JP5801583B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電する燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system including a fuel cell that generates power by oxidation and reduction of a fuel gas and an oxidant.

固体酸化物形燃料電池システムにおける燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質を備え、この固体電解室の片側に燃料ガスを酸化する燃料極が設けられ、その他側に空気中の酸素を還元する空気極が設けられている。固体電解質の材料としては、一般的にイットリアをドープしたジルコニアが用いられており、600〜1000℃の高温で、燃料ガス(例えば、天然ガス、都市ガスなど)中の水素、一酸化炭素、炭化水素と酸化材ガス(例えば、空気など)中の酸素が電気化学反応して発電が行われる。固体酸化物形燃料電池システムは、他の燃料電池システムやガスエンジンなどに比べて、特に高発電効率での発電が可能なことから、有望な発電技術として開発が行われている。   A fuel cell in a solid oxide fuel cell system includes a solid electrolyte that conducts oxygen ions, a fuel electrode that oxidizes fuel gas is provided on one side of the solid electrolytic chamber, and oxygen in the air is reduced on the other side. An air electrode is provided. As a material for the solid electrolyte, zirconia doped with yttria is generally used, and hydrogen, carbon monoxide, carbonization in fuel gas (for example, natural gas, city gas, etc.) at a high temperature of 600 to 1000 ° C. Hydrogen and oxygen in an oxidant gas (for example, air) undergo an electrochemical reaction to generate power. The solid oxide fuel cell system has been developed as a promising power generation technology because it can generate power with particularly high power generation efficiency as compared with other fuel cell systems and gas engines.

このような固体酸化物形燃料電池システムは、600℃以上の高温条件で作動することから、燃料電池セルの空気極側には酸化雰囲気で熱力学的に安定な酸化物材料が用いられ、またその燃料極側には還元雰囲気で安定な金属材料及び酸化物材料の混合物が用いられ、発電中及び起動・停止時の高温状態(300〜400℃以上の温度状態)では、空気極側は酸化雰囲気ガスが流れ、また燃料極側は還元雰囲気ガスが流れている必要がある。   Since such a solid oxide fuel cell system operates under a high temperature condition of 600 ° C. or higher, an oxide material that is thermodynamically stable in an oxidizing atmosphere is used on the air electrode side of the fuel cell, and A mixture of metal and oxide materials that are stable in a reducing atmosphere is used on the fuel electrode side, and the air electrode side is oxidized during high-temperature conditions (300 to 400 ° C or higher) during power generation and startup / stop. Atmospheric gas flows, and reducing atmosphere gas needs to flow on the fuel electrode side.

この空気極の材料としては、ランタンマンガナイト系酸化物、ランタンコバルタイト系酸化物、ランタンフェライト系酸化物などが用いられており、これらの材料は、500℃以上の高温状態で還元雰囲気にさらされると、速やかに還元されて膨張し、クラックや剥離が発生し性能が低下する。またこの燃料極の材料としては、ニッケルと酸化ジルコニウムなどからなるサーメット(「ニッケルサーメット」と称されている)などが用いられており、このニッケルサーメットは、ニッケルの粒子サイズにもよるが、350〜400℃以上で酸化雰囲気にさらされると、次のように反応して、ニッケルが酸化ニッケル(NO)に酸化する。 As the material of the air electrode, lanthanum manganite oxide, lanthanum cobaltite oxide, lanthanum ferrite oxide, etc. are used, and these materials are exposed to a reducing atmosphere at a high temperature of 500 ° C. or higher. If it is reduced, it is rapidly reduced and expands, cracks and peeling occur, and the performance deteriorates. As a material for the fuel electrode, a cermet made of nickel and zirconium oxide or the like (referred to as “nickel cermet”) is used. The nickel cermet depends on the particle size of nickel, but 350 When exposed to an oxidizing atmosphere at ˜400 ° C. or higher, nickel reacts as follows to oxidize nickel to nickel oxide (N i O).

2N(s)+O2(g)→2NO(s)
この酸化反応は、酸素分圧が酸化するレベルにあれば高温ほど速度が大きく、ニッケル粒子の表面から進行する。固体酸化物形燃料電池(燃料電池セル)では、発電時は改質燃料ガスが送給されて燃料極側が高温・還元雰囲気に保持されるため、ニッケル粒子の酸化した部分が還元されて金属ニッケルとなる。このようなことから、燃料電池セルの燃料極や構造支持体に用いられているニッケルサーメットの酸化、還元の繰り返しにより、ニッケルサーメットの微構造の変化や寸法変化が起こり、燃料電池セルの割れや性能低下の原因となることが知られている。そのため、燃料極側の酸化、還元の繰り返しに対して耐性のある燃料電池セルの開発などが行われている。
2N i (s) + O 2 (g) → 2N i O (s)
If the oxygen partial pressure is at a level that oxidizes, the oxidation reaction proceeds at a higher temperature and proceeds from the surface of the nickel particles. In a solid oxide fuel cell (fuel cell), the reformed fuel gas is fed during power generation, and the fuel electrode side is maintained in a high temperature / reducing atmosphere, so that the oxidized portion of nickel particles is reduced and metallic nickel is reduced. It becomes. For this reason, the nickel cermet microstructure and dimensions change due to repeated oxidation and reduction of the nickel cermet used in the fuel electrode of the fuel cell and the structural support, resulting in cracking of the fuel cell. It is known to cause performance degradation. For this reason, development of fuel cells that are resistant to repeated oxidation and reduction on the fuel electrode side has been carried out.

一般的に、中大型の固体酸化物形燃料電池システムでは、いかなる状況でも高温時は燃料極側に還元性ガスが、空気極側に空気が流れるように構成され、例えば燃料電池セルに関連して高圧ボンベラックが設けられ、この高圧ボンベラックから燃料極側に還元性ガス(窒素−水素混合ガスなど)が供給されるように構成されている。しかし、小型の固体酸化物燃料電池システム(特に、家庭用コージェネレーションシステムに用いる燃料電池システム)では いかなる状況でも高温時は燃料極側に還元性ガスが、空気極側に空気が供給されるようにすることは、初期コスト、メンテナンスコストが高くなり、また設置スペースや高圧ガスの保管という法規制の面からも容易ではない。   In general, medium- and large-sized solid oxide fuel cell systems are configured in such a way that, under any circumstances, reducing gas flows to the fuel electrode side and air flows to the air electrode side at high temperatures. A high-pressure cylinder rack is provided, and a reducing gas (such as a nitrogen-hydrogen mixed gas) is supplied from the high-pressure cylinder rack to the fuel electrode side. However, in a small solid oxide fuel cell system (especially a fuel cell system used for a home cogeneration system), reducing gas is supplied to the fuel electrode side and air to the air electrode side at high temperatures in any situation. It is difficult to increase the initial cost and the maintenance cost, and it is not easy from the viewpoint of legal regulations such as installation space and storage of high-pressure gas.

このようなことから、燃料電池システムにおける燃料電池セルの燃料極側に還元性ガスを供給するために、メタノール水溶液などを添加することが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、燃料電池システムの停止時にジメチルエーテルを添加する(これに加えて水を添加するのが望ましい)ことも知られている(例えば、特許文献2参照)。これらの燃料電池システムでは、メタノール(又はジメチルエーテル)の水蒸気改質によって還元性ガスが生成され、生成された還元性ガスが燃料電池の酸素極側に供給され、それ故に、燃料極の酸化を抑えることができる。   For this reason, it is known to add an aqueous methanol solution or the like in order to supply the reducing gas to the fuel electrode side of the fuel cell in the fuel cell system (see, for example, Patent Document 1). It is also known that dimethyl ether is added when the fuel cell system is stopped (in addition to this, it is desirable to add water) (see, for example, Patent Document 2). In these fuel cell systems, reducing gas is generated by steam reforming of methanol (or dimethyl ether), and the generated reducing gas is supplied to the oxygen electrode side of the fuel cell, thus suppressing oxidation of the fuel electrode. be able to.

特表2005−535072号公報JP 2005-535072 A 特開2006−310128号公報JP 2006-310128 A

都市ガスを利用した家庭用コージェネレーションシステムに用いる固体酸化物形燃料電池システムにおいては、この燃料電池システムの起動、稼動停止時に、都市ガスを水蒸気改質して生成される水素リッチガスが固体酸化物形燃料電池(燃料電池セル)の燃料極側に供給され、この水素リッチガスでもって還元雰囲気が保たれるようになっている。起動時には、都市ガスの供給量が多くなるようにし、これによって、水素リッチガスの燃焼により固体酸化物形燃料電池などが昇温されるようになる。また、停止時には、都市ガスの供給量が少なくなるようにし、これによって、還元性ガスを流しながらも固体酸化物形燃料電池(燃料電池セル)自体の温度が下がるような熱バランスが保たれるようになっている。   In a solid oxide fuel cell system used for a household cogeneration system using city gas, the hydrogen-rich gas produced by steam reforming the city gas at the start-up and shutdown of the fuel cell system is solid oxide. It is supplied to the fuel electrode side of the fuel cell (fuel cell), and a reducing atmosphere is maintained with this hydrogen-rich gas. At start-up, the amount of city gas supplied is increased, so that the temperature of the solid oxide fuel cell and the like is increased by combustion of the hydrogen-rich gas. In addition, when the vehicle is stopped, the supply amount of the city gas is reduced, so that a heat balance is maintained such that the temperature of the solid oxide fuel cell (fuel cell) itself is lowered while flowing the reducing gas. It is like that.

しかし、原燃料ガスとしての都市ガス供給系の故障や、水蒸気改質用の水供給系の故障が発生した(即ち、異常停止状態)とき、天然ガスを水蒸気改質して水素リッチガスを固体酸化物形燃料電池(燃料電池セル)の燃料極側に供給することができず、このことに起因して、異常停止状態のときに燃料電池セルの破損や性能低下が生じるおそれがある。   However, when a failure of the city gas supply system as raw fuel gas or a failure of the water supply system for steam reforming occurs (that is, abnormally stopped), the natural gas is steam reformed and the hydrogen rich gas is solid-oxidized. The fuel cell cannot be supplied to the fuel electrode side of the physical fuel cell (fuel cell), and as a result, the fuel cell may be damaged or the performance may be deteriorated in the abnormal stop state.

家庭用コージェネレーションシステムでは、家庭用機器として求められる耐久性を高い確率で確保するとともに、システムとしての必要な初期コスト・メンテナンスコストの条件下での異常停止状態でも燃料極側に還元性ガスを流す手段を講じる必要であるが、例えばメタノール水溶液などを添加すること(特許文献1)は、燃料電池セルの燃料極側に還元性ガスを流す手段として有効であるが、家庭用コージェネレーションシステムへの適用においては、メンテナンス間隔(2〜3年)に想定される最大の異常停止回数(例えば、10回以上)に対応するためのメタノール水溶液などの添加量の制御方法に課題があり、このような課題を満たすためには、メタノールの添加量を最小にしつつ、必要な保護が達成される必要がある。このような課題は、ジメチルエーテルを添加する(特許文献2)ときにも同様の課題がある。   In a home cogeneration system, the durability required for household equipment is secured with a high probability, and reducing gas is supplied to the fuel electrode side even under abnormal stop conditions under the necessary initial and maintenance costs of the system. For example, adding a methanol aqueous solution (Patent Document 1) is effective as a means for flowing a reducing gas to the fuel electrode side of the fuel cell, but it is useful for a household cogeneration system. However, there is a problem in the method for controlling the amount of methanol aqueous solution added to cope with the maximum number of abnormal stops (for example, 10 times or more) assumed in the maintenance interval (2 to 3 years). To meet this challenge, the necessary protection needs to be achieved while minimizing the amount of methanol added. Such a problem has the same problem when dimethyl ether is added (Patent Document 2).

本発明の目的は、非常停止に対する基本的な耐性を生かした上で、最小限の添加量でもって燃料電池セルの燃料極の破損、性能低下を著しく抑えることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of remarkably suppressing breakage of a fuel electrode of a fuel cell and performance deterioration with a minimum addition amount while making use of basic resistance against an emergency stop. Is to provide.

本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、前記改質器に改質水を供給するための水ポンプと、前記改質器にメタノール及び水の混合液を供給するための混合液ポンプと、前記燃料ポンプ、前記水ポンプ及び前記混合液ポンプを制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御手段は、高温異常停止状態であることを判定する異常停止判定手段と、前記燃料電池セルの燃料極の酸化を抑えながら異常停止させるための異常停止稼動モードを設定する異常停止稼動モード設定手段とを含み、前記異常停止判定手段は、前記燃料ポンプからの原燃料ガスの供給量及び/又は前記水ポンプからの改質水の供給量が異常に低下し且つ前記セルスタックの温度が前記燃料電池セルの前記燃料極の酸化が起こる酸化温度以上であるときに高温異常停止状態と判定し、前記異常停止稼動モード設定手段は、前記異常停止判定手段が高温異常停止状態と判定すると異常停止稼動モードを設定し、前記異常停止稼動モードにおいて、前記制御手段は前記混合液ポンプを作動させて前記混合液を前記改質器に供給することを特徴とする。
A solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention includes a reformer for steam reforming a raw fuel gas, and a reformed fuel gas and an oxidizing material reformed by the reformer. A cell stack including a plurality of fuel cells for generating power by oxidation and reduction of the fuel, a fuel pump for supplying raw fuel gas to the reformer, and reforming water to the reformer A water pump for supplying the reformer with a mixed liquid pump for supplying a mixed liquid of methanol and water, and a control means for controlling the fuel pump, the water pump and the mixed liquid pump. A solid oxide fuel cell system,
The control means is configured to set an abnormal stop operation mode for setting an abnormal stop operation mode for abnormal stop while suppressing oxidation of the fuel electrode of the fuel cell, and an abnormal stop determination means for determining that the high-temperature abnormal stop state is present. And the abnormal stop determination means is configured such that the supply amount of raw fuel gas from the fuel pump and / or the supply amount of reforming water from the water pump is abnormally reduced and the temperature of the cell stack is When the temperature of the fuel cell is higher than the oxidation temperature at which oxidation of the fuel electrode occurs, it is determined as a high temperature abnormal stop state, and the abnormal stop operation mode setting means is abnormally stopped when the abnormal stop determination means is determined as a high temperature abnormal stop state. An operation mode is set, and in the abnormal stop operation mode, the control means operates the mixed liquid pump to supply the mixed liquid to the reformer. That.

また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記異常停止稼動モードにおいて前記セルスタックの温度が前記酸化温度より低い停止温度まで低下すると、前記制御手段は、前記異常停止稼動モードを解除して前記混合液ポンプの作動を停止することを特徴とする。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, when the temperature of the cell stack is lowered to a stop temperature lower than the oxidation temperature in the abnormal stop operation mode, the control means The stop operation mode is canceled to stop the operation of the mixed liquid pump.

また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記異常停止稼働モードにおいては、前記制御手段は、前記セルスタックの温度に基づいて前記混合液ポンプを作動制御して前記改質器に供給される混合液の供給量を調整することを特徴とする。   In the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, in the abnormal stop operation mode, the control means controls the operation of the mixed liquid pump based on the temperature of the cell stack. The supply amount of the mixed liquid supplied to the reformer is adjusted.

また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記異常停止稼動モードにおいては、前記制御手段は、前記混合液の供給流量を抑えながら前記燃料電池セルの前記燃料極を還元状態に保つために、前記セルスタックにおける1セル当たりのセル電圧が0.75〜0.85Vより大きくなるように前記混合液ポンプを作動制御して前記改質器に供給される混合液の供給量を調整することを特徴とする。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 4 of the present invention, in the abnormal stop operation mode, the control means controls the fuel electrode of the fuel cell while suppressing the supply flow rate of the mixed liquid. In order to maintain the reduced state, the liquid mixture supplied to the reformer by controlling the operation of the liquid mixture pump so that the cell voltage per cell in the cell stack becomes greater than 0.75 to 0.85 V It is characterized by adjusting the supply amount.

更に、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記混合液は、前記メタノール及び水に加えてエタノールを含んでいることを特徴とする。   Furthermore, in the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the mixed solution contains ethanol in addition to the methanol and water.

本発明の請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、改質器に改質水を供給するための水ポンプと、改質器にメタノール及び水の混合液を供給するための混合液ポンプとを備え、セルスタックの温度が酸化温度以上であるときに燃料ポンプからの原燃料ガスの供給量(及び/又は水ポンプからの改質水の供給量)が異常に低下すると、異常停止判定手段は高温異常停止状態と判定し、異常停止稼動モード設定手段は、高温異常停止判定手段が異常停止状態と判定すると異常停止稼動モードを設定する。そして、異常停止稼動モードにおいては、混合液ポンプが作動され、混合液ポンプによって混合液が改質器に供給されるので、この改質器における混合液(メタノール)の水蒸気改質によって還元性ガスが生成され、生成された還元性ガスがセルスタックの燃料極側に送給される。従って、原燃料ガスの供給量(及び/又は改質水の供給量)が異常に低下して水蒸気改質をほとんど行うことができない状態であっても、混合液ポンプから供給された混合液による水蒸気改質により還元性ガスを生成することができ、この還元性ガスによってセルスタックにおける燃料極の酸化を抑えることができる。 According to the solid oxide fuel cell system of the first aspect of the present invention, power is generated by reforming the raw fuel gas with steam, and oxidizing and reducing the reformed fuel gas and the oxidizing material. A cell stack having a plurality of fuel cells, a fuel pump for supplying raw fuel gas to the reformer, a water pump for supplying reforming water to the reformer, and a reformer A mixed liquid pump for supplying a mixed liquid of methanol and water, and when the temperature of the cell stack is equal to or higher than the oxidation temperature , the supply amount of raw fuel gas from the fuel pump (and / or reforming from the water pump) When the water supply amount) drops abnormally, the abnormal stop determination means determines that the high-temperature abnormal stop state is established, and the abnormal stop operation mode setting means sets the abnormal stop operation mode when the high-temperature abnormal stop determination means determines that the abnormal stop state exists. To do. In the abnormal stop operation mode, the mixed liquid pump is operated, and the mixed liquid is supplied to the reformer by the mixed liquid pump. Therefore, the reducing gas is generated by steam reforming of the mixed liquid (methanol) in the reformer. Is generated, and the generated reducing gas is fed to the fuel electrode side of the cell stack. Therefore, even if the supply amount of raw fuel gas (and / or the supply amount of reforming water) is abnormally low and steam reforming cannot be performed, the mixture liquid supplied from the mixture liquid pump Reducing gas can be generated by steam reforming, and oxidation of the fuel electrode in the cell stack can be suppressed by this reducing gas.

セルスタックの燃料極(例えば、ニッケルサーメットから形成されている)は、その酸化が起こる酸化温度以上の高温状態では酸化速度が速く、このような高温状態において酸化を抑制するために混合液の供給が行われるが、この酸化温度よりも低いときには、セルスタックの燃料極の酸化はほとんど問題とならず、このようなときには混合液の供給は行われない。燃料極としてニッケルサーメットを用いた場合、この酸化温度は450℃程度に設定され、450℃以上の温度状態で異常停止判定手段が高温異常停止状態と判定すると異常停止稼動モードの運転が遂行される。このように燃料極の酸化が起こり易いときのみ混合液の供給を行うことによって、混合液の使用量を少なく抑えて長期にわたって燃料極の酸化を抑えることが可能となる。 The fuel electrode of the cell stack (for example, formed from nickel cermet) has a high oxidation rate at a temperature higher than the oxidation temperature at which the oxidation takes place , and supply of a mixed liquid to suppress oxidation at such a high temperature. However, when the temperature is lower than the oxidation temperature , the oxidation of the fuel electrode of the cell stack hardly causes a problem. In such a case, the mixed solution is not supplied. When nickel cermet is used as the fuel electrode, the oxidation temperature is set to about 450 ° C., and the abnormal stop operation mode is performed when the abnormal stop determination means determines that the high temperature abnormal stop state occurs at a temperature of 450 ° C. or higher. . As described above, by supplying the mixed liquid only when the fuel electrode is easily oxidized, it is possible to suppress the amount of the mixed liquid used and to suppress the oxidation of the fuel electrode over a long period of time.

また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、異常停止稼動モードの運転中にセルスタックの温度が停止温度まで低下すると、この異常停止稼動モードの運転が終了する。異常停止稼動モードの運転を終了する際の基準となる停止温度は、燃料電池セルの燃料極の酸化が起こらない又はほとんど起こらない温度であり、燃料極としてニッケルサーメットを用いた場合、この停止温度は300〜450℃程度に設定される。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, the temperature of the cell stack during operation of the abnormal stop operating mode is lowered to stop temperature, the operation of the abnormal stop operating mode is finished To do. The stop temperature, which is the reference when terminating the operation in the abnormal stop operation mode, is a temperature at which the fuel electrode of the fuel cell does not oxidize or hardly occurs. When nickel cermet is used as the fuel electrode, this stop temperature Is set to about 300-450 ° C.

また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、異常停止稼働モードの運転中においては、セルスタックの温度に基づいて改質器に供給される混合液の供給量が調整され、このように混合液の供給量を調整することによって、必要最小限の混合液を供給するようにして長期にわたって燃料電池セルの燃料極の酸化を抑えることが可能となる。この温度に基づく混合液の供給量の調整は、セルスタックの温度が高温ほどその供給量を多くするのが望ましく、このようにすることによって、酸化し易い環境においてより多くの還元性ガス(改質器において改質されたガス)がセルスタック(燃料電池セル)の燃料極側に供給され、混合液の供給量を最小限にしながらセルスタックの燃料極の酸化を抑えることができる。   According to the solid oxide fuel cell system of claim 3 of the present invention, the supply of the mixed liquid supplied to the reformer based on the temperature of the cell stack during the operation in the abnormal stop operation mode. By adjusting the supply amount of the mixed solution in this way, it is possible to suppress the oxidation of the fuel electrode of the fuel cell over a long period of time by supplying the minimum necessary mixed solution. It is desirable to adjust the supply amount of the mixed liquid based on this temperature, so that the supply amount increases as the temperature of the cell stack increases. In this way, more reducing gas (modified) can be obtained in an oxidative environment. Gas reformed in the mass device) is supplied to the fuel electrode side of the cell stack (fuel cell), and the oxidation of the fuel electrode of the cell stack can be suppressed while minimizing the supply amount of the mixed solution.

また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、異常停止稼働モードの運転中においては、セルスタックにおける1セル当たりのセル電圧が0.75〜0.85Vより大きくなるように改質器に供給される混合液の供給量が調整されるので、混合液の供給流量を抑えながら燃料電池セルの前記燃料極を還元状態に保つことができ、その結果、必要最小限の混合液を供給するようにして長期にわたって燃料電池セルの燃料極の酸化を抑えることが可能となる。 In the solid oxide fuel cell system according to claim 4 of the present invention, the cell voltage per cell in the cell stack is from 0.75 to 0.85 V during the operation in the abnormal stop operation mode. Since the supply amount of the mixed solution supplied to the reformer is adjusted so as to increase, the fuel electrode of the fuel cell can be kept in a reduced state while suppressing the supply flow rate of the mixed solution. It is possible to suppress the oxidation of the fuel electrode of the fuel cell over a long period by supplying the minimum liquid mixture.

一般的に、固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料ガス及び燃料ガスを水蒸気改質する改質用の水が遮断された状態では、セルスタックの1セル当たりの電圧(セルスタックの電圧÷直列接続された燃料電池セル数)は0.6〜0.8V(セルスタックの温度が約600℃程度の温度状態の場合)程度になる。このようなことから、セルスタックの出力電圧が1セル当たり0.75〜0.85Vより大きくなるように混合液(メタ−ノールと水の混合液)の供給流量を制御することで、その供給流量を最小限に抑えながら燃料電池セルの燃料極(例えば、ニッケルサーメット)の酸化速度を低く管理し、最小限の添加量で異常停止稼動モードでの信頼性を大幅に向上させることができる。   In general, in a solid oxide fuel cell system, when the fuel gas and water for reforming the fuel gas by steam reforming are shut off, the voltage per cell of the cell stack (cell stack voltage / series) The number of connected fuel cells is about 0.6 to 0.8 V (when the temperature of the cell stack is about 600 ° C.). For this reason, the supply voltage is controlled by controlling the supply flow rate of the mixed solution (mixed solution of methanol and water) so that the output voltage of the cell stack is larger than 0.75 to 0.85 V per cell. The oxidation rate of the fuel electrode (for example, nickel cermet) of the fuel cell can be managed low while minimizing the flow rate, and the reliability in the abnormal stop operation mode can be greatly improved with the minimum addition amount.

例えば、ニッケルサーメット(ニッケル粒子)の還元は、比較的低温(例えば300℃以下の温度環境)では速やかに進むが、その酸化は、温度及び時間に依存しながら還元に比べると高温(例えば、400℃以上)でゆっくりと進行し、このような特性から、ニッケルサーメットが完全に酸化をしない雰囲気自体にすること(還元性ガスを十分に流す)は行わず、ニッケルの酸化速度を抑制できる程度に混合液の供給量を制御するものであり、このようにすることによって、混合液(メタ−ノールと水の混合液)の消費を抑制し“異常停止”に対応できる信頼性回数を増加させることができる。

更に、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、メタノール及び水の混合液にエタノールが添加されているので、共沸点ができ、極端に水だけとなる状態になるおそれがなくなり、セルスタックの燃料極側に確実に還元性ガスを供給することができる。
For example, the reduction of nickel cermet (nickel particles) proceeds rapidly at a relatively low temperature (for example, a temperature environment of 300 ° C. or lower), but the oxidation depends on temperature and time and is higher in temperature (for example, 400) than the reduction. Because of these characteristics, the nickel cermet does not oxidize completely (flowing reducing gas sufficiently), and the oxidation rate of nickel can be suppressed. This is to control the supply amount of the liquid mixture. By doing this, the consumption of the liquid mixture (mixed liquid of meth-anol and water) is suppressed and the number of times of reliability that can cope with “abnormal stop” is increased. Can do.

Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, since ethanol is added to the mixed solution of methanol and water, an azeotropic point can be formed and water is extremely reduced. The reducing gas can be reliably supplied to the fuel electrode side of the cell stack.

一般に、“非常停止”は定期的な動作ではないため、数ヶ月〜1年以上動作させないことがあり、このようなときには、メタノールと水との混合液が改質器に供給するための流路に長期滞留することになり、このような場合、混合液中のメタノールが蒸発しきり、ほぼ水だけとなるおそれがあるが、この混合液にエタノールを添加することによって、極端に水だけとなることがなくなる。   In general, since “emergency stop” is not a regular operation, it may not be operated for several months to a year or more. In such a case, a flow path for supplying a mixture of methanol and water to the reformer In such a case, methanol in the liquid mixture may evaporate and become almost water only, but adding ethanol to this liquid mixture makes it extremely water only. Disappears.

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態を示す簡略図。1 is a simplified diagram showing an embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention. 図1の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of the solid oxide fuel cell system of FIG. 図2の制御系による運転制御の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the operation control by the control system of FIG. 混合液を添加したときの1セル当たりの電圧とセルスタックの温度との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the voltage per cell when a liquid mixture is added, and the temperature of a cell stack.

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態について説明する。図1において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、燃料としての原燃料ガス(例えば、天然ガス、都市ガス)を改質するための改質器4と、改質器4にて改質された改質燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行うセルスタック6とを備えている。セルスタック6は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セル(図示せず)を配列して構成されている。セルスタック6の各燃料電池セルは、酸素イオンを伝導する固体電解質と、固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた空気極とを備えており、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。   Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 is modified by a reformer 4 for reforming raw fuel gas (for example, natural gas, city gas) as a fuel, and a reformer 4. And a cell stack 6 that generates power by oxidizing and reducing the reformed fuel gas and the oxidizing material air. The cell stack 6 is configured by arranging a plurality of solid oxide fuel cells (not shown) for generating power by an electrochemical reaction. Each fuel cell of the cell stack 6 includes a solid electrolyte that conducts oxygen ions, a fuel electrode provided on one side of the solid electrolyte, and an air electrode provided on the other side of the solid electrolyte, As the electrolyte, for example, zirconia doped with yttria is used.

セルスタック6(複数の燃料電池セル)の燃料極側は、改質燃料ガス送給ライン8を介して改質器4に接続され、この改質器4は、燃料ガス・水蒸気送給ライン10を介して気化混合器12に接続され、この気化混合器12は燃料ガス供給ライン14を介して例えば埋設管、貯蔵タンクなどの原燃料ガス供給源(図示せず)に接続されている。この燃料ガス供給ライン14には燃料ポンプ16、脱硫器18及び開閉弁20が配設されている。脱硫器18は、原燃料ガスに含まれている硫黄成分を除去し、燃料ポンプ16は、燃料ガス供給ライン20を通して供給される原燃料ガスを昇圧する。また、開閉弁20は、燃料ガス供給ライン14を開閉し、開状態のときには原燃料ガスを供給し、閉状態のときには原燃料ガスの供給を停止する。この燃料ガス供給ライン14には第1流量検知手段22(燃料ガス流量センサ)が配設され、第1流量検知手段22は燃料ガス供給ライン14を通して流れる原燃料ガスの流量を計測し、この第1に流量検知手段22の検知流量値をモニターしながら燃料ポンプ16の回数が制御され、これによって燃料ガス供給ライン20を通して供給される原燃料ガスの供給量が制御される。また、計測値を用いて燃料ガス供給系の異常を検知する。   The fuel electrode side of the cell stack 6 (a plurality of fuel cells) is connected to the reformer 4 via the reformed fuel gas feed line 8. The reformer 4 is connected to the fuel gas / steam feed line 10. The vaporizer 12 is connected via a fuel gas supply line 14 to a raw fuel gas supply source (not shown) such as a buried pipe or a storage tank. The fuel gas supply line 14 is provided with a fuel pump 16, a desulfurizer 18 and an on-off valve 20. The desulfurizer 18 removes sulfur components contained in the raw fuel gas, and the fuel pump 16 pressurizes the raw fuel gas supplied through the fuel gas supply line 20. The on-off valve 20 opens and closes the fuel gas supply line 14 to supply the raw fuel gas when the fuel gas supply line 14 is open, and stops the supply of the raw fuel gas when the fuel gas supply line 14 is closed. The fuel gas supply line 14 is provided with first flow rate detection means 22 (fuel gas flow rate sensor). The first flow rate detection means 22 measures the flow rate of the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply line 14, and 1, the number of times of the fuel pump 16 is controlled while monitoring the detected flow rate value of the flow rate detection means 22, whereby the supply amount of the raw fuel gas supplied through the fuel gas supply line 20 is controlled. Moreover, the abnormality of a fuel gas supply system is detected using a measured value.

セルスタック6の空気極側は、空気送給ライン24を介して空気を予熱するための空気予熱器26に接続され、この空気予熱器26は、空気供給ライン28を介して空気ブロア30に接続され、この空気ブロア30の回転数を制御することによって、空気供給ライン28を通してセルスタック6(複数の燃料電池セル)の空気極側に供給される空気の供給量が制御される。この空気供給ライン28には、第2流量検知手段32(空気流量センサ)が配設され、第2流量センサ32は、空気供給ライン28を通して供給される空気の流量を計測する。この空気供給ライン28及び空気ブロア30は、セルスタック6の空気極側に空気を供給するための空気供給手段33を構成する。   The air electrode side of the cell stack 6 is connected to an air preheater 26 for preheating air via an air supply line 24, and this air preheater 26 is connected to an air blower 30 via an air supply line 28. By controlling the rotational speed of the air blower 30, the amount of air supplied to the air electrode side of the cell stack 6 (a plurality of fuel cells) through the air supply line 28 is controlled. The air supply line 28 is provided with second flow rate detection means 32 (air flow rate sensor), and the second flow rate sensor 32 measures the flow rate of air supplied through the air supply line 28. The air supply line 28 and the air blower 30 constitute an air supply means 33 for supplying air to the air electrode side of the cell stack 6.

セルスタック6(複数の燃料電池セル)の燃料極側及び空気極側の各排出側には燃焼室34が設けられ、燃料極側から排出された反応燃料ガス(残余燃料ガスを含む)と空気極側から排出された空気(酸素を含む)とが燃焼室34に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器4、セルスタック6及び気化混合器12が加熱される。この燃焼室34は排気ガスライン36を介して空気予熱器26に接続され、この空気予熱器26には排気ガス排出ライン38が接続されている。   Combustion chambers 34 are provided on the discharge side of the fuel electrode side and the air electrode side of the cell stack 6 (plural fuel cells), and the reaction fuel gas (including residual fuel gas) and air discharged from the fuel electrode side. Air (including oxygen) discharged from the pole side is supplied to the combustion chamber 34 and combusted, and the reformer 4, the cell stack 6, and the vaporizer 12 are heated using this combustion heat. The combustion chamber 34 is connected to an air preheater 26 via an exhaust gas line 36, and an exhaust gas discharge line 38 is connected to the air preheater 26.

この固体酸化物形燃料電池2では、原燃料ガスを改質するための水(改質用水)を供給するための水供給ライン40が気化混合器12接続され、この水供給ライン40に水ポンプ42が配設されている。この水供給ライン40は、改質に用いる水を貯める水タンク44に接続され、水タンク44内の水は、水ポンプ42によって水供給ライン40を通して気化混合器12に供給され、水ポンプ42の回転数を制御することによって、改質に用いる水の供給量が制御される。   In the solid oxide fuel cell 2, a water supply line 40 for supplying water (reforming water) for reforming raw fuel gas is connected to the vaporizer 12, and a water pump is connected to the water supply line 40. 42 is disposed. The water supply line 40 is connected to a water tank 44 that stores water used for reforming, and water in the water tank 44 is supplied to the vaporization mixer 12 through the water supply line 40 by the water pump 42. By controlling the rotation speed, the supply amount of water used for reforming is controlled.

この形態では、水タンク44、水供給ライン40及び水ポンプ42が、気化混合器12(換言すると、改質器4)に水を供給するための水供給手段46を構成し、水供給手段46の水供給ライン40に第3流量検知手段48(水検知センサ)が配設され、この第3流量検知手段48は、水供給ライン40を通して供給される改質用水の流量を計測し、この計測値を用いて水供給系の異常を検知する。尚、原燃料ガスを改質するための水は、水タンク44から供給することに代えて、例えば燃焼室34からの排気ガスに含まれる水蒸気を凝縮回収して得られる凝縮水を用いるようにしてもよい。   In this embodiment, the water tank 44, the water supply line 40, and the water pump 42 constitute water supply means 46 for supplying water to the vaporizer 12 (in other words, the reformer 4), and the water supply means 46. The third flow rate detection means 48 (water detection sensor) is disposed in the water supply line 40, and the third flow rate detection means 48 measures the flow rate of the reforming water supplied through the water supply line 40. The value is used to detect abnormalities in the water supply system. Note that the water for reforming the raw fuel gas is not supplied from the water tank 44 but, for example, condensed water obtained by condensing and recovering water vapor contained in the exhaust gas from the combustion chamber 34 is used. May be.

この形態では、内部が断熱材によって覆われた電池ハウジング50が設けられ、この電池ハウジング50は、稼動運転時に高温に保持される高温空間52を規定し、この高温空間52内に、改質器4、セルスタック6、気化混合器12及び空気予熱器26が収納されている。   In this embodiment, a battery housing 50 whose interior is covered with a heat insulating material is provided. The battery housing 50 defines a high-temperature space 52 that is maintained at a high temperature during operation, and the reformer is provided in the high-temperature space 52. 4, the cell stack 6, the vaporizer 12 and the air preheater 26 are accommodated.

この固体酸化物形燃料電池システム2の稼動運転は、次のようにして行われる。原燃料ガス供給源(図示せず)からの原燃料ガスは、燃料ガス供給ライン14を通して気化混合器12に供給される。また、水タンク44からの水は、水供給ライン40を通して気化混合器12に供給される。気化混合器12においては、供給された原燃料ガス及び水が加熱され、水は気化して水蒸気となり、加熱された原燃料ガス及び水蒸気が燃料ガス・水蒸気送給ライン10を通して改質器4に送給される。   The operation of the solid oxide fuel cell system 2 is performed as follows. Raw fuel gas from a raw fuel gas supply source (not shown) is supplied to the vaporizer 12 through the fuel gas supply line 14. Further, the water from the water tank 44 is supplied to the vaporizer 12 through the water supply line 40. In the vaporizer 12, the supplied raw fuel gas and water are heated, and the water is vaporized to become water vapor. The heated raw fuel gas and water vapor are supplied to the reformer 4 through the fuel gas / water vapor supply line 10. Be sent.

改質器4には、水蒸気改質を促進するための改質触媒が充填されており、この改質器4に送給された原燃料ガスは水蒸気によって水蒸気改質され、このように改質された改質燃料ガスが改質燃料ガス送給ライン8を介してセルスタック6(複数の燃料電池セル)の燃料極側12に供給される。また、空気ブロア30からの空気は、空気供給ライン28を介して空気予熱器26に供給され、この空気予熱器26において排気ガスとの間で熱交換されて加温された後に、空気送給ライン24を介してセルスタック6の空気極側に送給される。   The reformer 4 is filled with a reforming catalyst for promoting steam reforming, and the raw fuel gas fed to the reformer 4 is steam reformed by steam, thus reforming. The reformed fuel gas is supplied to the fuel electrode side 12 of the cell stack 6 (a plurality of fuel cells) via the reformed fuel gas supply line 8. Further, air from the air blower 30 is supplied to the air preheater 26 through the air supply line 28, heat is exchanged with the exhaust gas in the air preheater 26 and heated, and then air is supplied. It is fed to the air electrode side of the cell stack 6 via the line 24.

セルスタック6では、燃料極側において改質された改質燃料ガスが酸化され、その空気極側において空気中の酸素が還元され、燃料極側の酸化及び空気極側の還元による電気化学反応により発電が行われる。セルスタック6の燃料極側からの反応燃料ガス及び空気極側からの空気は燃焼室34に排出され、空気中の酸素を利用して余剰の燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器4が改質温度に維持され、気化混合器12が気化混合温度に維持される。   In the cell stack 6, the reformed fuel gas reformed on the fuel electrode side is oxidized, oxygen in the air is reduced on the air electrode side, and by an electrochemical reaction due to oxidation on the fuel electrode side and reduction on the air electrode side. Power generation is performed. The reaction fuel gas from the fuel electrode side of the cell stack 6 and the air from the air electrode side are discharged into the combustion chamber 34, and excess fuel gas is burned using oxygen in the air, and this combustion heat is used. The reformer 4 is maintained at the reforming temperature, and the vaporizer 12 is maintained at the vaporization temperature.

燃焼室34からの排気ガスは、排気ガスライン36を介して空気予熱器26に送給され、この空気予熱器26において空気ブロア30からの空気との熱交換に用いられた後、排気ガス排出ライン38を通して大気に排出される。   Exhaust gas from the combustion chamber 34 is supplied to the air preheater 26 through the exhaust gas line 36 and is used for heat exchange with air from the air blower 30 in the air preheater 26, and then exhaust gas is discharged. It is discharged to the atmosphere through line 38.

この固体酸化物形燃料電池システム2では、異常停止時におけるセルスタック6(複数の燃料電池セル)の燃料極の酸化を防止するために、更に、次のように構成されている。この実施形態では、気化混合器12(換言すると、改質器4)に関連して、メタノールと水との混合液を供給するための混合液供給手段54が設けられている。混合液供給手段54は、この混合液を貯める混合液タンク56と、この混合液タンク56内の混合液を気化混合器12に供給する混合液供給ライン58とを備え、この混合液供給ライン58に混合液ポンプ60が配設されている。このように構成されているので、混合液ポンプ60が作動すると、混合液タンク56内の混合液が、混合液供給ライン58を通して気化混合器12に供給され、この気化混合器12を通して改質器4に送給される。更に、セルスタック6に関連して、セルスタック6の温度を検知するための温度検知手段62が設けられている。   This solid oxide fuel cell system 2 is further configured as follows in order to prevent oxidation of the fuel electrode of the cell stack 6 (plural fuel cells) during an abnormal stop. In this embodiment, a mixed liquid supply means 54 for supplying a mixed liquid of methanol and water is provided in association with the vaporizer 12 (in other words, the reformer 4). The mixed liquid supply means 54 includes a mixed liquid tank 56 that stores the mixed liquid, and a mixed liquid supply line 58 that supplies the mixed liquid in the mixed liquid tank 56 to the vaporizer 12. A liquid mixture pump 60 is disposed in the middle. With this configuration, when the mixed liquid pump 60 operates, the mixed liquid in the mixed liquid tank 56 is supplied to the vaporization mixer 12 through the mixed liquid supply line 58, and the reformer passes through the vaporized mixer 12. 4 is sent. Further, temperature detection means 62 for detecting the temperature of the cell stack 6 is provided in association with the cell stack 6.

尚、この実施形態では、混合液を気化混合器12を介して改質器4に送給しているが、このような構成に代えて、この混合液を混合液供給ライン58を通して直接的に改質器4に送給するようにしてもよい。
この固体酸化物形燃料電池システム2は、燃料ガス供給系及び又は水供給系に異常状態が発生して異常停止するときに、図2に示す制御系によって作動制御される。固体酸化物形燃料電池システム2は、更に、このシステムを制御するための制御手段72を有し、この制御手段72は、例えば、マイクロプロセッサから構成される。図示の制御手段72は、作動制御手段74、異常停止判定手段76、異常停止稼動モード設定手段78及びメモリ手段80を含んでいる。作動制御手段74は、燃料ポンプ16、水ポンプ42、空気ブロア30及び混合液ポンプ60などを作動制御し、異常停止判定手段76は、後述する条件を満たしたときに異常停止状態と判定し、異常停止稼動モード設定手段78は、異常停止判定手段76が異常停止状態と判定したときに異常停止稼動モードを設定する。また、メモリ手段80には、異常停止状態と判定する際の基準温度となる酸化温度と、異常停止稼動モードの運転を終了する際の基準温度となる停止温度とが、予め記憶されている。
In this embodiment, the mixed solution is fed to the reformer 4 via the vaporizer 12, but instead of such a configuration, the mixed solution is directly passed through the mixed solution supply line 58. You may make it send to the reformer 4. FIG.
The operation of the solid oxide fuel cell system 2 is controlled by the control system shown in FIG. 2 when an abnormal state occurs in the fuel gas supply system and / or the water supply system, resulting in an abnormal stop. The solid oxide fuel cell system 2 further includes control means 72 for controlling the system, and the control means 72 is constituted by, for example, a microprocessor. The illustrated control means 72 includes an operation control means 74, an abnormal stop determination means 76, an abnormal stop operation mode setting means 78, and a memory means 80. The operation control unit 74 controls the operation of the fuel pump 16, the water pump 42, the air blower 30, the mixed liquid pump 60, and the like, and the abnormal stop determination unit 76 determines an abnormal stop state when a condition described later is satisfied, The abnormal stop operation mode setting unit 78 sets the abnormal stop operation mode when the abnormal stop determination unit 76 determines that it is in an abnormal stop state. The memory unit 80 stores in advance an oxidation temperature that is a reference temperature for determining an abnormally stopped state and a stop temperature that is a reference temperature for ending the operation in the abnormally stopped operation mode.

この異常停止状態の判定基準となる酸化温度は、セルスタック6(燃料電池セル)の燃料極として例えばニッケルサーメットを用いた場合、この酸化温度は450℃程度に設定され、セルスタック6の温度(即ち、温度検知手段62の検知温度)が450℃以上の温度状態のときに、後述するように異常停止判定手段が異常停止状態と判定する。異常停止稼動モードの運転終了の基準温度となる停止温度は、燃料電池セルの燃料極の酸化が起こらない又はほとんど起こらない温度であり、燃料極として例えばニッケルサーメットを用いた場合、この停止温度は300〜450℃程度に設定され、異常停止稼動モードの運転中にセルスタック6の温度がこの停止温度まで低下すると、異常停止稼動モードの運転が終了する。   The oxidation temperature that is a criterion for determining the abnormally stopped state is, for example, when nickel cermet is used as the fuel electrode of the cell stack 6 (fuel cell), this oxidation temperature is set to about 450 ° C., and the temperature of the cell stack 6 ( That is, when the temperature detection temperature of the temperature detection unit 62 is 450 ° C. or higher, the abnormal stop determination unit determines that the abnormal stop state is set as described later. The stop temperature that is the reference temperature for the end of the operation in the abnormal stop operation mode is a temperature at which the fuel electrode of the fuel cell does not oxidize or hardly occurs. When, for example, nickel cermet is used as the fuel electrode, this stop temperature is When the temperature of the cell stack 6 is set to about 300 to 450 ° C. and the temperature of the cell stack 6 decreases to the stop temperature during the operation in the abnormal stop operation mode, the operation in the abnormal stop operation mode is finished.

温度検知手段62及び第1〜第3流量検知手段22,32,48からの検知信号は制御手段72に送給され、これら検知手段22の検知温度並びに第1〜第3流量検知手段32,48,62の検知流量に基づいて、この固体酸化物形燃料電池システム2は、図3に示すように制御される。   Detection signals from the temperature detection means 62 and the first to third flow rate detection means 22, 32, 48 are sent to the control means 72, and the detection temperature of these detection means 22 and the first to third flow rate detection means 32, 48 are sent. , 62, the solid oxide fuel cell system 2 is controlled as shown in FIG.

図1及び図2とともに図3を参照して、この固体酸化物形燃料電池システム2の通常稼動運転中に異常停止状態が発生した場合の制御動作について説明する。例えば燃料ポンプ16が故障などして燃料ガス供給ライン14を通して供給される燃料ガスの供給量(第1流量検知手段22の検知流量)が異常に低下する(及び/又は例えば水ポンプ42が故障などして水供給ライン48を通して供給される改質用水の供給量(第3流量検知手段48の検知流量)が異常に低下する)と、制御手段72は異常停止状態が発生したと判定し、ステップS1からステップS2を経てステップS3に進む。一方、通常稼動運転中にシステムの運転を停止すると、ステップS2からステップS4を経てステップS5に移り、固体酸化物形燃料電池システム2は、混合液供給手段54からの混合液を使用することなく、通常の通りにして稼動停止する。   With reference to FIG. 3 together with FIG. 1 and FIG. 2, the control operation when an abnormal stop state occurs during the normal operation of the solid oxide fuel cell system 2 will be described. For example, the supply amount of the fuel gas supplied through the fuel gas supply line 14 due to a failure of the fuel pump 16 (detected flow rate of the first flow rate detection means 22) decreases abnormally (and / or, for example, the water pump 42 fails) Then, when the amount of reforming water supplied through the water supply line 48 (the detected flow rate of the third flow rate detecting means 48) is abnormally reduced), the control means 72 determines that an abnormal stop state has occurred, and step The process advances from step S1 to step S3 via step S2. On the other hand, when the operation of the system is stopped during the normal operation, the process proceeds from step S2 to step S4 through step S4, and the solid oxide fuel cell system 2 does not use the mixed liquid from the mixed liquid supply means 54. Stop operation as usual.

固体酸化物形燃料電池システム2の異常停止状態が発生してステップS3に進むと、セルスタック6の温度検知が行われる。即ち、温度検知手段62はセルスタック6の温度を検知し、この温度検知手段62からの検知信号が制御手段72に送給される。そして、温度検知手段62の検知温度が上記酸化温度(例えば、450℃)以上であると、ステップS6からステップS7に進み、異常停止判定手段76が高温異常停止状態と判定する。一方、温度検知手段62の検知温度が上記酸化温度よりも低いと、セルスタック6(複数の燃料電池セル)の燃料極の酸化が発生しない又はほとんど発生しないとして、制御手段72は固体酸化物形燃料電池システム2を異常停止する(ステップS8)。即ち、混合液ポンプ60を作動させることなく、制御手段72は、燃料ポンプ16、水ポンプ42及び空気ブロア30を作動停止する。   When the abnormal stop state of the solid oxide fuel cell system 2 occurs and the process proceeds to step S3, the temperature of the cell stack 6 is detected. That is, the temperature detection unit 62 detects the temperature of the cell stack 6, and a detection signal from the temperature detection unit 62 is sent to the control unit 72. If the temperature detected by the temperature detection means 62 is equal to or higher than the oxidation temperature (for example, 450 ° C.), the process proceeds from step S6 to step S7, and the abnormal stop determination means 76 determines that the temperature is abnormally stopped. On the other hand, when the temperature detected by the temperature detecting means 62 is lower than the oxidation temperature, the control means 72 is in the form of a solid oxide because the fuel electrode of the cell stack 6 (a plurality of fuel cells) is not oxidized or hardly generated. The fuel cell system 2 is abnormally stopped (step S8). That is, the control means 72 stops the operation of the fuel pump 16, the water pump 42, and the air blower 30 without operating the mixed liquid pump 60.

ステップS7において高温異常停止状態と判定されると、セルスタック6の温度が高くてその燃焼極の酸化が進行するとして、異常停止稼働モード設定手段78は、異常停止判定手段76の高温異常停止状態の判定に基づいて異常停止稼働モードを設定する(ステップS9)。かくすると、異常停止稼働モードの運転が行われ、混合液供給手段54が作動して混合液(メタノールと水との混合液)の供給が行われる(ステップS10)。即ち、作動制御手段74は混合液ポンプ60を作動し、混合液タンク56内の混合液が混合液供給ライン58を通して気化混合器12に供給され、この気化混合器12において、混合液中のメタン−ルが加熱されるとともに、混合液中の水が気化して水蒸気となる。そして、加熱されたメタノールと水蒸気が改質器4に送給され、この改質器4において、メタノールが水蒸気改質されて水素を含む還元性ガスが生成され、この水蒸気改質された改質ガス(還元性ガス)が改質燃料ガス送給ライン8を通してセルスタック6(複数の燃料電池セル)の燃料極側に送給される。   If it is determined in step S7 that the high temperature abnormal stop state has occurred, the abnormal stop operation mode setting unit 78 determines that the temperature of the cell stack 6 is high and oxidation of the combustion electrode proceeds. Based on this determination, an abnormal stop operation mode is set (step S9). Thus, the operation in the abnormal stop operation mode is performed, and the mixed solution supply means 54 operates to supply the mixed solution (mixed solution of methanol and water) (step S10). That is, the operation control means 74 operates the mixed liquid pump 60, and the mixed liquid in the mixed liquid tank 56 is supplied to the vaporization mixer 12 through the mixed liquid supply line 58. In this vaporization mixer 12, the methane in the mixed liquid is supplied. As the water is heated, water in the mixed solution is vaporized to become water vapor. Then, the heated methanol and steam are supplied to the reformer 4, in which the methanol is steam reformed to generate a reducing gas containing hydrogen, and the steam reformed reformed Gas (reducing gas) is fed to the fuel electrode side of the cell stack 6 (plural fuel cells) through the reformed fuel gas feed line 8.

このように、燃料ガスの供給量が異常に低下する(及び/又は改質用水の供給量が異常に低下する)と、改質器4において改質燃料ガスの生成が行われなくなり、セルスタック6の燃料極が酸化が進行するおそれがあるが、このように混合液を供給してメタノールの水蒸気改質ガスをセルスタック6の燃料極側に送給することによって、この酸素極側を還元性ガスの環境状態に保つことができ、その結果、セルスタック6の燃料極の酸化進行を抑えることができる。   As described above, when the supply amount of the fuel gas is abnormally decreased (and / or the supply amount of the reforming water is abnormally decreased), the reformer 4 does not generate the reformed fuel gas, and the cell stack. There is a possibility that oxidation of the fuel electrode 6 will proceed, but the oxygen electrode side is reduced by supplying the mixed solution and feeding the steam reformed gas of methanol to the fuel electrode side of the cell stack 6 in this way. As a result, the progress of oxidation of the fuel electrode of the cell stack 6 can be suppressed.

この混合液ポンプ60の作動は、セルスタック6の温度(温度検知手段62の検知温度)が停止温度(300〜450℃の範囲内で設定される温度)に低下するまで行われ、この停止温度まで低下すると、ステップS11からステップS12に進み、セルスタック6の燃料極の酸化が起こらない又はほとんど起こらないとして、固体酸化物形燃料電池システム2が異常停止される。即ち、制御手段72は、燃料ポンプ16、水ポンプ42、空気ブロア30及び混合液ポンプ60の作動を停止し、このようにして異常停止稼働モードの運転を経た後に異常停止される。   The operation of the mixed liquid pump 60 is performed until the temperature of the cell stack 6 (detected temperature of the temperature detecting means 62) is lowered to a stop temperature (a temperature set within a range of 300 to 450 ° C.). If it decreases to step S11, the process proceeds from step S11 to step S12, and the solid oxide fuel cell system 2 is abnormally stopped, assuming that oxidation of the fuel electrode of the cell stack 6 does not occur or hardly occurs. That is, the control means 72 stops the operation of the fuel pump 16, the water pump 42, the air blower 30, and the mixed liquid pump 60, and thus abnormally stops after the operation in the abnormal stop operation mode.

この実施形態では、異常停止稼働モードの運転中に燃料ポンプ16及び水ポンプ42を作動させているが、この運転中においては混合液供給手段54が混合液を供給するので、燃料ポンプ16及び水ポンプ42を作動停止するようにしてもよい。   In this embodiment, the fuel pump 16 and the water pump 42 are operated during the operation in the abnormal stop operation mode. However, during this operation, the liquid mixture supply means 54 supplies the liquid mixture. The pump 42 may be deactivated.

異常停止稼働モードの運転中における混合液供給手段54からの混合液(メタノールと水との混合液)の供給は、セルスタック6の温度に基づいて混合液ポンプ60の回転数を制御して供給量を調整するようにするのが望ましい。即ち、セルスタック6の温度が高いほど混合液の供給量を多くし、停止温度に近づくにつれて混合液の供給量を少なくするのが好ましく、このように供給量を調整することによって、混合液の使用量を少なく抑えながらセルスタック6の燃料極の酸化進行を効果的に抑えることができる。尚、この場合、例えばセルスタック6の温度と混合液ポンプ60の回転数との関係を示す制御マップ(図示せず)を制御手段72のメモリ手段80に登録し、この制御マップに基づいて混合液ポンプ60を作動制御するようにすればよい。   Supply of the mixed liquid (mixed liquid of methanol and water) from the mixed liquid supply means 54 during the operation in the abnormal stop operation mode is performed by controlling the rotation speed of the mixed liquid pump 60 based on the temperature of the cell stack 6. It is desirable to adjust the amount. That is, it is preferable to increase the supply amount of the mixed liquid as the temperature of the cell stack 6 increases, and to decrease the supply amount of the mixed liquid as the temperature approaches the stop temperature. By adjusting the supply amount in this way, It is possible to effectively suppress the progress of oxidation of the fuel electrode of the cell stack 6 while suppressing the amount used. In this case, for example, a control map (not shown) indicating the relationship between the temperature of the cell stack 6 and the rotation speed of the mixed liquid pump 60 is registered in the memory means 80 of the control means 72, and mixing is performed based on this control map. The operation of the liquid pump 60 may be controlled.

また、この異常停止稼働モードの運転中においては、セルスタック6の温度に基づいて混合液ポンプ60を作動制御することに代えて、セルスタック6の出力電圧に基づいて混合液60を作動制御するようにすることもできる。即ち、セルスタック6における1セル当たりのセル電圧が0.75〜0.85Vより大きくなるように混合液ポンプの回転数を制御して混合液の供給量を制御するようにしてもよく、このようにセル電圧を制御することによって、セルスタック6の燃料極側が、混合液による改質ガスにより還元状態に保たれてその酸化進行が抑えられ、必要最小限の混合液の使用によってセルスタック6の燃料極の酸化進行を効果的に抑えることができる。この場合、例えばセルスタック6に出力電圧を検知する電圧検知手段(図示せず)を設け、また制御手段72にこの電圧検知出段の検知電圧に基づいて燃料電池セル一つ当たり(1セル当たり)の出力電圧を演算する単位出力電圧演算手段を含め、この単位出力電圧演算手段による1セル当たりの出力電圧に基づいて混合液ポンプ60を作動制御するようにすればよい。   Further, during operation in the abnormal stop operation mode, instead of controlling the operation of the liquid mixture pump 60 based on the temperature of the cell stack 6, the operation of the liquid mixture 60 is controlled based on the output voltage of the cell stack 6. It can also be done. That is, the supply amount of the mixed liquid may be controlled by controlling the rotational speed of the mixed liquid pump so that the cell voltage per cell in the cell stack 6 is larger than 0.75 to 0.85 V. By controlling the cell voltage in this way, the fuel electrode side of the cell stack 6 is kept in a reduced state by the reformed gas by the mixed solution and the progress of oxidation is suppressed, and the cell stack 6 is used by using the minimum necessary mixed solution. It is possible to effectively suppress the progress of oxidation of the fuel electrode. In this case, for example, the cell stack 6 is provided with voltage detection means (not shown) for detecting the output voltage, and the control means 72 is provided with one fuel cell per cell (per cell) based on the detection voltage of this voltage detection output stage. And the unit output voltage calculation means for calculating the output voltage of the mixed liquid pump 60 may be controlled based on the output voltage per cell by the unit output voltage calculation means.

また、混合液供給手段54から供給する混合液としてメタノールと水とを混合したものを用いているが、メタノールと水とに加えてエタノールを混合したものを用いるようにしてもよく、このようにエタノールを添加することによって共沸点ができ、水だけとなるようなおそれがなくなり、セルスタック6の燃料極側に還元性ガスを確実に供給することが可能となる。   In addition, although a mixture of methanol and water is used as the mixture supplied from the mixture supply means 54, a mixture of ethanol in addition to methanol and water may be used. By adding ethanol, an azeotropic point is formed, and there is no fear that only water will be formed, and the reducing gas can be reliably supplied to the fuel electrode side of the cell stack 6.

尚、空気ブロア30が停止継続した際に、混合液を供給するとセルスタック6の空気極側までが還元雰囲気になる可能性があり、その場合、空気極が還元されダメージを受けることになるので、混合液を供給する際には空気ブロア30を稼働させるのが望ましい。また、空気ブロア30の稼働により、セルスタック6の温度は空気ブロア30を作動させないときに比べ速やかに低下して燃料極側の酸化程度が軽減されるメリットもある。   In addition, when the air blower 30 continues to stop, if a mixed liquid is supplied, there is a possibility that the air electrode side of the cell stack 6 becomes a reducing atmosphere, and in that case, the air electrode is reduced and damaged. When supplying the mixed liquid, it is desirable to operate the air blower 30. Further, the operation of the air blower 30 has an advantage that the temperature of the cell stack 6 is rapidly reduced as compared with the case where the air blower 30 is not operated, and the degree of oxidation on the fuel electrode side is reduced.

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。   As mentioned above, although one embodiment of the solid oxide fuel cell system according to the present invention has been described, the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications or corrections can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible.

例えば、上述した実施形態では、気化混合器12と改質器4とを別体に構成しているが、このような構成に限定されず、気化混合器12及び気化器4を一体的に構成するようにしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the vaporizer 12 and the reformer 4 are configured separately, but the present invention is not limited to such a configuration, and the vaporizer 12 and the vaporizer 4 are integrally configured. You may make it do.

また、例えば、上述した実施形態では、混合器として気化混合器12を用い、この気化混合器12において改質に用いる水を気化させて水蒸気を生成するとともに、生成した水蒸気と原燃料ガスとを混合させているが、このような構成に代えて、改質に用いる水を気化させる専用の気化器を設け、この水を気化器において気化させて水蒸気を生成し、生成した水蒸気及び原燃料ガスを混合器に送給し、この混合器において水蒸気と原燃料ガスとを混合させるようにしてもよい。   Further, for example, in the above-described embodiment, the vaporizer 12 is used as a mixer, and water used for reforming is vaporized in the vaporizer 12 to generate water vapor, and the generated water vapor and raw fuel gas are mixed. However, instead of such a configuration, a dedicated vaporizer for vaporizing water used for reforming is provided, and this water is vaporized in the vaporizer to generate water vapor, and the generated water vapor and raw fuel gas May be fed to a mixer, and in this mixer, water vapor and raw fuel gas may be mixed.

本発明の効果を確認するために次の通りの実験を行った。この実験には、図1に示す形態の固体酸化物形燃料電池システムを用い、その定格出力は700Wであった。原燃料ガスとして都市ガス(13Aガス)を用いて固体酸化物形燃料電池システムを定格出力の700Wで発電運転を行い、この発電運転中の時間「0」の時点で原燃料ガスの供給を停止して異常停止状態を発生させて異常停止稼働モードの運転を行い、異常停止稼働モードの運転中におけるセルスタックの温度、平均セル電圧(1セル当たりの出力電圧)の推移及び混合液(メタノールと水との混合液)の添加量の変化状態を調べ、その結果は、図4に示す通りであった。   In order to confirm the effect of the present invention, the following experiment was conducted. In this experiment, a solid oxide fuel cell system having the configuration shown in FIG. 1 was used, and its rated output was 700 W. Using solid city gas (13A gas) as the raw fuel gas, the solid oxide fuel cell system is operated for power generation at a rated output of 700 W, and the supply of the raw fuel gas is stopped at time “0” during the power generation operation. The abnormal stop state is generated and the operation of the abnormal stop operation mode is performed. The temperature of the cell stack during the operation of the abnormal stop operation mode, the transition of the average cell voltage (output voltage per cell), and the mixed liquid (methanol and The change state of the added amount of the mixed solution with water was examined, and the result was as shown in FIG.

この実験においては、都市ガスを水蒸気/炭素モル比=2.5の条件で気化混合器に供給して定格出力の700W(送電端)の発電を行った。時間「0」で原燃料ガス(都市ガス)の供給遮断動作に移行させた。原燃料ガスの遮断後も空気は50NL/minで供給を継続した。燃料電池セルの電圧(1セル当たりの電圧)が0.85Vより低下すると混合液の供給を開始し、この電圧が0.85Vを超えると混合液の供給を停止させた。混合液の供給については、最大流量を0.4cc/分とした。尚、混合液におけるメタノールと水との混合比率は、重量比でメタノール33%、水66%であった。セルスタックの温度が450℃まで低下した時点で混合液の供給は行わず、そのまま温度が低下するのをまち、このような制御を行って異常停止した。原燃料ガスの供給を遮断して異常停止を上述した如くして5回繰り返し行った後にセルスタックの性能劣化を調べたが、性能低下はなかった。尚、この異常停止を行ったところ、混合液の使用量は、1回の停止当たり20ccとわずかであった。   In this experiment, city gas was supplied to the vaporization mixer under the condition of water vapor / carbon molar ratio = 2.5 to generate 700 W (power transmission end) of the rated output. At time “0”, the operation is switched to the supply cutoff operation of the raw fuel gas (city gas). Even after the raw fuel gas was shut off, the air was continuously supplied at 50 NL / min. When the voltage of the fuel cell (voltage per cell) dropped below 0.85V, the supply of the liquid mixture was started, and when the voltage exceeded 0.85V, the supply of the liquid mixture was stopped. Regarding the supply of the mixed liquid, the maximum flow rate was set to 0.4 cc / min. The mixing ratio of methanol and water in the mixed solution was 33% methanol and 66% water by weight. When the temperature of the cell stack dropped to 450 ° C., the mixed solution was not supplied, and the temperature dropped as it was. After the supply of the raw fuel gas was shut off and the abnormal stop was repeated five times as described above, the performance degradation of the cell stack was examined, but there was no performance degradation. In addition, when this abnormal stop was performed, the usage-amount of the liquid mixture was as little as 20 cc per stop.

この図4から、次のことが明らかになった。即ち、電圧・温度特性が把握できていれば、セル電圧を関しした制御でなく、図4に示された温度と混合液の添加量との関係を予め制御に組み込んでおくことによって、セルスタックの温度との関係で混合液の添加量を調整できることがわかった。
From FIG. 4, the following became clear. That is, if the voltage / temperature characteristics can be grasped, the cell stack is not controlled by incorporating the relationship between the temperature shown in FIG. It was found that the amount of the mixed solution added could be adjusted in relation to the temperature of

Claims (5)

原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材の酸化及び還元により発電を行うための複数の燃料電池セルを備えたセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ポンプと、前記改質器に改質水を供給するための水ポンプと、前記改質器にメタノール及び水の混合液を供給するための混合液ポンプと、前記燃料ポンプ、前記水ポンプ及び前記混合液ポンプを制御するための制御手段とを備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記制御手段は、高温異常停止状態であることを判定する異常停止判定手段と、前記燃料電池セルの燃料極の酸化を抑えながら異常停止させるための異常停止稼動モードを設定する異常停止稼動モード設定手段とを含み、前記異常停止判定手段は、前記燃料ポンプからの原燃料ガスの供給量及び/又は前記水ポンプからの改質水の供給量が異常に低下し且つ前記セルスタックの温度が前記燃料電池セルの前記燃料極の酸化が起こる酸化温度以上であるときに高温異常停止状態と判定し、前記異常停止稼動モード設定手段は、前記異常停止判定手段が高温異常停止状態と判定すると異常停止稼動モードを設定し、前記異常停止稼動モードにおいて、前記制御手段は前記混合液ポンプを作動させて前記混合液を前記改質器に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
A reformer for steam reforming the raw fuel gas, and a plurality of fuel cells for generating power by oxidation and reduction of the reformed fuel gas and the oxidizing material reformed by the reformer A cell stack, a fuel pump for supplying raw fuel gas to the reformer, a water pump for supplying reformed water to the reformer, and a mixture of methanol and water in the reformer A solid oxide fuel cell system comprising: a mixed liquid pump for supplying; and a control means for controlling the fuel pump, the water pump, and the mixed liquid pump,
The control means is configured to set an abnormal stop operation mode for setting an abnormal stop operation mode for abnormal stop while suppressing oxidation of the fuel electrode of the fuel cell, and an abnormal stop determination means for determining that the high-temperature abnormal stop state is present. And the abnormal stop determination means is configured such that the supply amount of raw fuel gas from the fuel pump and / or the supply amount of reforming water from the water pump is abnormally reduced and the temperature of the cell stack is When the temperature of the fuel cell is higher than the oxidation temperature at which oxidation of the fuel electrode occurs, it is determined as a high temperature abnormal stop state, and the abnormal stop operation mode setting means is abnormally stopped when the abnormal stop determination means is determined as a high temperature abnormal stop state An operation mode is set, and in the abnormal stop operation mode, the control means operates the mixed liquid pump to supply the mixed liquid to the reformer. Solid oxide fuel cell system that.
前記異常停止稼動モードにおいて前記セルスタックの温度が前記酸化温度より低い停止温度まで低下すると、前記制御手段は、前記異常停止稼動モードを解除して前記混合液ポンプの作動を停止することを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 When the temperature of the cell stack is lowered to a stop temperature lower than the oxidation temperature in the abnormal stop operation mode, the control unit cancels the abnormal stop operation mode and stops the operation of the liquid mixture pump. The solid oxide fuel cell system according to claim 1. 前記異常停止稼働モードにおいては、前記制御手段は、前記セルスタックの温度に基づいて前記混合液ポンプを作動制御して前記改質器に供給される混合液の供給量を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 In the abnormal stop operation mode, the control means controls the operation of the liquid mixture pump based on the temperature of the cell stack to adjust the supply amount of the liquid mixture supplied to the reformer. The solid oxide fuel cell system according to claim 1 or 2. 前記異常停止稼動モードにおいては、前記制御手段は、前記混合液の供給流量を抑えながら前記燃料電池セルの前記燃料極を還元状態に保つために、前記セルスタックにおける1セル当たりのセル電圧が0.75〜0.85Vより大きくなるように前記混合液ポンプを作動制御して前記改質器に供給される混合液の供給量を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 In the abnormal stop operation mode, the control means maintains a cell voltage per cell in the cell stack of 0 in order to keep the fuel electrode of the fuel cell in a reduced state while suppressing the supply flow rate of the mixed solution. 3. The solid according to claim 1, wherein the supply amount of the liquid mixture supplied to the reformer is adjusted by controlling the operation of the liquid mixture pump so as to be greater than .75 to 0.85 V. Oxide fuel cell system. 前記混合液は、前記メタノール及び水に加えてエタノールを含んでいることを特徴とする請求項1〜4のいずれか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 any one of claims 1 to 4, wherein the mixed solution contains ethanol in addition to the methanol and water.
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