JP5701233B2 - Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system - Google Patents

Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system Download PDF

Info

Publication number
JP5701233B2
JP5701233B2 JP2012036309A JP2012036309A JP5701233B2 JP 5701233 B2 JP5701233 B2 JP 5701233B2 JP 2012036309 A JP2012036309 A JP 2012036309A JP 2012036309 A JP2012036309 A JP 2012036309A JP 5701233 B2 JP5701233 B2 JP 5701233B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel
cell
inert gas
solid oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2012036309A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2013171782A (en
Inventor
重徳 末森
重徳 末森
山下 晃弘
晃弘 山下
眞竹 徳久
徳久 眞竹
勝仁 桐木平
勝仁 桐木平
陽喜 椋本
陽喜 椋本
冨田 和男
和男 冨田
吉田 慎
慎 吉田
靖崇 浦下
靖崇 浦下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Power Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd filed Critical Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Priority to JP2012036309A priority Critical patent/JP5701233B2/en
Publication of JP2013171782A publication Critical patent/JP2013171782A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5701233B2 publication Critical patent/JP5701233B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の運転方法及び固体酸化物形燃料電池システム、並びに、当該固体酸化物形燃料電池を備える複合発電システムの運転方法及び複合発電システムに関する。   The present invention relates to a method for operating a solid oxide fuel cell, a solid oxide fuel cell system, a method for operating a combined power generation system including the solid oxide fuel cell, and a combined power generation system.

固体酸化物形燃料電池の一例として、円筒型固体酸化物形燃料電池が知られている。円筒型固体酸化物形燃料電池において、複数の円筒形状のセルスタックが電気的に並列に接続されて燃料電池内部に収容される。各セルスタックにおいて、例えばカルシウム安定化ジルコニア(CSZ)とされる多孔質の基体管上に、燃料極、固体電解質膜、及び、空気極が積層されたセルが複数形成され、隣接するセルがインターコネクタで連結される。   A cylindrical solid oxide fuel cell is known as an example of the solid oxide fuel cell. In a cylindrical solid oxide fuel cell, a plurality of cylindrical cell stacks are electrically connected in parallel and accommodated in the fuel cell. In each cell stack, for example, a plurality of cells in which a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode are stacked are formed on a porous substrate tube made of calcium-stabilized zirconia (CSZ), and adjacent cells are connected to each other. Connected with a connector.

上記セルにおいて、燃料極は、一般にNiとイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が混合された物とされる。空気極は、導電性を有する酸化物とされ、例えばLaMnO系材料、LaFeO系材料、LaCoO系材料などが用いられる。 In the cell, the fuel electrode is generally a mixture of Ni and yttria stabilized zirconia (YSZ). The air electrode is an oxide having conductivity, and for example, a LaMnO 3 based material, a LaFeO 3 based material, a LaCoO 3 based material or the like is used.

固体酸化物形燃料電池は、900℃近傍で運転される。固体酸化物形燃料電池の運転時では、燃料極には燃料ガス(Hガス、CHガス等)が流通しているため、燃料極のNiは還元状態に保たれている。しかし、緊急停止時などの燃料電池の停止時においては、燃料ガスの供給が遮断される。この場合、空気極側に酸素を含む酸化ガス(空気等)が流通していると、酸化ガスが固体電解質膜で消費されることなく燃料極に到達する。運転温度に近い高温状態では、Niが酸素と反応してNiOが生成するが、この反応は大きな体積変化を伴うものである。このため、燃料極において大きな応力が発生して、基体管の破損に繋がる。 The solid oxide fuel cell is operated at around 900 ° C. During operation of the solid oxide fuel cell, since fuel gas (H 2 gas, CH 4 gas, etc.) is flowing through the fuel electrode, Ni in the fuel electrode is maintained in a reduced state. However, when the fuel cell is stopped, such as during an emergency stop, the supply of fuel gas is interrupted. In this case, when an oxidizing gas (such as air) containing oxygen is circulated on the air electrode side, the oxidizing gas reaches the fuel electrode without being consumed by the solid electrolyte membrane. In a high temperature state close to the operating temperature, Ni reacts with oxygen to produce NiO, but this reaction is accompanied by a large volume change. For this reason, a large stress is generated in the fuel electrode, which leads to breakage of the base tube.

この場合、Niの酸化速度が小さい低温(例えば150℃以下)に固体酸化物形燃料電池を冷却すれば、NiOの生成及びこれによる基体管の損傷を防止することが可能である。しかし、燃料電池を再稼働させる場合に、セルスタックを運転温度まで再度加熱する必要があるので、大きなエネルギー損失と起動時間の増加とが発生することになる。   In this case, if the solid oxide fuel cell is cooled to a low temperature (for example, 150 ° C. or less) at which the oxidation rate of Ni is low, it is possible to prevent NiO generation and damage to the base tube. However, when the fuel cell is restarted, it is necessary to reheat the cell stack to the operating temperature, resulting in a large energy loss and an increase in startup time.

一方、特許文献1は、運転温度近傍の高温状態で固体酸化物形燃料電池を停止する際に、燃料ガス及び酸化ガスの送給を停止し、燃料極側を不活性ガスでパージすることを開示している。   On the other hand, Patent Document 1 discloses that when the solid oxide fuel cell is stopped at a high temperature near the operating temperature, the supply of the fuel gas and the oxidizing gas is stopped and the fuel electrode side is purged with an inert gas. Disclosure.

特開2006−100153号公報(請求項1、段落[0031])JP 2006-100153 A (Claim 1, paragraph [0031])

特許文献1に記載される方法では、空気極側の酸化ガス供給が停止されているため、不活性ガスパージ初期に燃料極側に残存する燃料ガスが空気極側に拡散する。この燃料ガスにより空気極材料が還元される。このとき空気極に大きな体積変化が発生し、空気極が損傷する場合があった。また、還元された空気極材料は、再運転時に酸素雰囲気に曝されても元の材料には戻らない。このため、空気極の導電性が失われ、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することが問題となっていた。   In the method described in Patent Document 1, since the supply of the oxidizing gas on the air electrode side is stopped, the fuel gas remaining on the fuel electrode side at the beginning of the inert gas purge diffuses to the air electrode side. The air electrode material is reduced by the fuel gas. At this time, a large volume change occurred in the air electrode, and the air electrode might be damaged. Further, the reduced cathode material does not return to the original material even if it is exposed to an oxygen atmosphere during re-operation. For this reason, the conductivity of the air electrode is lost, and the power generation performance of the solid oxide fuel cell deteriorates.

本発明は、通常の停止時や緊急停止時においてもセルスタックの破損を防止することができる固体酸化物形燃料電池の運転方法及び固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。また本発明は、当該固体酸化物形燃料電池を備える複合発電システムの運転方法及び複合発電システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell operating method and a solid oxide fuel cell system capable of preventing the cell stack from being damaged even during a normal stop or an emergency stop. Another object of the present invention is to provide a method for operating a combined power generation system including the solid oxide fuel cell and a combined power generation system.

本発明は、複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを含み、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給し、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給して、前記セルの電解質膜において高温状態で前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、高温状態で前記燃料ガスの送給を停止し、前記燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記空気極への前記酸化ガスの送給を継続させる第1の不活性ガスパージ工程と、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第2の不活性ガスパージ工程とを含む固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供する。   The present invention includes one or a plurality of cell stacks having a plurality of cells, the fuel gas is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, and the oxidizing gas containing oxygen is supplied to the air electrode side of the cell stack. An operation method of a solid oxide fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas and the oxidizing gas at a high temperature in the electrolyte membrane of the cell, and stops the supply of the fuel gas at a high temperature A first inert gas purge step of supplying an inert gas to the fuel electrode side at a predetermined flow rate and continuing to supply the oxidizing gas to the air electrode; and the fuel electrode in the cell; When the voltage between the air electrode reaches a predetermined voltage, the supply of the oxidizing gas is stopped in a high temperature state, and the inert gas is supplied to the air electrode side at a predetermined flow rate, so that the solid Stop operation of oxide fuel cell Providing a second method of operating a solid oxide fuel cell comprising an inert gas purge step of.

本発明は、複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する燃料ガス送給部と、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給する酸化ガス送給部と、前記セルスタックの燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、前記セルスタックの空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、前記燃料極側への前記燃料ガスの送給を停止するとともに前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記空気極側への前記酸化ガスの送給を停止するとともに前記空気極側へ前記不活性ガスを送給する制御部とを備える固体酸化物形燃料電池システムを提供する。   The present invention includes a solid oxide fuel cell including one or a plurality of cell stacks having a plurality of cells, a fuel gas supply unit that supplies fuel gas to a fuel electrode side of the cell stack, and the cell stack. An oxidizing gas feeding unit that feeds an oxidizing gas containing oxygen to the air electrode side of the fuel cell; an inert gas feeding unit that feeds an inert gas to the fuel electrode side of the cell stack; and the cell stack An air electrode side inert gas supply unit that supplies an inert gas to the air electrode side of the air electrode, and stops the supply of the fuel gas to the fuel electrode side and sends the inert gas to the fuel electrode side. When the voltage between the fuel electrode and the air electrode in the cell reaches a predetermined voltage, the supply of the oxidizing gas to the air electrode side is stopped at a high temperature and the air electrode side is stopped. A solid acid comprising a control unit for feeding the inert gas Providing an object type fuel cell system.

このように、本発明では固体酸化物形燃料電池の通常停止及び緊急停止において、先ずは燃料極側を不活性ガスでパージし、空気極側では酸化ガスの送給を継続する。こうすることにより、燃料極側に残存する燃料ガスが空気極に拡散して到達することによって、空気極が還元されることを防止する。そして、燃料極と空気極との間のセル電圧が所定電圧に到達してから、空気極側を不活性ガスでパージする。こうすることにより、燃料極が空気極側から拡散した酸化ガス(酸素)により酸化されることを防止する。従って、本発明に依れば、固体酸化物形燃料電池システムの停止過程において、空気極の還元膨張、あるいは、燃料極の酸化膨張によるセルスタックの損傷を回避することができる。また、燃料極側を不活性ガスでパージする際に、空気極側では酸化ガスの送給を継続していることから、酸化ガスの送給による燃料電池の冷却が可能となり、固体酸化物形燃料電池の停止に掛かる時間の短縮を実現している。   Thus, in the present invention, in the normal stop and the emergency stop of the solid oxide fuel cell, first, the fuel electrode side is purged with the inert gas, and the supply of the oxidizing gas is continued on the air electrode side. This prevents the fuel gas remaining on the fuel electrode side from diffusing and reaching the air electrode, thereby preventing the air electrode from being reduced. Then, after the cell voltage between the fuel electrode and the air electrode reaches a predetermined voltage, the air electrode side is purged with an inert gas. By doing so, the fuel electrode is prevented from being oxidized by the oxidizing gas (oxygen) diffused from the air electrode side. Therefore, according to the present invention, damage to the cell stack due to reductive expansion of the air electrode or oxidative expansion of the fuel electrode can be avoided in the shutdown process of the solid oxide fuel cell system. In addition, when the fuel electrode side is purged with an inert gas, the supply of the oxidizing gas is continued on the air electrode side, so that the fuel cell can be cooled by supplying the oxidizing gas. The time required for stopping the fuel cell is shortened.

上記運転方法において、前記燃料極側に不活性ガスを送給し、前記空気極側に前記酸化ガスを送給する間の前記電圧を計測する電圧計測工程を更に含み、前記第2の不活性ガスパージ工程において、前記計測された電圧が一定となる場合に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給することが好ましい。   In the above operation method, the method further includes a voltage measuring step of measuring the voltage while supplying an inert gas to the fuel electrode side and supplying the oxidizing gas to the air electrode side, the second inert gas In the gas purge step, when the measured voltage becomes constant, it is preferable that the supply of the oxidizing gas is stopped at a high temperature and the inert gas is supplied to the air electrode side.

上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池に、前記電圧を計測する電圧計が設置されることが好ましい。   In the solid oxide fuel cell system, it is preferable that a voltmeter for measuring the voltage is installed in the solid oxide fuel cell.

このように、燃料極側を不活性ガスパージしている間のセルの電圧を監視して、セルの電圧が所定値に到達した場合に空気極側を不活性ガスパージすれば、セルスタックの損傷を確実に回避することができる。   Thus, if the cell voltage is monitored while the fuel electrode side is purged with the inert gas, and the air electrode side is purged with the inert gas when the cell voltage reaches a predetermined value, the cell stack is damaged. It can be avoided reliably.

上記運転方法において、前記セルの温度を計測するセル温度計測工程と、前記計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧とする酸化還元平衡電位算出工程とを更に含むことが好ましい。   In the above operation method, a cell temperature measuring step for measuring the temperature of the cell, an oxidation-reduction equilibrium potential of the material of the fuel electrode at the measured temperature is calculated, and an oxidation with the oxidation-reduction equilibrium potential as the predetermined voltage is calculated. It is preferable to further include a reduction equilibrium potential calculation step.

上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池に、前記セルの温度を計測する温度計が設置され、前記制御部が、前記温度計で計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧に設定することが好ましい。   In the solid oxide fuel cell system, a thermometer for measuring the temperature of the cell is installed in the solid oxide fuel cell, and the controller is configured to control the fuel electrode at a temperature measured by the thermometer. It is preferable to calculate the redox equilibrium potential of the material and set the redox equilibrium potential to the predetermined voltage.

このように、燃料極側を不活性ガスパージしている間のセルの温度を測定し、セルの温度から算出された酸化還元平衡電位に基づいて燃料極側を不活性ガスパージしている間のセルの電圧の監視を行うことにより、セルスタックの損傷を確実に回避することができる。   In this way, the cell temperature is measured while the fuel electrode side is purged with the inert gas, and the cell while the fuel electrode side is purged with the inert gas based on the redox equilibrium potential calculated from the cell temperature. By monitoring this voltage, damage to the cell stack can be reliably avoided.

上記運転方法において、前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関を予め取得し、該相関に基づいて前記所定流量での前記所定電圧となる前記送給時間を取得するパージ時間決定工程を備え、前記第2の不活性ガスパージ工程において、前記パージ時間決定工程により設定された前記送給時間に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給しても良い。   In the above operation method, a correlation between the inert gas supply time and the voltage when the inert gas at the predetermined flow rate is supplied to the fuel electrode side is acquired in advance, and the predetermined flow rate is obtained based on the correlation. A purge time determining step for obtaining the feed time at which the predetermined voltage is reached, and in the second inert gas purge step, when the feed time set by the purge time determining step is reached, the temperature is high. The supply of the oxidizing gas may be stopped in a state, and the inert gas may be supplied to the air electrode side.

上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記制御部に、前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関が予め格納され、前記制御部が、前記相関に基づいて前記酸化ガスの送給の停止及び前記空気極への前記不活性ガスの供給の開始を実施する時期を決定しても良い。   In the solid oxide fuel cell system, a correlation between the supply time of the inert gas and the voltage when the inert gas having the predetermined flow rate is supplied to the fuel electrode is stored in the control unit in advance. The control unit may determine when to stop the supply of the oxidizing gas and start the supply of the inert gas to the air electrode based on the correlation.

このように、不活性ガス送給時間とセル電圧との相関を予め取得しておけば、停止過程において電圧や温度をモニタリングする必要がない。このため、上述の固体酸化物形燃料電池システムを停止させる工程がより簡略化される。   As described above, if the correlation between the inert gas supply time and the cell voltage is acquired in advance, it is not necessary to monitor the voltage and temperature in the stopping process. For this reason, the process of stopping the above-mentioned solid oxide fuel cell system is further simplified.

本発明は、複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、燃焼器、圧縮機、タービン及び発電機を有するガスタービン発電設備とが連結されている複合発電システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備が運転している場合に、高温状態で第1の燃料ガス源から前記燃料電池への燃料ガスの送給を停止し、前記セルの燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記圧縮機から前記セルの空気極側への酸化ガスの送給を継続させる第1の不活性ガスパージ工程と、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記燃料電池への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第2の不活性ガスパージ工程とを含む複合発電システムの運転方法を提供する。   The present invention relates to a combined power generation in which a solid oxide fuel cell including one or a plurality of cell stacks including a plurality of cells and a gas turbine power generation facility including a combustor, a compressor, a turbine, and a generator are connected. A method of operating a system, wherein when the solid oxide fuel cell and the gas turbine power generation facility are in operation, fuel gas is supplied from the first fuel gas source to the fuel cell in a high temperature state. A first inert gas purge step of stopping and supplying an inert gas to the fuel electrode side of the cell at a predetermined flow rate and continuing to supply the oxidizing gas from the compressor to the air electrode side of the cell And when the voltage between the fuel electrode and the air electrode in the cell reaches a predetermined voltage, the supply of the oxidizing gas to the fuel cell is stopped in a high temperature state and the air electrode is not connected to the air electrode. Active gas And feeding at a predetermined flow rate, to provide a method for operating a combined cycle power generation system comprising a second inert gas purge process of stopping the operation of the solid oxide fuel cell.

本発明は、複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記セルスタックの空気極に酸化ガスを送給可能とする圧縮機とを備えるガスタービン発電設備と、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する第1の燃料ガス送給部と、前記燃焼器に燃料ガスを送給する第2の燃料ガス送給部と、前記燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、前記空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、制御部とを備え、前記空気極から排出された前記酸化ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記空気極と前記燃焼器とが連結され、前記燃料極から排出された前記燃料ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記燃料極と前記燃焼器とが連結され、前記制御部が、前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備の運転時に、前記第1の燃料ガス送給部から前記燃料極に燃料ガスを送給させるとともに、前記燃料極から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に送給させ、前記圧縮機から前記空気極に酸化ガスを送給させるとともに、前記空気極から排出された前記酸化ガスを前記燃焼器に送給させ、前記固体酸化物形燃料電池の停止時に、前記第1の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給を停止するとともに、前記燃料極側不活性ガス送給部から前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側不活性ガス送給部から前記空気極側へ前記不活性ガスを送給させる複合発電システムを提供する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell including one or a plurality of cell stacks having a plurality of cells, a turbine, a generator connected to the turbine, and a combustor for supplying combustion gas to the turbine. A gas turbine power generation facility including a compressor capable of supplying an oxidizing gas to the combustor and an air electrode of the cell stack, and a first fuel for supplying a fuel gas to the fuel electrode side of the cell stack A gas supply unit, a second fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the combustor, a fuel electrode side inert gas supply unit for supplying inert gas to the fuel electrode side, and An air electrode side inert gas supply unit for supplying an inert gas to the air electrode side, and a control unit, so that the oxidizing gas discharged from the air electrode is supplied to the combustor, The air electrode and the combustor are connected and discharged from the fuel electrode. In addition, the fuel electrode and the combustor are connected so that the fuel gas is supplied to the combustor, and the control unit is configured to operate the solid oxide fuel cell and the gas turbine power generation facility. The fuel gas is supplied from the first fuel gas supply unit to the fuel electrode, and the fuel gas discharged from the fuel electrode is supplied to the combustor and is oxidized from the compressor to the air electrode. The gas is supplied and the oxidizing gas discharged from the air electrode is supplied to the combustor. When the solid oxide fuel cell is stopped, the fuel electrode is supplied from the first fuel gas supply unit. The fuel gas to the fuel electrode side, the inert gas is supplied from the fuel electrode side inert gas supply unit to the fuel electrode side, and the fuel electrode and the air electrode in the cell When the voltage between them reaches the specified voltage The combined power generation for stopping the supply of the oxidizing gas from the compressor to the air electrode in a high temperature state and for supplying the inert gas from the air electrode side inert gas supply unit to the air electrode side Provide a system.

固体酸化物形燃料電池とガスタービン発電設備を組み合わせた複合発電システムにおいて、上述の工程で固体酸化物形燃料電池を通常停止または緊急停止すれば、空気極の還元膨張、あるいは、燃料極の酸化膨張によるセルスタックの損傷を回避することができる。また、酸化ガスの送給によって燃料電池の冷却が可能となり、固体酸化物形燃料電池の停止に掛かる時間を短縮することができる。   In a combined power generation system combining a solid oxide fuel cell and a gas turbine power generation facility, if the solid oxide fuel cell is normally stopped or urgently stopped in the above-described steps, the air electrode is reduced or expanded or the fuel electrode is oxidized. Damage to the cell stack due to expansion can be avoided. In addition, the fuel cell can be cooled by supplying the oxidizing gas, and the time taken to stop the solid oxide fuel cell can be shortened.

上記複合発電システムの運転方法において、前記第1の不活性ガスパージ工程において、第2の燃料ガス源から前記燃焼器への燃料ガスの供給を開始し、前記第2の不活性ガスパージ工程において、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを直接送給して、前記ガスタービン発電設備の運転を継続させることが好ましい。   In the operation method of the combined power generation system, in the first inert gas purge step, supply of fuel gas from the second fuel gas source to the combustor is started, and in the second inert gas purge step, It is preferable to supply the oxidizing gas directly from the compressor to the combustor to continue the operation of the gas turbine power generation facility.

上記複合発電システムにおいて、前記制御部が、前記第1の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給が停止されたときに、前記第2の燃料ガス送給部から前記燃焼器に燃料ガスを送給させ、前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給が停止されたときに、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを送給させることが好ましい。   In the combined power generation system, when the control unit stops the supply of the fuel gas from the first fuel gas supply unit to the fuel electrode, the control unit outputs the second fuel gas supply unit from the second fuel gas supply unit. Preferably, fuel gas is supplied to the combustor, and when the supply of the oxidizing gas from the compressor to the air electrode is stopped, the oxidizing gas is preferably supplied from the compressor to the combustor. .

このように固体酸化物形燃料電池を停止する工程に移行した時に、ガスタービン発電設備の燃焼器に直接燃料ガスと酸化ガスをと送給してガスタービン発電設備の運転を継続させれば、安定した電力供給を実施することができる。   When shifting to the step of stopping the solid oxide fuel cell in this way, if the fuel gas and the oxidizing gas are fed directly to the combustor of the gas turbine power generation facility and the operation of the gas turbine power generation facility is continued, A stable power supply can be implemented.

本発明に依れば、通常の停止時や緊急停止時において、高温状態における酸化または還元を起こさずに、セルスタックの破損を防止しながら、短時間で固体酸化物形燃料電池システムを冷却し、停止させることができる。   According to the present invention, the solid oxide fuel cell system can be cooled in a short time while preventing damage to the cell stack without causing oxidation or reduction in a high temperature state during a normal stop or an emergency stop. Can be stopped.

固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。1 is a schematic view of a solid oxide fuel cell system. 第1実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on 1st Embodiment. 燃料極側にNガスを送給し、空気極側に空気を送給しながら固体酸化物形燃料電池システムを停止した場合の平均セル電圧の経時変化を表すグラフである。Feeds send a N 2 gas to the fuel electrode side is a graph showing changes with time of the average cell voltage in the case of stopping the solid oxide fuel cell system while feeding air to the air electrode side. 第2実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on 2nd Embodiment. 燃料極に送給されるNガスの流量を変えた場合のセル電圧の経時変化の一例を表すグラフである。Is a graph showing an example of a change with time of the cell voltage when changing the flow rate of N 2 gas fed to the fuel electrode. 第3実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the driving | running method which concerns on 3rd Embodiment. 複合発電システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a combined power generation system.

<第1実施形態>
第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムを以下で説明する。
図1は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1は、円筒型の固体酸化物形燃料電池12が適用される。固体酸化物形燃料電池12の内部には、1つまたは複数の円筒形状のセルスタックが収納されている。複数のセルスタックが収納されている場合は、各セルスタックが電気的に並列に接続される。
<First Embodiment>
The solid oxide fuel cell system according to the first embodiment will be described below.
FIG. 1 is a schematic view of a solid oxide fuel cell system according to the present embodiment. A cylindrical solid oxide fuel cell 12 is applied to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment. One or a plurality of cylindrical cell stacks are housed inside the solid oxide fuel cell 12. When a plurality of cell stacks are stored, the cell stacks are electrically connected in parallel.

セルスタック上に複数のセルが形成され、1つのセルは基体管側から燃料極、固体酸化物膜、空気極が積層されて構成されている。あるいは、1つのセルは基体管側から空気極、固体酸化物膜、燃料極が積層されて構成されている。なお、以下では基体管上に燃料極、固体酸化物膜、空気極の純で積層したセルスタックを用いた場合で説明を行う。
隣接するセル同士は、インターコネクタで連結される。本実施形態において、固体酸化物形燃料電池12の燃料極は、Niを含み、例えばNi及びYSZの混合物とされる。固体電解質膜は、一般にYSZとされる。また、固体酸化物形燃料電池12の空気極は、LaMnO系材料、LaFeO系材料、LaCoO系材料などの酸化物とされる。インターコネクタは、SrTiOなどのペロブスカイト型酸化物、LaCrO系材料などとされる。
A plurality of cells are formed on the cell stack, and one cell is configured by laminating a fuel electrode, a solid oxide film, and an air electrode from the base tube side. Alternatively, one cell is configured by laminating an air electrode, a solid oxide film, and a fuel electrode from the base tube side. In the following description, a cell stack in which a fuel electrode, a solid oxide film, and an air electrode are purely stacked on a base tube is used.
Adjacent cells are connected by an interconnector. In the present embodiment, the anode of the solid oxide fuel cell 12 contains Ni, for example, a mixture of Ni and YSZ. The solid electrolyte membrane is generally YSZ. The air electrode of the solid oxide fuel cell 12 is an oxide such as a LaMnO 3 -based material, a LaFeO 3 -based material, or a LaCoO 3 -based material. The interconnector is made of a perovskite oxide such as SrTiO 3 or a LaCrO 3 based material.

固体酸化物形燃料電池1において、燃料ガス送給部2は、送給ファン4の受入口に連絡する。送給ファン4の送出口は熱交換器11の受入口の1つに連絡する。   In the solid oxide fuel cell 1, the fuel gas supply unit 2 communicates with the inlet of the supply fan 4. The outlet of the feed fan 4 communicates with one of the inlets of the heat exchanger 11.

燃料ガス送給部2は、燃料ガス源2aと、流量調整弁2bと、流量検出器2cとで構成される。燃料ガス源2aには、燃料ガスとしてHガスまたはCHガスが収容されている。 The fuel gas supply unit 2 includes a fuel gas source 2a, a flow rate adjusting valve 2b, and a flow rate detector 2c. The fuel gas source 2a contains H 2 gas or CH 4 gas as fuel gas.

図1において、燃料極側不活性ガス送給部3は、送給ファン4の送出口と熱交換器11の受入口の1つとの間に連絡する。あるいは、燃料極側不活性ガス送給部3は、送給ファン4の受入口に連絡していても良い。燃料極側不活性ガス送給部3は、第1の不活性ガス源3aと、流量調整弁3bと、流量検出器3cとで構成される。第1の不活性ガス源3aには、不活性ガスが収容されている。ここで使用される不活性ガスは、Nガス、Heガスなどの希ガス、燃焼排ガスなどとされる。不活性ガス中の酸素濃度は、数百ppm以下とされ、少ないほど好ましい。運転コストを考慮すると、不活性ガスとしてNガスを用いることが特に好ましい。 In FIG. 1, the fuel electrode side inert gas supply unit 3 communicates between the supply outlet of the supply fan 4 and one of the reception inlets of the heat exchanger 11. Alternatively, the fuel electrode side inert gas supply unit 3 may be in communication with the receiving port of the supply fan 4. The fuel electrode side inert gas supply unit 3 includes a first inert gas source 3a, a flow rate adjusting valve 3b, and a flow rate detector 3c. The first inert gas source 3a contains an inert gas. The inert gas used here is a rare gas such as N 2 gas or He gas, or combustion exhaust gas. The oxygen concentration in the inert gas is set to several hundred ppm or less, and the smaller the better. In view of operating costs, it is particularly preferable to use N 2 gas as the inert gas.

熱交換器11の一方の送出口は、固体酸化物形燃料電池12の燃料ガス供給室に連絡する。燃料ガス供給室は、固体酸化物形燃料電池12に収納されているセルスタックの一方の端部に接続する。従って、熱交換器11の一方の送出口から排出された燃料ガスまたは不活性ガスは、セルスタックの基体管の一方の端部から、基体管内側に送給される。   One outlet of the heat exchanger 11 communicates with the fuel gas supply chamber of the solid oxide fuel cell 12. The fuel gas supply chamber is connected to one end of a cell stack housed in the solid oxide fuel cell 12. Therefore, the fuel gas or the inert gas discharged from one of the outlets of the heat exchanger 11 is fed into the base tube from one end of the base tube of the cell stack.

固体酸化物形燃料電池12のセルスタックの他端部は、燃料ガス排出室に接続する。固体酸化物形燃料電池12の燃料ガス排出室は、送給ファン4の受入口に連絡するとともに、燃焼器13の一方の受入口に連絡する。   The other end of the cell stack of the solid oxide fuel cell 12 is connected to the fuel gas discharge chamber. The fuel gas discharge chamber of the solid oxide fuel cell 12 communicates with the inlet of the feed fan 4 and also with one of the inlets of the combustor 13.

燃焼器13の排出口は、熱交換器14の一方の受入口に連絡する。熱交換器14の一方の送出口は、排ガスボイラ15の排ガス受入口に連絡する。排ガスボイラ15の排ガス送出口は、煙突16に連絡する。   The discharge port of the combustor 13 communicates with one receiving port of the heat exchanger 14. One outlet of the heat exchanger 14 communicates with the exhaust gas inlet of the exhaust gas boiler 15. The exhaust gas outlet of the exhaust gas boiler 15 communicates with the chimney 16.

酸化ガス送給部5は、エアフィルタ5aと、流量調整弁5bと、流量検出器5cとで構成される。酸化ガス送給部5は、送給ファン7の受入口に連絡する。送給ファン7の送出口は、熱交換器14の他方の受入口に連絡する。エアフィルタ5aは、酸化ガスとして空気を外部環境から取り込む。   The oxidizing gas supply unit 5 includes an air filter 5a, a flow rate adjusting valve 5b, and a flow rate detector 5c. The oxidizing gas supply unit 5 communicates with the receiving port of the supply fan 7. The outlet of the feeding fan 7 communicates with the other inlet of the heat exchanger 14. The air filter 5a takes in air from the external environment as an oxidizing gas.

図1において、空気極側不活性ガス送給部6は、送給ファン7の送出口と熱交換器14の他方の受入口との間に連絡する。あるいは、空気極側不活性ガス送給部6は、送給ファン7の受入口に連絡していても良い。空気極側不活性ガス送給部6は、第2の不活性ガス源6aと、流量調整弁6bと、流量検出器6cとで構成される。第2の不活性ガス源6aには、不活性ガスが収容されている。ここで使用される不活性ガスは、Nガス、Heガスなどの希ガス、燃焼排ガスなどとされる。不活性ガス中の酸素濃度は、数百ppm以下とされ、少ないほど好ましい。運転コストを考慮すると、不活性ガスとしてNガスを用いることが特に好ましい。 In FIG. 1, the air electrode side inert gas supply unit 6 communicates between the supply port of the supply fan 7 and the other reception port of the heat exchanger 14. Alternatively, the air electrode side inert gas feeding unit 6 may be in communication with the receiving port of the feeding fan 7. The air electrode side inert gas supply unit 6 includes a second inert gas source 6a, a flow rate adjusting valve 6b, and a flow rate detector 6c. The second inert gas source 6a contains an inert gas. The inert gas used here is a rare gas such as N 2 gas or He gas, or combustion exhaust gas. The oxygen concentration in the inert gas is set to several hundred ppm or less, and the smaller the better. In view of operating costs, it is particularly preferable to use N 2 gas as the inert gas.

熱交換器14の他方の送出口は、熱交換器11の他方の受入口に連絡する。熱交換器11の他方の送出口は、固体酸化物形燃料電池12の酸化ガス供給室に連絡する。熱交換器11の他方の送出口から排出された酸化ガスまたは不活性ガスは、セルスタックの周囲に供給される。   The other outlet of the heat exchanger 14 communicates with the other inlet of the heat exchanger 11. The other outlet of the heat exchanger 11 communicates with the oxidizing gas supply chamber of the solid oxide fuel cell 12. The oxidizing gas or the inert gas discharged from the other outlet of the heat exchanger 11 is supplied around the cell stack.

固体酸化物形燃料電池12の酸化ガス排出室は、燃焼器13の他方の受入口に連絡する。   The oxidizing gas discharge chamber of the solid oxide fuel cell 12 communicates with the other inlet of the combustor 13.

燃料ガス送給部2の流量調整弁2b、酸化ガス送給部5の流量調整弁5b、燃料極側不活性ガス送給部3の流量調整弁3b、及び、空気極側不活性ガス送給部6の流量調整弁6bは、制御部20の出力部に接続する。送給ファン4,7は、制御部20の出力部に接続する。   The flow rate adjustment valve 2b of the fuel gas supply unit 2, the flow rate adjustment valve 5b of the oxidizing gas supply unit 5, the flow rate adjustment valve 3b of the fuel electrode side inert gas supply unit 3, and the air electrode side inert gas supply The flow rate adjustment valve 6 b of the unit 6 is connected to the output unit of the control unit 20. The feeding fans 4 and 7 are connected to the output unit of the control unit 20.

燃料ガス送給部2の流量検出器2c、酸化ガス送給部5の流量検出器5c、燃料極側不活性ガス送給部3の流量検出器3c、及び、空気極側不活性ガス送給部6の流量検出器6cは、制御部20の入力部に接続する。   The flow rate detector 2c of the fuel gas feed unit 2, the flow rate detector 5c of the oxidizing gas feed unit 5, the flow rate detector 3c of the fuel electrode side inert gas feed unit 3, and the air electrode side inert gas feed The flow rate detector 6 c of the unit 6 is connected to the input unit of the control unit 20.

固体酸化物形燃料電池12の緊急停止により電力が失われる場合に備え、制御部20は非常用電源(不図示)に接続する。   In preparation for a case where power is lost due to an emergency stop of the solid oxide fuel cell 12, the control unit 20 is connected to an emergency power source (not shown).

本実施形態において、固体酸化物形燃料電池12には、セルの電圧を計測する電圧計21が設置される。本実施形態において、電圧計21は、セル空気極部あるいはセルスタック両端部(集電部)に接続され、1つのセルスタックについて燃料極と空気極との間の電位差を計測する。すなわち、電圧計21は、直列接続された複数のセルの燃料極と空気極との間の電位差を計測する。固体酸化物形燃料電池12が複数のセルスタックを有する場合、全てのセルスタックについて電位が計測されても良いし、任意のセルスタックの電位が計測されても良い。また、セルスタックの任意のセル空気極部に接続することにより、セルスタックの特定のセルの電圧を計測しても良い。電圧計21は、制御部20の入力部に接続する。固体酸化物形燃料電池12の緊急停止により電力が失われる場合に備え、電圧計21は非常用電源(不図示)に接続する。   In this embodiment, the solid oxide fuel cell 12 is provided with a voltmeter 21 that measures the cell voltage. In the present embodiment, the voltmeter 21 is connected to the cell air electrode part or both ends (current collection part) of the cell stack, and measures the potential difference between the fuel electrode and the air electrode for one cell stack. That is, the voltmeter 21 measures the potential difference between the fuel electrode and the air electrode of a plurality of cells connected in series. When the solid oxide fuel cell 12 has a plurality of cell stacks, the potentials of all the cell stacks may be measured, or the potentials of arbitrary cell stacks may be measured. Moreover, you may measure the voltage of the specific cell of a cell stack by connecting to the arbitrary cell air electrode parts of a cell stack. The voltmeter 21 is connected to the input unit of the control unit 20. The voltmeter 21 is connected to an emergency power source (not shown) in case power is lost due to an emergency stop of the solid oxide fuel cell 12.

第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム1の運転方法を以下で説明する。図2は、第1実施形態の運転方法のフローチャートである。   An operation method of the solid oxide fuel cell system 1 according to the first embodiment will be described below. FIG. 2 is a flowchart of the operation method of the first embodiment.

先ず、固体酸化物形燃料電池の運転状態について説明する。制御部20は、送給ファン4,7を作動させる。制御部20は、流量検出器2cからの信号に基づいて流量調整弁2bを調整し、燃料ガス源2aから燃料ガスを所定流量で送給する。制御部20は、流量検出器5cからの信号に基づいて流量調整弁5bを調整し、酸化ガスとしてエアフィルタ5aが取り込んだ空気を所定流量で送給する。送給ファン4により熱交換器11に送給された燃料ガスは、熱交換器11において900℃〜1000℃程度に加熱される。送給ファン7により熱交換器14に送給された空気は、熱交換器14において900℃〜1000℃程度に加熱される。   First, the operating state of the solid oxide fuel cell will be described. The control unit 20 operates the feed fans 4 and 7. The control unit 20 adjusts the flow rate adjusting valve 2b based on the signal from the flow rate detector 2c, and supplies the fuel gas from the fuel gas source 2a at a predetermined flow rate. The control unit 20 adjusts the flow rate adjustment valve 5b based on the signal from the flow rate detector 5c, and supplies the air taken in by the air filter 5a as the oxidizing gas at a predetermined flow rate. The fuel gas supplied to the heat exchanger 11 by the supply fan 4 is heated to about 900 ° C. to 1000 ° C. in the heat exchanger 11. The air supplied to the heat exchanger 14 by the supply fan 7 is heated to about 900 ° C. to 1000 ° C. in the heat exchanger 14.

加熱された燃料ガス及び空気は、それぞれ固体酸化物形燃料電池12の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部に送給される。燃料ガスは、燃料ガス供給部からセルスタックの基体管内部に送給されて、燃料ガス排出部に向かって基体管内部を流通する。この際、燃料ガスの一部は基体管内側から外側に向かって拡散する。空気は、酸化ガス供給部からセルスタックの周囲に送給され、酸化ガス排出部から排出される。この際、空気の一部は空気極側から基体管の方に向かって拡散する。セルの各々の固体電解質膜において燃料ガスと空気中の酸素とが反応し、電気が発生する。   The heated fuel gas and air are supplied to the fuel gas supply unit and the oxidizing gas supply unit of the solid oxide fuel cell 12, respectively. The fuel gas is supplied from the fuel gas supply unit to the inside of the base tube of the cell stack and flows through the base tube toward the fuel gas discharge unit. At this time, part of the fuel gas diffuses from the inside of the base tube toward the outside. The air is supplied from the oxidizing gas supply unit to the periphery of the cell stack and is discharged from the oxidizing gas discharge unit. At this time, part of the air diffuses from the air electrode side toward the base tube. In each solid electrolyte membrane of the cell, the fuel gas and oxygen in the air react to generate electricity.

燃料ガス排出部から排出された未反応の燃料ガスは、一部が熱交換器11の一方の受入口に送給されて、再度固体酸化物形燃料電池12に供給される。燃料ガスの残りは、酸化ガス排出部から排出された空気とともに燃焼器13に送給されて燃焼される。燃焼後の排ガスは熱交換器14に送給され、空気の加熱用熱源に利用された後、煙突16を介して外部環境に排出される。排ガスからの熱により加熱された空気は、熱交換器11において燃料ガスの加熱用熱源とされる。   A part of the unreacted fuel gas discharged from the fuel gas discharge unit is supplied to one receiving port of the heat exchanger 11 and supplied to the solid oxide fuel cell 12 again. The remainder of the fuel gas is fed to the combustor 13 together with the air discharged from the oxidizing gas discharge section and burned. The exhaust gas after combustion is supplied to the heat exchanger 14, used as a heat source for heating air, and then discharged to the external environment via the chimney 16. The air heated by the heat from the exhaust gas is used as a heat source for heating the fuel gas in the heat exchanger 11.

上述の運転状態にある固体酸化物形燃料電池システム1においてシステム異常が検出される(S1)。制御部20は、制御部20に入力される流量検出器2cの値、流量検出器5cの値、電圧計21の値、セルの温度を計測する温度計の値のいずれかが急激に変化した場合、システム異常が発生したと判断する。システム異常を判断する閾値は適宜設定される。例えば、上記の数値が設定値から±5%を超えて変化した場合、制御部20はシステム異常と判断する。これにより、固体酸化物形燃料電池システム1が停止状態(制御部20により電流負荷が遮断され、電解質膜を介した電気化学反応を停止した状態)に移行する。   A system abnormality is detected in the solid oxide fuel cell system 1 in the above operating state (S1). The control unit 20 suddenly changes any of the value of the flow rate detector 2c, the value of the flow rate detector 5c, the value of the voltmeter 21 and the value of the thermometer that measures the cell temperature. If it is determined that a system error has occurred. A threshold value for determining system abnormality is set as appropriate. For example, when the above numerical value changes by more than ± 5% from the set value, the control unit 20 determines that the system is abnormal. As a result, the solid oxide fuel cell system 1 shifts to a stopped state (a state where the current load is interrupted by the control unit 20 and the electrochemical reaction via the electrolyte membrane is stopped).

制御部20がシステム異常を検出し、固体酸化物形燃料電池12の電流負荷が遮断されて停止状態に移行すると、制御部20は、燃料ガス送給部2の流量検出器2cからの信号に基づいて流量調整弁3bを調整し、燃料ガス源2aからの燃料ガスの供給を停止する(S2)。   When the control unit 20 detects a system abnormality and the current load of the solid oxide fuel cell 12 is interrupted and shifts to the stop state, the control unit 20 outputs a signal from the flow rate detector 2c of the fuel gas supply unit 2. Based on this, the flow rate adjusting valve 3b is adjusted, and the supply of the fuel gas from the fuel gas source 2a is stopped (S2).

次いで、制御部20は流量検出器3cからの信号に基づいて流量調整弁3bを調整し、第1の不活性ガスガス源3aから不活性ガス(Nガス)を所定流量で送給する(S3)。これにより、燃料極側の配管系統が不活性ガスでパージされる。この時、空気極側への空気の送給は継続される。このため、固体酸化物形燃料電池12内の残留熱の一部は送給される空気により熱交換されることから、セルスタックの発電部はその運転温度である950℃よりも低い温度領域である650℃〜850℃に冷却されている。また、固体酸化物形燃料電池12内に送給される空気は熱交換器14をバイパスして送給することも可能である。これにより固体酸化物形燃料電池12内の冷却をより促進することが可能である。 Next, the control unit 20 adjusts the flow rate adjustment valve 3b based on the signal from the flow rate detector 3c, and feeds an inert gas (N 2 gas) from the first inert gas gas source 3a at a predetermined flow rate (S3). ). Thereby, the piping system on the fuel electrode side is purged with the inert gas. At this time, the supply of air to the air electrode side is continued. For this reason, part of the residual heat in the solid oxide fuel cell 12 is heat-exchanged by the supplied air, so that the power generation part of the cell stack is in a temperature region lower than its operating temperature of 950 ° C. It is cooled to some 650 ° C to 850 ° C. Further, the air supplied into the solid oxide fuel cell 12 can be supplied by bypassing the heat exchanger 14. Thereby, cooling in the solid oxide fuel cell 12 can be further promoted.

電圧計21は、所定の時間間隔でセルスタックの電圧を計測する(S4)。計測された電圧は、制御部20に送信される。制御部20は、1つのセルスタックの電圧について、平均セル電圧Vcellを取得する。平均セル電圧Vcellは、セルスタックの電圧を、1つのセルスタック上に形成されたセル数で除した値である。制御部20が複数のセルスタックについて電圧を取得した場合は、制御部20は各セルスタックでの平均セル電圧の平均を、Vcellとして取得する。 The voltmeter 21 measures the voltage of the cell stack at a predetermined time interval (S4). The measured voltage is transmitted to the control unit 20. The control unit 20 acquires an average cell voltage V cell for the voltage of one cell stack. The average cell voltage V cell is a value obtained by dividing the voltage of the cell stack by the number of cells formed on one cell stack. When the control unit 20 acquires voltages for a plurality of cell stacks, the control unit 20 acquires the average of the average cell voltages in each cell stack as V cell .

セルスタックの外側を流通する空気の一部は、空気極側から基体管に向かって拡散する。一方、停止状態初期(燃料ガス供給停止直後)では、系内の配管に燃料ガスが残存している。残存している燃料ガス及び不活性ガスは、セルスタックの基体管に送給され、基体管内側から外側に向かって拡散する。トリップ状態初期では、燃料極−空気極間の酸素分圧差により空気側から拡散した酸素は、残存している燃料ガスと反応するため、燃料極の酸素分圧PO2Anodeは、Niの酸化クライテリア以下であり、燃料極中のNiは、酸化されない。このときの酸素分圧クライテリアは、反応式(1)からトリップ状態での温度におけるNiの酸化反応の圧平衡定数Kpを用いて、式(2)で表される。
2Ni+O→2NiO…(1)
O2Anode|L=1/Kp…(2)
O2Anode|Lは、燃料極のNiが酸化するクライテリアの酸素分圧である。つまり、酸素分圧が、PO2Anode|L以上になると燃料極中のNiは、酸化される。
また、燃料極と空気極との間の電位差(Niの酸化還元平衡電位)、すなわち、起電力Erevは、式(3)で表される。
rev=RT/4F×ln(PO2Cathode/PO2Anode)…(3)
Rは気体定数、Tはトリップ状態でのセル温度、Fはファラデー定数である。PO2Cathodeは、空気極における酸素分圧であり、0.21atmである。
Part of the air flowing outside the cell stack diffuses from the air electrode side toward the base tube. On the other hand, in the initial stop state (immediately after the fuel gas supply is stopped), the fuel gas remains in the piping in the system. The remaining fuel gas and inert gas are supplied to the base tube of the cell stack and diffuse from the inside of the base tube toward the outside. In the initial state of the trip state, oxygen diffused from the air side due to the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode and the air electrode reacts with the remaining fuel gas, so that the oxygen partial pressure P O2Anode of the fuel electrode is equal to or lower than the Ni oxidation criteria. And Ni in the fuel electrode is not oxidized. The oxygen partial pressure criteria at this time is expressed by the equation (2) using the pressure equilibrium constant Kp of the oxidation reaction of Ni at the temperature in the trip state from the reaction equation (1).
2Ni + O 2 → 2NiO (1)
P O2Anode | L = 1 / Kp (2)
P O2Anode | L is the oxygen partial pressure of the criteria at which Ni in the fuel electrode is oxidized. That is, when the oxygen partial pressure becomes P O2Anode | L or more, Ni in the fuel electrode is oxidized.
Further, the potential difference between the fuel electrode and the air electrode (Ni redox equilibrium potential), that is, the electromotive force E rev is expressed by Expression (3).
E rev = RT / 4F × ln (P O2Cathode / P O2Anode ) (3)
R is a gas constant, T is a cell temperature in a trip state, and F is a Faraday constant. P O2Cathode is the oxygen partial pressure at the air electrode and is 0.21 atm.

システム内の燃料ガス流通路が不活性ガスに置換され、残存する燃料ガスが、空気側から拡散した酸素で、消費されていくため、燃料極内の酸素分圧PO2Anodeは増加する。残存燃料ガスが消費され、燃料極の酸素分圧がNiの酸化クライテリアPO2AnodeL 以上になると空気極から拡散した酸素は、Niと反応する。このとき、高温下(100℃以上)ではNiと酸素の反応速度は、空気極から拡散する酸素の速度に比べて、十分に大きいため、空気極から拡散する酸素の拡散律速となり、燃料ガス流通路が不活性ガスで十分に置換されると、PO2Anodeは一定値PO2Anode|Lになる。従って、起電力Erevも一定となる。 The fuel gas flow path in the system is replaced with the inert gas, the fuel gas remaining in the oxygen diffused from the air side, because we are consumed, the oxygen partial pressure P O2Anode fuel in-electrode increases. When the residual fuel gas is consumed and the oxygen partial pressure of the fuel electrode becomes equal to or higher than the Ni oxidation criteria P O2Anode | L , the oxygen diffused from the air electrode reacts with Ni. At this time, the reaction rate between Ni and oxygen is sufficiently higher than that of oxygen diffusing from the air electrode at high temperatures (100 ° C or higher). When the path is fully replaced with inert gas, P O2Anode becomes a constant value P O2Anode | L. Accordingly, the electromotive force E rev is also constant.

制御部20は、取得した平均セル電圧Vcellが一定であるかを判定する(S5)。制御部20は、取得した平均セル電圧がその直前に取得した平均セル電圧に対して±5%以内である時を「セル電圧が一定」と判断する。
制御部20は、平均セル電圧Vcellが一定でない場合、セルスタックの燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。
制御部20は、平均セル電圧Vcellが一定となった場合に、その電圧をNiの酸化還元平衡電位であると判断する。制御部20は、平均セル電圧VcellがNiの酸化還元平衡電位に到達したと判断した場合、酸化ガス送給部5の流量検出器5cからの信号に基づいて流量調整弁5bを調整し、空気の供給を停止する(S6)。
The control unit 20 determines whether the acquired average cell voltage V cell is constant (S5). The control unit 20 determines that the cell voltage is constant when the acquired average cell voltage is within ± 5% of the average cell voltage acquired immediately before.
When the average cell voltage V cell is not constant, the control unit 20 continues to supply the inert gas to the fuel electrode side of the cell stack and continues to supply air to the air electrode side.
When the average cell voltage V cell becomes constant, the control unit 20 determines that the voltage is the oxidation-reduction equilibrium potential of Ni. When the control unit 20 determines that the average cell voltage V cell has reached the redox equilibrium potential of Ni, the control unit 20 adjusts the flow rate adjustment valve 5b based on the signal from the flow rate detector 5c of the oxidizing gas supply unit 5, The supply of air is stopped (S6).

図3は、燃料極側にNガスを送給し、空気極側に空気を送給しながら固体酸化物形燃料電池システムの停止を実施した場合のセルスタックの平均セル電圧の経時変化である。同図において、横軸は燃料極側に不活性ガスとしてNガスを送給した時間(Nパージ時間)、縦軸は固体酸化物形燃料電池セルの平均セル電圧である。グラフを取得した固体酸化物形燃料電池は、1本のセルスタックを収納し、1本のセルスタックに48個のセルが形成されたものである。燃料電池内のセルスタックの電圧を測定して、平均セル電圧Vcellを算出した。 FIG. 3 shows the change over time in the average cell voltage of the cell stack when N 2 gas is supplied to the fuel electrode side and the solid oxide fuel cell system is stopped while air is supplied to the air electrode side. is there. In the figure, the horizontal axis represents the time for supplying N 2 gas as an inert gas to the fuel electrode side (N 2 purge time), and the vertical axis represents the average cell voltage of the solid oxide fuel cell. The solid oxide fuel cell from which the graph is obtained is one in which one cell stack is accommodated and 48 cells are formed in one cell stack. The voltage of the cell stack in the fuel cell was measured, and the average cell voltage V cell was calculated.

図3における「0時間」は燃料極への燃料ガスの供給を停止するとともにNガスの供給を開始した時点を表している。図3の負の時間は、燃料極へ燃料ガス(Hガス)が送給され、空気極に空気が送給されている期間であることを意味する。図3の正の時間は、燃料極へNガス、空気極に空気が送給されている期間であることを意味する。
図3の例では平均電圧1.0Vで発電を実施していたが、燃料極への燃料ガスの送給を停止しNガスの送給を開始すると、電圧が急激に低下した。Nガスの送給を開始してから約2時間後に、平均電圧が0.7Vでほぼ一定となった。この平均電圧値(0.7V)は、Niの酸化還元平衡電位に相当する。
“0 hour” in FIG. 3 represents the time point when the supply of the fuel gas to the fuel electrode is stopped and the supply of the N 2 gas is started. The negative time in FIG. 3 means that the fuel gas (H 2 gas) is supplied to the fuel electrode and the air is supplied to the air electrode. The positive time in FIG. 3 means a period in which N 2 gas is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode.
In the example of FIG. 3, power generation was performed at an average voltage of 1.0 V. However, when the supply of fuel gas to the fuel electrode was stopped and the supply of N 2 gas was started, the voltage dropped sharply. About 2 hours after the start of the N 2 gas supply, the average voltage became almost constant at 0.7V. This average voltage value (0.7 V) corresponds to the oxidation-reduction equilibrium potential of Ni.

この状態で燃料極へのNガスの送給及び空気極への空気の送給を継続すると、約6時間後に平均セル電圧の低下が起こった。Nガス送給開始から9時間後に、燃料極へのNガスの送給を停止し、Hガスの送給を再開したが、発電時の平均電圧は0.925〜0.926Vであった。このことから、Nガス送給開始から約6時間後に、セルスタックの損傷が発生したと判断できる。 In this state, when the supply of N 2 gas to the fuel electrode and the supply of air to the air electrode were continued, the average cell voltage decreased after about 6 hours. N After 2 gas delivery starting from 9 hours, the feeding of N 2 gas to the fuel electrode is stopped, but resumed feeding of H 2 gas, the average voltage during the power generation in 0.925~0.926V there were. From this, it can be determined that the cell stack is damaged about 6 hours after the start of N 2 gas supply.

従って図3の例においては、平均セル電圧が一定となったNガス送給開始から2時間から6時間の間に、空気極側への空気の供給を停止する。すなわち、本実施形態においては、セルスタックの損傷が起こる前に、空気極への酸化ガスの送給を停止する。 Therefore, in the example of FIG. 3, the supply of air to the air electrode side is stopped between 2 hours and 6 hours from the start of N 2 gas supply when the average cell voltage becomes constant. That is, in this embodiment, the supply of the oxidizing gas to the air electrode is stopped before the cell stack is damaged.

空気極への空気の送給を停止した後、制御部20は流量検出器6cからの信号に基づいて流量調整弁6bを調整し、第2の不活性ガス源6aから不活性ガス(Nガス)を所定流量で送給する(S7)。これにより、固体酸化物形燃料電池12の空気極側の配管系統に、不活性ガスがパージされる。空気極側の配管系統内の空気が十分に不活性ガスに置換されると、固体酸化物形燃料電池システム1が停止する(S8)。 After stopping the supply of air to the air electrode, the control unit 20 adjusts the flow rate adjustment valve 6b based on the signal from the flow rate detector 6c, and the inert gas (N 2) from the second inert gas source 6a. Gas) at a predetermined flow rate (S7). As a result, the inert gas is purged into the piping system on the air electrode side of the solid oxide fuel cell 12. When the air in the piping system on the air electrode side is sufficiently replaced with the inert gas, the solid oxide fuel cell system 1 stops (S8).

<第2実施形態>
第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、図1の固体酸化物形燃料電池12に、セルの温度を計測する温度計が設置される。燃料電池システム内のセルスタック発電部には、最高温度と最小温度の差ΔTが100℃〜300℃程度生じる。このため、空気極からの酸素の拡散速度を考慮すると、ここで計測される温度は、セル部の最高温度部(例えば、セルスタック軸方向の中央部)の温度であることが好ましい。温度計は、図1の制御部20の入力部に接続する。
Second Embodiment
In the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment, a thermometer for measuring the cell temperature is installed in the solid oxide fuel cell 12 of FIG. In the cell stack power generation section in the fuel cell system, a difference ΔT between the maximum temperature and the minimum temperature is about 100 ° C. to 300 ° C. For this reason, in consideration of the diffusion rate of oxygen from the air electrode, the temperature measured here is preferably the temperature of the highest temperature part of the cell part (for example, the central part in the cell stack axial direction). The thermometer is connected to the input unit of the control unit 20 in FIG.

第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を以下で説明する。図4は、第2実施形態の運転方法のフローチャートである。以下では、第1実施形態と同じ構成要素について、図1と同じ符号を付して説明する。   A method for operating the solid oxide fuel cell system according to the second embodiment will be described below. FIG. 4 is a flowchart of the operation method of the second embodiment. In the following, the same components as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals as those in FIG.

図4におけるトリップ状態移行(S11)、燃料ガス供給停止(S12)、燃料極側への不活性ガスの送給(S13)、及び、電圧計測(S14)は、第1実施形態と同じである。   The trip state transition (S11), fuel gas supply stop (S12), feed of inert gas to the fuel electrode side (S13), and voltage measurement (S14) in FIG. 4 are the same as in the first embodiment. .

温度計はセルの温度を計測する(S15)。計測された温度は、制御部20に送信される。   The thermometer measures the temperature of the cell (S15). The measured temperature is transmitted to the control unit 20.

制御部20は、温度計から取得した温度に基づいて、式(3)を用いてトリップ状態におけるNiの酸化還元平衡電位Erevを算出する。制御部20は、電圧計21から取得した平均セル電圧Vcellと算出したErevとを比較し、取得したVcellがErevに到達したか否かを判断する(S16)。 Based on the temperature acquired from the thermometer, the control unit 20 calculates the oxidation-reduction equilibrium potential E rev of Ni in the trip state using Equation (3). The control unit 20 compares the average cell voltage V cell acquired from the voltmeter 21 with the calculated E rev and determines whether or not the acquired V cell has reached E rev (S16).

制御部20は、VcellがErevに到達していないと判断した場合(すなわち、Vcell>Erev)、燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。 When the control unit 20 determines that V cell has not reached E rev (that is, V cell > E rev ), the control unit 20 continues to supply the inert gas to the fuel electrode side and to the air electrode side. Continue air supply.

制御部20は、VcellがErevに到達したと判断した場合(すなわち、Vcell≦Erev)、酸化ガス送給部5の流量検出器5cからの信号に基づいて流量調整弁5bを調整し、空気の供給を停止する(S17)。 When the control unit 20 determines that V cell has reached E rev (that is, V cell ≦ E rev ), the control unit 20 adjusts the flow rate adjustment valve 5b based on the signal from the flow rate detector 5c of the oxidizing gas supply unit 5. Then, the supply of air is stopped (S17).

次いで、制御部20は、第1実施形態と同様にして、第2の不活性ガス源6aから不活性ガス(Nガス)を所定流量で送給する(S18)。空気極側の配管系統内の空気が十分に不活性ガスに置換されると、固体酸化物形燃料電池システム1が停止する(S19)。 Next, the controller 20 supplies an inert gas (N 2 gas) from the second inert gas source 6a at a predetermined flow rate in the same manner as in the first embodiment (S18). When the air in the piping system on the air electrode side is sufficiently replaced with the inert gas, the solid oxide fuel cell system 1 stops (S19).

<第3実施形態>
第3実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第1実施形態の固体酸化物形燃料電池12に設置される電圧計が省略されている。また、第2実施形態の温度計も設置されていない。
<Third Embodiment>
In the solid oxide fuel cell system according to the third embodiment, the voltmeter installed in the solid oxide fuel cell 12 of the first embodiment is omitted. Moreover, the thermometer of 2nd Embodiment is not installed.

第3実施形態では、燃料極への不活性ガスパージ時間とセル電圧、セルスタック電位あるいは、セルスタックの集合体であるカートリッジ電位との相関関係(電圧の経時変化)が予め取得されている。   In the third embodiment, the correlation (voltage change with time) of the inert gas purge time to the fuel electrode and the cell voltage, the cell stack potential, or the cartridge potential that is an assembly of cell stacks is acquired in advance.

図5は、燃料極に送給されるNガスの流量を変えた場合において、セル電圧の経時変化の一例である。同図において、横軸はNガスを送給した時間(Nパージ時間)、縦軸はセル電圧である。燃料極側に送給するNガスの流量により、セル電圧が一定となるパージ時間が異なる。「セル電圧が一定」との定義は、第1実施形態と同じとされる。図5によれば、Nガス流量5000mL/minの場合、Nパージ時間が約0.3時間(約18分)以降でセル電圧が一定となる。Nガス流量50mL/minの場合、Nパージ時間が約0.6時間(約36分)以降でセル電圧が一定となる。 FIG. 5 is an example of a change with time of the cell voltage when the flow rate of the N 2 gas supplied to the fuel electrode is changed. In the figure, the horizontal axis represents the time for supplying N 2 gas (N 2 purge time), and the vertical axis represents the cell voltage. The purge time at which the cell voltage is constant varies depending on the flow rate of N 2 gas supplied to the fuel electrode side. The definition of “constant cell voltage” is the same as in the first embodiment. According to FIG. 5, when the N 2 gas flow rate is 5000 mL / min, the cell voltage becomes constant after the N 2 purge time is about 0.3 hours (about 18 minutes). When the N 2 gas flow rate is 50 mL / min, the cell voltage becomes constant after the N 2 purge time is about 0.6 hours (about 36 minutes).

第3実施形態では、種々の不活性ガス流量について、それぞれセル電圧が一定となるパージ時間tのデータが取得される。取得されたパージ時間tのデータは、制御部に格納される。 In the third embodiment, for various inert gas flow rate, the data of the purge time t d of the cell voltage respectively is constant is obtained. Data obtained purge time t d is stored in the control unit.

第3実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を以下で説明する。図6は、第3実施形態の運転方法のフローチャートである。以下では、第1実施形態と同じ構成要素について、図1と同じ符号を付して説明する。   A method for operating the solid oxide fuel cell system according to the third embodiment will be described below. FIG. 6 is a flowchart of the operation method of the third embodiment. In the following, the same components as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals as those in FIG.

図6におけるトリップ状態移行(S21)、燃料ガス供給停止(S22)、及び、燃料極側への不活性ガスの送給(S23)は、第1実施形態と同じである。   The trip state transition (S21), fuel gas supply stop (S22), and feed of inert gas to the fuel electrode side (S23) in FIG. 6 are the same as those in the first embodiment.

制御部20は、不活性ガスの送給が開示されてからの不活性ガスパージ時間tを管理する。制御部20は、格納されているデータの中から、S23における不活性ガス供給流量でセル電圧が一定となるパージ時間tを呼び出す。制御部20は、tとtとを比較し、tがtに到達したか否かを判断する(S24)。 The control unit 20 manages the inert gas purge time t after the supply of the inert gas is disclosed. Control unit 20, from among the data stored, call the purge time t d the cell voltage is constant with an inert gas supply flow rate in S23. The control unit 20 compares t with t d and determines whether t has reached t d (S24).

制御部20は、不活性ガスパージ時間tがtに到達していないと判断した場合(すなわち、t<t)、燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。 When the control unit 20 determines that the inert gas purge time t has not reached t d (that is, t <t d ), the control unit 20 continues to supply the inert gas to the fuel electrode side and the air electrode side. Continue to supply air to

制御部20は、不活性ガスパージ時間tがtに到達したと判断した場合(すなわち、t≧t)、酸化ガス送給部5の流量検出器5cからの信号に基づいて流量調整弁5bを調整し、空気の供給を停止する(S25)。 When the control unit 20 determines that the inert gas purge time t has reached t d (ie, t ≧ t d ), the flow rate adjusting valve 5b is based on a signal from the flow rate detector 5c of the oxidizing gas supply unit 5. And the supply of air is stopped (S25).

次いで、制御部20は、第1実施形態と同様にして、第2の不活性ガス源6aから不活性ガス(Nガス)を所定流量で送給する(S26)。空気極側の配管系統内の空気が十分に不活性ガスに置換されると、固体酸化物形燃料電池システム1が停止する(S27)。 Next, the control unit 20 supplies an inert gas (N 2 gas) at a predetermined flow rate from the second inert gas source 6a in the same manner as in the first embodiment (S26). When the air in the piping system on the air electrode side is sufficiently replaced with the inert gas, the solid oxide fuel cell system 1 stops (S27).

<第4実施形態>
図7に示されている複合発電システム41は、固体酸化物形燃料電池42と、ガスタービン発電装置43から構成される。複合発電システム41は、固体酸化物形燃料電池42による発電とガスタービン発電設備43による発電を組み合わせ、高い効率を得ることができる発電システムである。
<Fourth embodiment>
A combined power generation system 41 shown in FIG. 7 includes a solid oxide fuel cell 42 and a gas turbine power generation device 43. The combined power generation system 41 is a power generation system capable of obtaining high efficiency by combining power generation by the solid oxide fuel cell 42 and power generation by the gas turbine power generation facility 43.

複合発電システム41に利用される燃料ガス、空気ガス及び不活性ガスの配管系統として、燃料ガス供給流路L1、燃料極側の不活性ガス供給流路L2、排燃料ガス流路L3、再循環ガス流路L4、燃焼器用の燃料ガス供給流路L5、酸化ガス供給流路L6、排気流路L7、空気極側の不活性ガス供給流路L8、排酸化ガス流路L9、酸化ガスバイパス流路L10、排燃料ガス排出流路L11、及び、排酸化ガス排出流路L12が設けられている。   As a piping system for fuel gas, air gas, and inert gas used in the combined power generation system 41, a fuel gas supply flow path L1, an inert gas supply flow path L2 on the fuel electrode side, an exhaust fuel gas flow path L3, a recirculation Gas passage L4, fuel gas supply passage L5 for the combustor, oxidizing gas supply passage L6, exhaust passage L7, inert gas supply passage L8 on the air electrode side, exhaust oxidizing gas passage L9, oxidizing gas bypass flow A path L10, an exhaust fuel gas discharge channel L11, and an exhaust oxidant gas discharge channel L12 are provided.

燃料ガス供給流路L1は、燃料ガスの流量を調整する流量調整弁45を介して、燃料ガス供給源44と固体酸化物形燃料電池42とを接続している。また、燃料ガス供給流路L1には、起動または停止時に不活性ガスを供給する不活性ガス供給流路L2が接続されている。燃料極側の不活性ガス供給流路L2は、不活性ガスの流量を調整する流量調整弁47を介して、燃料極側の不活性ガス供給源46が接続されている。   The fuel gas supply channel L1 connects the fuel gas supply source 44 and the solid oxide fuel cell 42 via a flow rate adjusting valve 45 that adjusts the flow rate of the fuel gas. In addition, an inert gas supply flow path L2 for supplying an inert gas at the time of starting or stopping is connected to the fuel gas supply flow path L1. The inert gas supply flow path L2 on the fuel electrode side is connected to an inert gas supply source 46 on the fuel electrode side via a flow rate adjusting valve 47 that adjusts the flow rate of the inert gas.

固体酸化物形燃料電池42の発電に利用された燃料ガスは、排燃料ガス流路L3に排出される。排燃料ガス流路L3は、燃料ガスと排燃料ガスの熱交換器48、排燃料ガス再循環ブロワ49及び流量調整弁50を介して、ガスタービン発電装置43の燃焼器51に接続されている。
熱交換器48は、燃料ガス供給流路L1から供給される燃料ガスと固体酸化物形燃料電池42から排燃料ガス流路L3に排出される発電に利用された高温の排燃料ガスとの熱交換を行い、固体酸化物形燃料電池42に供給される燃料ガスを予熱している。排燃料ガス再循環ブロワ49は、固体酸化物形燃料電池42より排燃料ガス流路に排出される排燃料ガスに含まれる未利用燃料を再循環ガス流路L4により燃料ガス供給流路L1に再循環させている。流量調整弁50は、ガスタービン発電設備43の燃焼器51に供給される排燃料ガス流路L3を流れる排燃料ガスのガス流量を制御している。
The fuel gas used for power generation of the solid oxide fuel cell 42 is discharged to the exhaust fuel gas flow path L3. The exhaust fuel gas flow path L3 is connected to the combustor 51 of the gas turbine power generation device 43 via the heat exchanger 48 for the fuel gas and the exhaust fuel gas, the exhaust fuel gas recirculation blower 49, and the flow rate adjustment valve 50. .
The heat exchanger 48 heats the fuel gas supplied from the fuel gas supply flow path L1 and the high-temperature exhaust fuel gas used for power generation discharged from the solid oxide fuel cell 42 to the exhaust fuel gas flow path L3. The fuel gas supplied to the solid oxide fuel cell 42 is preheated. The exhaust fuel gas recirculation blower 49 supplies the unused fuel contained in the exhaust fuel gas discharged from the solid oxide fuel cell 42 to the exhaust fuel gas passage into the fuel gas supply passage L1 through the recirculation gas passage L4. Recirculating. The flow rate adjustment valve 50 controls the gas flow rate of the exhaust fuel gas that flows through the exhaust fuel gas flow path L <b> 3 supplied to the combustor 51 of the gas turbine power generation equipment 43.

酸化ガス供給流路L6は、熱交換器52と、流量調整弁53を介して、ガスタービン発電設備43の圧縮機54と固体酸化物形燃料電池42を接続している。また、酸化ガス供給流路L6には、起動または停止時に不活性ガスを供給する空気極側の不活性ガス供給流路L8が接続されている。空気極側の不活性ガス供給流路L9は、不活性ガスの流量を調整する流量調整弁58を介して、空気極側の不活性ガス供給源57が接続されている。熱交換器52は、圧縮機54により加圧された酸化剤ガスと、タービン55から排燃焼ガス流路L7に排出される排燃焼ガスとで熱交換を行い、固体酸化物形燃料電池42に供給される酸化ガスを昇温している。流量調整弁53は圧縮器54から供給される酸化ガスの流量を制御している。   The oxidizing gas supply flow path L6 connects the compressor 54 of the gas turbine power generation equipment 43 and the solid oxide fuel cell 42 via the heat exchanger 52 and the flow rate adjusting valve 53. The oxidizing gas supply flow path L6 is connected to an inert gas supply flow path L8 on the air electrode side that supplies an inert gas at the time of starting or stopping. The inert gas supply flow path L9 on the air electrode side is connected to an inert gas supply source 57 on the air electrode side via a flow rate adjusting valve 58 that adjusts the flow rate of the inert gas. The heat exchanger 52 exchanges heat between the oxidant gas pressurized by the compressor 54 and the exhaust combustion gas discharged from the turbine 55 to the exhaust combustion gas flow path L7, and supplies the solid oxide fuel cell 42 to the solid oxide fuel cell 42. The temperature of the supplied oxidizing gas is raised. The flow rate adjustment valve 53 controls the flow rate of the oxidizing gas supplied from the compressor 54.

固体酸化物形燃料電池42の発電に利用された酸化ガスは、排酸化ガス流路L9に排出される。排酸化ガス流路L9は、ガスタービン発電装置43の燃焼器51に接続されおり、排酸化ガスが燃焼器51に供給される。また、排酸化ガス流路L9には、酸化ガスバイパス流路L10が接続されている。酸化ガスバイパス流路L10は、複合発電システム41の起動停止時やガスタービン発電設備43の単独運転時において、酸化ガスが固体酸化物形燃料電池42をバイパスして、燃焼器51に供給するための配管系統である。   The oxidizing gas used for power generation of the solid oxide fuel cell 42 is discharged to the exhaust oxidizing gas flow path L9. The exhaust oxidant gas flow path L9 is connected to the combustor 51 of the gas turbine power generator 43, and the exhaust oxidant gas is supplied to the combustor 51. In addition, an oxidizing gas bypass channel L10 is connected to the exhaust oxidizing gas channel L9. The oxidant gas bypass flow path L10 is used to supply the oxidant gas to the combustor 51 by bypassing the solid oxide fuel cell 42 when the combined power generation system 41 is started and stopped or when the gas turbine power generation facility 43 is operated alone. This is a piping system.

ガスタービン発電設備43には、酸化ガスを圧縮する圧縮機54と、ガスタービンを駆動させるための燃焼ガスを生成する燃焼器51と、燃焼ガスを膨張させて回転するタービン55と、が備えられている。圧縮機54は、タービン55と同軸に連結されている。また、発電機56は、タービン55と同軸に連結されている。   The gas turbine power generation equipment 43 includes a compressor 54 that compresses the oxidizing gas, a combustor 51 that generates combustion gas for driving the gas turbine, and a turbine 55 that rotates by expanding the combustion gas. ing. The compressor 54 is connected to the turbine 55 coaxially. Further, the generator 56 is connected to the turbine 55 coaxially.

燃焼器51は、固体酸化物形燃料電池が排出される燃料ガスと酸化ガスとを燃焼させて高温高圧の燃焼ガスをタービン55に供給している。また、燃焼器51には、排燃料ガス流路L3とは別に、直接燃料ガスを供給するための燃焼器用の燃料ガス供給流路L5が接続されている。燃焼器用の燃料ガス供給流路L5は、流量調整弁60を介して燃焼器51と燃料ガス源59とを接続している。   The combustor 51 burns the fuel gas and the oxidizing gas discharged from the solid oxide fuel cell, and supplies a high-temperature and high-pressure combustion gas to the turbine 55. In addition to the exhaust fuel gas flow path L3, a combustor fuel gas supply flow path L5 for supplying fuel gas directly is connected to the combustor 51. The combustor fuel gas supply flow path L <b> 5 connects the combustor 51 and the fuel gas source 59 via the flow rate adjusting valve 60.

次に上記構成の複合発電システムの動作について説明する。
ガスタービン発電装置43の圧縮機54で圧縮され、吐出された吐出空気(酸化ガス)は、酸化ガス流路L6を通って固体酸化物形燃料電池42の空気極に供給される。
この吐出空気(酸化ガス)は固体酸化物形燃料電池42で酸化剤として発電に用いられた後、排酸化ガス流路L9に排出され、ガスタービン発電装置43の燃焼器51に供給される。
Next, the operation of the combined power generation system configured as described above will be described.
The discharged air (oxidized gas) compressed and discharged by the compressor 54 of the gas turbine power generator 43 is supplied to the air electrode of the solid oxide fuel cell 42 through the oxidizing gas flow path L6.
The discharged air (oxidizing gas) is used as an oxidant in the solid oxide fuel cell 42 for power generation, then discharged to the exhaust oxidizing gas flow path L9 and supplied to the combustor 51 of the gas turbine power generator 43.

酸化ガス供給流路L6に介装される流量調整弁53は、固体酸化物形燃料電池42とガスタービン発電装置43とを切り離すために用いられ、ノルマルクローズの流量調整弁が備えられている。排酸化ガス流路L9に介装される流量調整弁61も同様に、固体酸化物形燃料電池42とガスタービン発電設備43とを切り離すために用いられ、ノルマルクローズの自動弁が備えられている。   The flow rate adjustment valve 53 interposed in the oxidizing gas supply flow path L6 is used to separate the solid oxide fuel cell 42 and the gas turbine power generation device 43, and is provided with a normally closed flow rate adjustment valve. Similarly, the flow rate adjustment valve 61 interposed in the exhaust oxidation gas flow path L9 is used for separating the solid oxide fuel cell 42 and the gas turbine power generation equipment 43, and is provided with a normally closed automatic valve. .

また、固体酸化物形燃料電池42の燃料極には、燃料ガス供給流路L1から燃料ガスとして、例えば都市ガス(天然ガス)等が供給される。この燃料ガスは固体酸化物形燃料電池42で還元剤として一部が発電に用いられた後、固体酸化物形燃料電池42の燃料極側から排燃料ガス流路L3に排出される。この排燃料ガスは、排燃料ガス流路L3を通って燃焼器51に供給される。排燃料ガス流路L3には、排燃料ガスの圧力を調整する流量調整弁50が介装され、ノルマルクローズの自動弁が備えられている。   Further, for example, city gas (natural gas) or the like is supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell 42 as the fuel gas from the fuel gas supply flow path L1. A part of the fuel gas is used as a reducing agent for power generation in the solid oxide fuel cell 42 and then discharged from the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell 42 to the exhaust fuel gas passage L3. The exhaust fuel gas is supplied to the combustor 51 through the exhaust fuel gas flow path L3. The exhaust fuel gas flow path L3 is provided with a flow rate adjusting valve 50 for adjusting the pressure of the exhaust fuel gas, and is provided with a normally closed automatic valve.

ガスタービン発電装置43の燃焼器51では、排酸化ガス流路L9からの排酸化ガスを用いて排燃料ガス流路L3から供給される排燃料ガス及び燃焼器用の燃料ガス流路L5により供給される燃料ガス、たとえば、都市ガス(天然ガス)を燃焼させ、生成した高温高圧の燃焼ガスをタービン55へ供給する。   In the combustor 51 of the gas turbine power generation device 43, the exhaust gas supplied from the exhaust fuel gas passage L3 using the exhaust oxidation gas from the exhaust oxidation gas passage L9 and the fuel gas passage L5 for the combustor are supplied. A fuel gas such as city gas (natural gas) is combusted, and the generated high-temperature and high-pressure combustion gas is supplied to the turbine 55.

燃焼ガスの供給を受けたタービン55では、燃焼ガスが膨張する際のエネルギーで回転して軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機56の駆動に使用されて電気エネルギーに変換されるが、一部は圧縮機54の駆動源として使用される。燃焼ガスは、タービン55で利用された後には熱交換器52で吐出空気(酸化ガス)と熱交換すべく、排燃焼ガス流路L7に排出される。   The turbine 55 that has been supplied with the combustion gas rotates with the energy generated when the combustion gas expands to generate a shaft output. This shaft output is mainly used for driving the generator 56 and converted into electric energy, but a part thereof is used as a drive source for the compressor 54. After being used in the turbine 55, the combustion gas is discharged into the exhaust combustion gas flow path L7 in order to exchange heat with the discharge air (oxidizing gas) in the heat exchanger 52.

なお、上述のように、固体酸化物形燃料電池42から排出された排燃料ガスの一部を再び固体酸化物形燃料電池42の燃料極側に戻し、残りの排燃料ガスの一部をガスタービン発電装置の燃焼器51に送るように構成されていてもよいし、固体酸化物形燃料電池42から排出された排燃料ガスの全てをガスタービン発電装置の燃焼器51側に送る構成とされていてもよい。   As described above, a part of the exhaust fuel gas discharged from the solid oxide fuel cell 42 is returned to the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell 42, and a part of the remaining exhaust fuel gas is gasified. It may be configured to be sent to the combustor 51 of the turbine power generator, or may be configured to send all of the exhaust fuel gas discharged from the solid oxide fuel cell 42 to the combustor 51 side of the gas turbine power generator. It may be.

複合発電システムの運転状態について説明する。制御部62は、ガスタービン発電設備43の燃焼器51に燃料ガスと酸化ガスを供給することでタービン55を起動させる。制御部62はタービン55の起動状態を検知し、圧縮機54による固体酸化物形燃料電池42への空気の送給を開始する。空気は、熱交換器52において、タービン55の排燃焼ガスとの熱交換を行い、熱交換器52の出口において200〜500℃程度に加熱される。圧縮機54は外気から空気を取り込んで圧縮することで酸化ガスを送給している。   The operating state of the combined power generation system will be described. The control unit 62 activates the turbine 55 by supplying fuel gas and oxidizing gas to the combustor 51 of the gas turbine power generation equipment 43. The control unit 62 detects the startup state of the turbine 55 and starts supplying air to the solid oxide fuel cell 42 by the compressor 54. The air exchanges heat with the exhaust combustion gas of the turbine 55 in the heat exchanger 52, and is heated to about 200 to 500 ° C. at the outlet of the heat exchanger 52. The compressor 54 feeds the oxidizing gas by taking in air from the outside air and compressing it.

固体酸化物形燃料電池42に対する空気の送給により、固体酸化物形燃料電池42が所定の温度まで昇温されるのを温度検出器68で検知すると、燃料ガス供給流路L1に介装されている流量調整弁45を調整して、燃料ガス源44からの燃料ガスの供給を開始する。   When the temperature detector 68 detects that the temperature of the solid oxide fuel cell 42 is raised to a predetermined temperature due to the supply of air to the solid oxide fuel cell 42, the fuel gas supply channel L1 is interposed. The supply of the fuel gas from the fuel gas source 44 is started by adjusting the flow rate adjusting valve 45.

燃料ガス及び酸化ガスは、それぞれ固体酸化物形燃料電池42の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部に送給される。燃料ガスは、燃料ガス供給部から固体酸化物形燃料電池42内のセルスタックの基体管内部に送給されて、燃料ガス排出部に向かって基体管内部を流通する。空気は、酸化ガス供給部からセルスタックの周囲に送給され、酸化ガス排出部から排出される。セルスタックの内外を流通する燃料ガスと空気は、セルの各々の固体電解質膜において反応し、電気が発生する。   The fuel gas and the oxidizing gas are supplied to the fuel gas supply unit and the oxidizing gas supply unit of the solid oxide fuel cell 42, respectively. The fuel gas is supplied from the fuel gas supply unit to the inside of the base tube of the cell stack in the solid oxide fuel cell 42 and flows through the base tube toward the fuel gas discharge unit. The air is supplied from the oxidizing gas supply unit to the periphery of the cell stack and is discharged from the oxidizing gas discharge unit. The fuel gas and air flowing inside and outside the cell stack react in each solid electrolyte membrane of the cell to generate electricity.

固体酸化物形燃料電池42から排出される排燃料ガス及び排酸化ガスは、それぞれ排燃料ガス流路L3及び排酸化ガス流路L9により燃焼器51に送給され、燃焼器51において燃焼している。   The exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas discharged from the solid oxide fuel cell 42 are supplied to the combustor 51 through the exhaust fuel gas passage L3 and the exhaust oxidant gas passage L9, and burned in the combustor 51. Yes.

上述の運転状態にある複合発電システム41においてシステム異常が検出される。これにより、複合発電システム41が停止状態に移行する。   A system abnormality is detected in the combined power generation system 41 in the above-described operation state. Thereby, the combined power generation system 41 shifts to a stopped state.

停止状態に移行すると、制御部62は、燃料ガス供給流路L1の流量検出器63からの信号に基づいて流量調整弁45を調整し、燃料ガス源44からの燃料ガスの供給を停止する。
この停止状態に移行する際に、燃料ガス供給流路L5に介装されている流量調整弁60を調整し、ガスタービン発電装置の燃焼器51への燃料ガス源59から燃料ガスの送給を開始することで、タービン55を単独運転させる。なお、図7において、燃料ガス源59は燃料ガス源46と別々に図示されているが、同一の燃料ガス源に接続されていても良い。
When shifting to the stop state, the control unit 62 adjusts the flow rate adjustment valve 45 based on the signal from the flow rate detector 63 of the fuel gas supply flow path L1, and stops the supply of fuel gas from the fuel gas source 44.
When shifting to this stop state, the flow rate adjusting valve 60 interposed in the fuel gas supply flow path L5 is adjusted, and the fuel gas is supplied from the fuel gas source 59 to the combustor 51 of the gas turbine power generator. By starting, the turbine 55 is operated alone. In FIG. 7, the fuel gas source 59 is illustrated separately from the fuel gas source 46, but may be connected to the same fuel gas source.

次いで、制御部62は流量検出器64からの信号に基づいて流量調整弁47を調整し、燃料極側のパージガス供給源46から不活性ガスを所定流量で送給する。これにより、燃料極側の配管系統(L1、L2、L3、L4)が不活性ガスでパージされる。この時、空気極側への空気の送給は継続される。このため、固体酸化物形燃料電池42内の残留熱の一部は送給される空気により熱交換されることから、セルスタックの発電部はその運転温度である950℃よりも低い温度領域である650℃〜850℃に冷却されている。また、固体酸化物形燃料電池42内に送給される空気は熱交換器52を迂回して送給(図示しない)することも可能である。これにより固体酸化物形燃料電池42内の冷却をより促進することが可能である。燃料極側の配管系統に不活性ガスをパージする際には、排燃料ガス流路L3に介装される流量調整弁50を閉じることで燃料極側の配管系統のパージを実施する。   Next, the control unit 62 adjusts the flow rate adjustment valve 47 based on the signal from the flow rate detector 64 and supplies the inert gas at a predetermined flow rate from the purge gas supply source 46 on the fuel electrode side. Thereby, the piping system (L1, L2, L3, L4) on the fuel electrode side is purged with the inert gas. At this time, the supply of air to the air electrode side is continued. For this reason, part of the residual heat in the solid oxide fuel cell 42 is heat-exchanged by the supplied air, so that the power generation unit of the cell stack is in a temperature region lower than its operating temperature of 950 ° C. It is cooled to some 650 ° C to 850 ° C. In addition, the air supplied into the solid oxide fuel cell 42 can be supplied (not shown) by bypassing the heat exchanger 52. As a result, cooling in the solid oxide fuel cell 42 can be further promoted. When purging the inert gas to the fuel electrode side piping system, the fuel electrode side piping system is purged by closing the flow rate adjusting valve 50 interposed in the exhaust fuel gas flow path L3.

第1実施形態と同様に、電圧計67は、所定の時間間隔でセルスタックの電圧を計測する。計測された電圧は、制御部62に送信される。制御部62は、1つのセルスタックの電圧について、平均セル電圧Vcellを取得する。 Similar to the first embodiment, the voltmeter 67 measures the voltage of the cell stack at a predetermined time interval. The measured voltage is transmitted to the control unit 62. The control unit 62 acquires the average cell voltage V cell for the voltage of one cell stack.

制御部62は、平均セル電圧Vcellが一定でない場合、セルスタックの燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。
制御部62は、平均セル電圧Vcellが一定となった場合に、その電圧をNiの酸化還元平衡電位であると判断する。制御部62は、平均セル電圧VcellがNiの酸化還元平衡電位に到達したと判断した場合、酸化ガス送給経路L6の流量検出器65からの信号に基づいて流量調整弁53を調整する。この状態において、酸化ガスは、酸化ガスバイパス流路L10に介装される流量調整弁69を開くことで、酸化ガスバイパス流路L10を介して燃焼器51に送給される。なお、制御部62における平均セル電圧を考慮する固体酸化物形燃料電池42の停止判断は第1実施形態と同様に行われる。
When the average cell voltage V cell is not constant, the control unit 62 continues to supply the inert gas to the fuel electrode side of the cell stack and continues to supply air to the air electrode side.
When the average cell voltage V cell becomes constant, the control unit 62 determines that the voltage is the oxidation-reduction equilibrium potential of Ni. When the control unit 62 determines that the average cell voltage V cell has reached the oxidation-reduction equilibrium potential of Ni, the control unit 62 adjusts the flow rate adjustment valve 53 based on a signal from the flow rate detector 65 of the oxidizing gas supply path L6. In this state, the oxidizing gas is supplied to the combustor 51 through the oxidizing gas bypass flow path L10 by opening the flow rate adjustment valve 69 interposed in the oxidizing gas bypass flow path L10. In addition, the stop determination of the solid oxide fuel cell 42 in consideration of the average cell voltage in the control unit 62 is performed in the same manner as in the first embodiment.

固体酸化物形燃料電池42の空気極に空気の送給の停止は、酸化ガスバイパス流路L10に介装される流量調整弁を開くと同時に流量調整弁53を閉じることで行われる。これにより圧縮機54から供給される酸化ガスは、燃焼器51に対して継続して送給されることから、ガスタービン発電設備43は停止することなく、単独運転を継続することもかのうであり、所定の停止動作により運転を停止しても良い。   The supply of air to the air electrode of the solid oxide fuel cell 42 is stopped by opening the flow rate adjustment valve interposed in the oxidizing gas bypass flow path L10 and simultaneously closing the flow rate adjustment valve 53. As a result, the oxidizing gas supplied from the compressor 54 is continuously supplied to the combustor 51, so that the gas turbine power generation equipment 43 can be continuously operated without stopping. The operation may be stopped by a predetermined stop operation.

次に、制御部62は流量検出器66からの信号に基づいて流量調整弁58を開き、空気極側の不活性ガス源57から不活性ガス(Nガス)を所定流量で送給する。また、排酸化ガスパージ流路L12に介装される流量調整弁71を開き、排酸化ガス流路L9に介装される流量調整弁61を閉じることで空気極側の配管系統のパージを実施する。空気極側の圧力が燃料極側の圧力よりも高くなると、セルの空気極側から燃料極側に酸素イオンが透過しやすくなり、燃料極が再酸化されることでセルのロバスト性が低下することから、流量調整弁70及び71のそれぞれを通過するガスの流量を燃料極側の圧力が空気極側の圧力と同等かそれ以上になるように調整している。 Next, the control unit 62 opens the flow rate adjustment valve 58 based on a signal from the flow rate detector 66 and supplies an inert gas (N 2 gas) from the inert gas source 57 on the air electrode side at a predetermined flow rate. Further, the flow rate adjustment valve 71 interposed in the exhaust oxidation gas flow path L12 is opened, and the flow rate adjustment valve 61 interposed in the exhaust oxidation gas flow path L9 is closed, thereby purging the piping system on the air electrode side. . When the pressure on the air electrode side becomes higher than the pressure on the fuel electrode side, oxygen ions easily pass from the air electrode side of the cell to the fuel electrode side, and the fuel electrode is reoxidized, thereby reducing the robustness of the cell. Therefore, the flow rate of the gas passing through each of the flow rate adjusting valves 70 and 71 is adjusted so that the pressure on the fuel electrode side is equal to or higher than the pressure on the air electrode side.

排燃料ガスパージ流路L11及び排酸化ガスパージ流路L12の出口を合流させて、触媒燃焼器(図示しない)に接続することで、触媒燃焼器により差圧を制御しながら排出されても良く、所定の排ガス処理(図示しない)を実施することで大気解放されても良い。   The outlets of the exhaust fuel gas purge flow path L11 and the exhaust oxidation gas purge flow path L12 may be joined and connected to a catalytic combustor (not shown) so that the exhaust may be discharged while controlling the differential pressure by the catalytic combustor. May be released to the atmosphere by performing exhaust gas treatment (not shown).

固体酸化物形燃料電池42の燃料極側のパージ配管系統(L1、L3の固体酸化物形燃料電池から流量調整弁50まで,L4)及び空気極側のパージ配管系統(L6、L9の固体酸化物形燃料電池から流量調整弁61まで)が、不活性ガスで置換されると、流量調整弁70と71は閉じられ、固体酸化物形燃料電池42は停止する。   Purge piping system on the fuel electrode side of the solid oxide fuel cell 42 (from the solid oxide fuel cells L1 and L3 to the flow control valve 50, L4) and the purge piping system on the air electrode side (solid oxidation of L6 and L9) When the physical fuel cell (from the fuel cell to the flow control valve 61) is replaced with an inert gas, the flow control valves 70 and 71 are closed and the solid oxide fuel cell 42 is stopped.

上記では、第1実施形態と同じにより固体酸化物形燃料電池を停止させることを説明したが、第2実施形態または第3実施形態と同じ工程により固体酸化物形燃料電池の停止を行っても良い。   In the above description, the solid oxide fuel cell is stopped in the same manner as in the first embodiment. However, even if the solid oxide fuel cell is stopped in the same process as in the second embodiment or the third embodiment. good.

1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料ガス送給部
2a,59 燃料ガス源
2b,3b,5b,6b,45,47,50,53,58,60,61 流量調整弁
2c,3c,5c,6c,63,64,65,66 流量検出器
3 燃料極不活性ガス送給部
3a 第1の不活性ガス源
4,7 送給ファン
5 酸化ガス送給部
5a エアフィルタ
6 空気極不活性ガス送給部
6a 第2の不活性ガス源
11,14,48,52 熱交換器
12 固体酸化物形燃料電池
13,51 燃焼器
15 排ガスボイラ
16 煙突
20,62 制御部
21,67 電圧計
41 複合発電システム
42 固体酸化物形燃料電池
43 ガスタービン発電装置
44 燃料ガス供給源
46,57 不活性ガス供給源
49 排燃料ガス再循環ブロワ
54 圧縮機
55 タービン
56 発電機
68 温度検出器
69,70,71 流量調整弁
L1,L5 燃料ガス供給流路
L2,L8 不活性ガス供給流路
L3 排燃料ガス流路
L4 再循環ガス流路
L6 酸化ガス供給流路
L7 排気流路
L9 排酸化ガス流路
L10 酸化ガスバイパス流路
L11 排燃料ガス排出流路
L12 排酸化ガス排出流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell system 2 Fuel gas supply part 2a, 59 Fuel gas source 2b, 3b, 5b, 6b, 45, 47, 50, 53, 58, 60, 61 Flow control valve 2c, 3c, 5c, 6c, 63, 64, 65, 66 Flow rate detector 3 Fuel electrode inert gas feed unit 3a First inert gas source 4, 7 Feed fan 5 Oxidizing gas feed unit 5a Air filter 6 Air electrode inert gas Feed unit 6a Second inert gas source 11, 14, 48, 52 Heat exchanger 12 Solid oxide fuel cell 13, 51 Combustor 15 Exhaust gas boiler 16 Chimney 20, 62 Control unit 21, 67 Voltmeter 41 Composite Power generation system 42 Solid oxide fuel cell 43 Gas turbine power generation device 44 Fuel gas supply source 46, 57 Inert gas supply source 49 Waste fuel gas recirculation blower 54 Compressor 55 Turbine 56 Power generation Machine 68 Temperature detector 69, 70, 71 Flow rate adjusting valve L1, L5 Fuel gas supply flow path L2, L8 Inert gas supply flow path L3 Waste fuel gas flow path L4 Recirculation gas flow path L6 Oxidation gas supply flow path L7 Exhaust Flow path L9 Exhaust oxidation gas flow path L10 Oxidation gas bypass flow path L11 Exhaust fuel gas discharge flow path L12 Exhaust oxidation gas discharge flow path

Claims (12)

複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを含み、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給し、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給して、前記セルの電解質膜において高温状態で前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
高温状態で前記燃料ガスの送給を停止し、前記燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記空気極への前記酸化ガスの送給を継続させる第1の不活性ガスパージ工程と、
前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第2の不活性ガスパージ工程とを含む固体酸化物形燃料電池の運転方法。
Including one or a plurality of cell stacks having a plurality of cells, supplying a fuel gas to a fuel electrode side of the cell stack, and supplying an oxidizing gas containing oxygen to an air electrode side of the cell stack, A method for operating a solid oxide fuel cell that generates electricity by reacting the fuel gas and the oxidizing gas at a high temperature in an electrolyte membrane of a cell,
A first inert gas that stops the supply of the fuel gas in a high temperature state, supplies the inert gas to the fuel electrode side at a predetermined flow rate, and continues the supply of the oxidizing gas to the air electrode. A gas purge step;
When the voltage between the fuel electrode and the air electrode in the cell reaches a predetermined voltage, the supply of the oxidizing gas is stopped at a high temperature, and the inert gas is supplied to the air electrode at a predetermined flow rate. A solid oxide fuel cell operating method comprising: a second inert gas purge step of feeding and stopping the operation of the solid oxide fuel cell.
前記燃料極側に不活性ガスを送給し、前記空気極側に前記酸化ガスを送給する間の前記電圧を計測する電圧計測工程を更に含み、
前記第2の不活性ガスパージ工程において、前記計測された電圧が一定となる場合に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給する請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
A voltage measuring step of feeding an inert gas to the fuel electrode side and measuring the voltage while feeding the oxidizing gas to the air electrode side;
In the second inert gas purge step, when the measured voltage becomes constant, the supply of the oxidizing gas is stopped in a high temperature state and the inert gas is supplied to the air electrode side. 2. A method for operating the solid oxide fuel cell according to 1.
前記セルの温度を計測するセル温度計測工程と、
前記計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧とする酸化還元平衡電位算出工程とを更に含む請求項1または請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
A cell temperature measuring step for measuring the temperature of the cell;
The oxidation-reduction equilibrium potential of the material of the said fuel electrode in the measured temperature is further calculated, The oxidation-reduction equilibrium potential calculation process which uses this oxidation-reduction equilibrium potential as the said predetermined voltage is further included. Operating method of solid oxide fuel cell.
前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関を予め取得し、該相関に基づいて前記所定流量での前記所定電圧となる前記送給時間を取得するパージ時間決定工程を備え、
前記第2の不活性ガスパージ工程において、前記パージ時間決定工程により設定された前記送給時間に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給する請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
A correlation between the inert gas supply time and the voltage when the inert gas at the predetermined flow rate is supplied to the fuel electrode side is acquired in advance, and the predetermined voltage at the predetermined flow rate is obtained based on the correlation. A purge time determining step of acquiring the feeding time to be
In the second inert gas purge step, when the delivery time set in the purge time determination step is reached, the supply of the oxidizing gas is stopped at a high temperature state, and the inert gas is introduced to the air electrode side. The operation method of the solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、燃焼器、圧縮機、タービン及び発電機を有するガスタービン発電設備とが連結されている複合発電システムの運転方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備が運転している場合に、高温状態で第1の燃料ガス源から前記燃料電池への燃料ガスの送給を停止し、前記セルの燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記圧縮機から前記セルの空気極側への酸化ガスの送給を継続させる第1の不活性ガスパージ工程と、
前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記燃料電池への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第2の不活性ガスパージ工程とを含む複合発電システムの運転方法。
Method of operating a combined power generation system in which a solid oxide fuel cell including one or a plurality of cell stacks having a plurality of cells and a gas turbine power generation facility including a combustor, a compressor, a turbine, and a generator are connected Because
When the solid oxide fuel cell and the gas turbine power generation facility are in operation, the supply of fuel gas from the first fuel gas source to the fuel cell is stopped in a high temperature state, and the fuel electrode of the cell A first inert gas purge step of supplying an inert gas to the side at a predetermined flow rate and continuing to supply an oxidizing gas from the compressor to the air electrode side of the cell;
When the voltage between the fuel electrode and the air electrode in the cell reaches a predetermined voltage, the supply of the oxidizing gas to the fuel cell is stopped in a high temperature state, and the inert gas on the air electrode side And a second inert gas purge step of stopping the operation of the solid oxide fuel cell.
前記第1の不活性ガスパージ工程において、第2の燃料ガス源から前記燃焼器への燃料ガスの供給を開始し、
前記第2の不活性ガスパージ工程において、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを直接送給して、前記ガスタービン発電設備の運転を継続させる請求項5に記載の複合発電システムの運転方法。
In the first inert gas purge step, the supply of fuel gas from the second fuel gas source to the combustor is started,
The method of operating a combined power generation system according to claim 5, wherein, in the second inert gas purge step, the oxidizing gas is directly supplied from the compressor to the combustor to continue the operation of the gas turbine power generation facility. .
複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、
前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する燃料ガス送給部と、
前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給する酸化ガス送給部と、
前記セルスタックの燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、
前記セルスタックの空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、
前記燃料極側への前記燃料ガスの送給を停止するとともに前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記空気極側への前記酸化ガスの送給を停止するとともに前記空気極側へ前記不活性ガスを送給する制御部とを備える固体酸化物形燃料電池システム。
A solid oxide fuel cell comprising one or more cell stacks having a plurality of cells;
A fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel electrode side of the cell stack;
An oxidizing gas supply unit for supplying an oxidizing gas containing oxygen to the air electrode side of the cell stack;
A fuel electrode-side inert gas feeding unit for feeding an inert gas to the fuel electrode side of the cell stack;
An air electrode side inert gas supply unit for supplying an inert gas to the air electrode side of the cell stack;
The supply of the fuel gas to the fuel electrode side is stopped and the inert gas is supplied to the fuel electrode side, and the voltage between the fuel electrode and the air electrode in the cell reaches a predetermined voltage. A solid oxide fuel cell system comprising: a controller that stops the supply of the oxidizing gas to the air electrode side at a high temperature and supplies the inert gas to the air electrode side.
前記固体酸化物形燃料電池に、前記電圧を計測する電圧計が設置される請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The solid oxide fuel cell system according to claim 7, wherein a voltmeter for measuring the voltage is installed in the solid oxide fuel cell. 前記固体酸化物形燃料電池に、前記セルの温度を計測する温度計が設置され、
前記制御部が、前記温度計で計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧に設定する請求項7または請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
A thermometer that measures the temperature of the cell is installed in the solid oxide fuel cell,
9. The control unit according to claim 7, wherein the control unit calculates an oxidation-reduction equilibrium potential of the material of the fuel electrode at a temperature measured by the thermometer, and sets the oxidation-reduction equilibrium potential to the predetermined voltage. Solid oxide fuel cell system.
前記制御部に、前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関が予め格納され、
前記制御部が、前記相関に基づいて前記酸化ガスの送給の停止及び前記空気極への前記不活性ガスの供給の開始を実施する時期を決定する請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
The controller stores in advance a correlation between the inert gas supply time and the voltage when the predetermined flow rate of the inert gas is supplied to the fuel electrode side,
8. The solid oxide fuel according to claim 7, wherein the control unit determines a timing for stopping the supply of the oxidizing gas and starting the supply of the inert gas to the air electrode based on the correlation. Battery system.
複数のセルを有する1つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、
タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記セルスタックの空気極に酸化ガスを送給可能とする圧縮機とを備えるガスタービン発電設備と、
前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する第1の燃料ガス送給部と、
前記燃焼器に燃料ガスを送給する第2の燃料ガス送給部と、
前記燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、
前記空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、
制御部とを備え、
前記空気極から排出された前記酸化ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記空気極と前記燃焼器とが連結され、
前記燃料極から排出された前記燃料ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記燃料極と前記燃焼器とが連結され、
前記制御部が、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備の運転時に、前記第1の燃料ガス送給部から前記燃料極に燃料ガスを送給させるとともに、前記燃料極から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に送給させ、前記圧縮機から前記空気極に酸化ガスを送給させるとともに、前記空気極から排出された前記酸化ガスを前記燃焼器に送給させ、
前記固体酸化物形燃料電池の停止時に、前記第1の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給を停止するとともに、前記燃料極側不活性ガス送給部から前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、
前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側不活性ガス送給部から前記空気極側へ前記不活性ガスを送給させる複合発電システム。
A solid oxide fuel cell comprising one or more cell stacks having a plurality of cells;
A turbine, a generator connected to the turbine, a combustor for supplying combustion gas to the turbine, and a compressor capable of supplying oxidizing gas to the air electrode of the combustor and the cell stack. A gas turbine power generation facility;
A first fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the fuel electrode side of the cell stack;
A second fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the combustor;
A fuel electrode-side inert gas supply unit for supplying an inert gas to the fuel electrode side;
An air electrode side inert gas feed unit for feeding an inert gas to the air electrode side;
A control unit,
The air electrode and the combustor are connected so that the oxidizing gas discharged from the air electrode is supplied to the combustor.
The fuel electrode and the combustor are connected so that the fuel gas discharged from the fuel electrode is fed to the combustor,
The control unit is
During operation of the solid oxide fuel cell and the gas turbine power generation facility, fuel gas is supplied from the first fuel gas supply unit to the fuel electrode, and the fuel gas discharged from the fuel electrode is discharged. The oxidant gas is supplied from the compressor to the air electrode, and the oxidant gas discharged from the air electrode is supplied to the combustor.
When the solid oxide fuel cell is stopped, the supply of the fuel gas from the first fuel gas supply unit to the fuel electrode is stopped and the fuel from the fuel electrode side inert gas supply unit is stopped. Send the inert gas to the pole side,
When the voltage between the fuel electrode and the air electrode in the cell reaches a predetermined voltage, the supply of the oxidizing gas from the compressor to the air electrode is stopped in a high temperature state, and the air electrode side A combined power generation system that feeds the inert gas from an inert gas feeding unit to the air electrode side.
前記制御部が、
前記第1の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給が停止されたときに、前記第2の燃料ガス送給部から前記燃焼器に燃料ガスを送給させ、
前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給が停止されたときに、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを送給させる請求項11に記載の複合発電システム。
The control unit is
When the supply of the fuel gas from the first fuel gas supply unit to the fuel electrode is stopped, the fuel gas is supplied from the second fuel gas supply unit to the combustor,
The combined power generation system according to claim 11, wherein when the supply of the oxidizing gas from the compressor to the air electrode is stopped, the oxidizing gas is supplied from the compressor to the combustor.
JP2012036309A 2012-02-22 2012-02-22 Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system Active JP5701233B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012036309A JP5701233B2 (en) 2012-02-22 2012-02-22 Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012036309A JP5701233B2 (en) 2012-02-22 2012-02-22 Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013171782A JP2013171782A (en) 2013-09-02
JP5701233B2 true JP5701233B2 (en) 2015-04-15

Family

ID=49265598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012036309A Active JP5701233B2 (en) 2012-02-22 2012-02-22 Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5701233B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105580178B (en) * 2013-09-23 2018-01-05 康维恩公司 Recirculation device and method for high-temperature battery system
JP6151174B2 (en) * 2013-12-25 2017-06-21 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Method for stopping fuel cell system and fuel cell system
JP6229496B2 (en) * 2013-12-27 2017-11-15 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell
JP2015133205A (en) * 2014-01-10 2015-07-23 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Fuel battery controller, fuel battery system including the same, hybrid power generation system, and control method of fuel battery
JP6494981B2 (en) * 2014-11-12 2019-04-03 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Solid oxide fuel cell system, combined power generation system including the same, and method for stopping solid oxide fuel cell system
JP6776794B2 (en) * 2016-10-13 2020-10-28 三浦工業株式会社 Fuel cell system
JP2021103642A (en) * 2019-12-25 2021-07-15 富士電機株式会社 Fuel cell system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2593195B2 (en) * 1988-07-22 1997-03-26 三菱電機株式会社 How to stop operation of fuel cell
JPH02244559A (en) * 1989-03-17 1990-09-28 Fuji Electric Co Ltd Method of stopping operation of fuel cell
JPH06223851A (en) * 1993-01-28 1994-08-12 Fuji Electric Co Ltd Fuel cell and gas turbine combined generation system
JP3570570B2 (en) * 1995-01-17 2004-09-29 石川島播磨重工業株式会社 Molten carbonate fuel cell power generator
JP5166660B2 (en) * 2001-07-19 2013-03-21 三菱重工業株式会社 Combined power generation system
JP2006100153A (en) * 2004-09-30 2006-04-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Operation method of solid oxide fuel cell, and power generation facility of solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013171782A (en) 2013-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5701233B2 (en) Operation method of solid oxide fuel cell, operation method of combined power generation system, solid oxide fuel cell system, and combined power generation system
JP6616054B1 (en) Fuel cell system, combined power generation system, and control method for fuel cell system
US9482159B2 (en) Power generation system and operating method thereof
US10950875B1 (en) SOFC system and method to decrease anode oxidation
US7691510B2 (en) Fuel cell system with differential pressure control
JPWO2007063826A1 (en) Fuel cell system
US20100035098A1 (en) Using chemical shorting to control electrode corrosion during the startup or shutdown of a fuel cell
US20070154752A1 (en) Starting up and shutting down a fuel cell stack
JP6494981B2 (en) Solid oxide fuel cell system, combined power generation system including the same, and method for stopping solid oxide fuel cell system
JP6817729B2 (en) Fuel cell control device and control method and power generation system
KR102168486B1 (en) System and method for fuel cell stack temperature control
US20130221675A1 (en) Gas turbine combined power generation system with high temperature fuel cell and operating method thereof
JP5836044B2 (en) Gas turbine combined power generation system having high temperature fuel cell and operation method of gas turbine combined power generation system having high temperature fuel cell
JP2017147124A (en) Control device for fuel battery power generation system, power generation system and control method for fuel battery power generation system
JP6804232B2 (en) Power generation system and its protection control method
JP2011076945A (en) Solid oxide fuel cell system
JP2015125828A (en) Method for stopping fuel battery system and fuel battery system
KR102683313B1 (en) Methods for Transitioning a Fuel Cell System between Modes of Operation
JP2018006005A (en) Control device and control method of fuel cell, and power generating system
JP6783094B2 (en) Fuel cell control device, fuel cell protection control method, and power generation system
JP6771962B2 (en) Fuel cell control device and control method and power generation system
WO2024053133A1 (en) Hydrogen production system and method for controlling hydrogen production system
JP2014116069A (en) Fuel cell system
JP5256592B2 (en) Fuel cell system
WO2012132259A1 (en) Fuel cell system and operation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131227

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20141015

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141021

TRDD Decision of grant or rejection written
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20150119

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150120

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150217

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5701233

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350