer for reforming fuel gas and supplying the fuel cell to the fuel cell, wherein the fuel gas is partially oxidized and reformed by chemically reacting the fuel gas and oxidant gas in accordance with a predetermined temperature range. POX, which is a reaction, SR, which is a reforming reaction that reforms a fuel gas by chemically reacting the fuel gas with water vapor, and autothermal reforming of the fuel gas by using the POX and SR together. The reformer for reforming the fuel gas into hydrogen by the reforming reaction of ATR, which is a reforming reaction;
A reformer temperature detecting means for detecting a reformer temperature for changing the reforming state by the reformer;
Control means for controlling the operation of the fuel cell module,
The control means includes start control means for controlling start of operation of the fuel cell module, and stop control means for controlling stop of operation of the fuel cell module,
The start control means ignites and burns the fuel gas, and then the fuel gas is detected when the reformer temperature detected by the reformer temperature detecting means is lower than the POX start temperature at which the POX starts. A combustion operation for raising the temperature of the reformer by only the combustion heat of the oxidant gas and
When the reformer temperature is equal to or higher than the POX start temperature and is within a POX temperature range below the temperature at which the steam reforming is possible, the POX at normal startup is set to raise the temperature of the reformer. Run,
When the reformer temperature is equal to or higher than the temperature at which the steam reforming is possible and is within the ATR temperature range below a predetermined steady temperature, the ATR during normal startup is set to raise the temperature of the reformer. Run,
When the reformer temperature is equal to or higher than the predetermined steady temperature, the SR at normal startup is executed to raise the temperature of the reformer,
When the fuel cell module is stopped from the high temperature state, a stop process is performed by the stop control unit, and when the operation is restarted within the POX temperature band, Start by POX at the time of normal startup is prohibited, and the POX temperature band at the time of normal startup is changed to the POX temperature band at the time of restart having a lower limit value lower than the lower limit value of the POX temperature band at the time of normal startup If the reformer temperature is equal to or higher than the predetermined temperature within the POX temperature range at the time of restart, the stop control means continues to stop the operation until the reformer temperature falls to the predetermined temperature. And a restart is performed after the reformer temperature becomes equal to or lower than the predetermined temperature .
上記再起動時のPOX温度帯域は通常起動時のPOX温度帯域の上限値よりも低い上限値を備え、上記起動制御手段は、上記改質器温度が、再起動時のPOX温度帯域の上限値と通常起動時のPOX温度帯域の上限値の間の温度帯域ではATRによる再起動を実行し、再起動時のPOX温度帯域の下限値と上記所定温度の間の温度帯域ではPOXによる再起動を実行し、上記所定温度と再起動時のPOX温度帯域の上限値の間の温度帯域では再起動を禁止し、上記改質器温度が上記所定温度に低下するまで上記停止制御手段による運転の停止を継続し、所定温度以下となった後にPOXによる再起動を実行する請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。 The POX temperature zone at the time of restarting has an upper limit value lower than the upper limit value of the POX temperature zone at the time of normal startup, and the startup control means is configured such that the reformer temperature is the upper limit value of the POX temperature zone at the time of restarting. Is restarted by ATR in the temperature range between the upper limit of the POX temperature band at normal startup and POX in the temperature band between the lower limit of the POX temperature band at restart and the predetermined temperature. Execute and prohibit the restart in the temperature range between the predetermined temperature and the upper limit value of the POX temperature range at the time of restart, and stop the operation by the stop control means until the reformer temperature falls to the predetermined temperature The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein the restart is performed by POX after the temperature reaches a predetermined temperature or lower. 上記再起動時のPOXは、上記通常起動時のPOXよりも酸化剤ガスの供給量を少なくするように構成されている請求項1又は請求項2に記載の固体電解質型燃料電池。 The restart of the POX, the solid electrolyte fuel cell according to claim 1 or claim 2 is configured so as to reduce the supply of the oxidizing gas than POX of the normal startup.
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