JP6521233B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に、原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly to a solid oxide fuel cell system that generates electric power by reacting hydrogen obtained by steam reforming a raw fuel gas and an oxidant gas.

特許第4906242号公報(特許文献1)には、燃料電池の稼働停止方法が記載されている。この燃料電池の稼働停止方法においては、燃料電池による発電を停止した後、燃料電池内への空気の供給を継続して行いながら、原燃料ガス(炭化水素ガス)の供給量を低減させ、低減された量の原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを改質器を通して燃料電池内に供給している。この発電停止後の混合ガスの供給は、改質触媒の温度が、触媒の酸化発生温度±150℃の範囲に降温したときに停止される。その後、空気または原燃料ガスがパージガスとして改質器を通して燃料電池に流されパージされる。   Japanese Patent No. 4906242 (Patent Document 1) describes a method of stopping operation of a fuel cell. In this fuel cell operation stop method, after stopping the power generation by the fuel cell, the supply amount of the raw fuel gas (hydrocarbon gas) is reduced while the air supply into the fuel cell is continuously performed A mixed gas of the raw fuel gas and the steam is supplied into the fuel cell through the reformer. The supply of the mixed gas after the power generation is stopped is stopped when the temperature of the reforming catalyst falls to the range of the oxidation generation temperature of the catalyst ± 150 ° C. Thereafter, air or raw fuel gas is flowed through the reformer as a purge gas to the fuel cell and purged.

この特許第4906242号公報記載の発明では、発電停止後において、改質器に燃料電池を通して空気が逆流し、改質器内の高温の改質触媒が雰囲気酸化されることを技術課題としている。この発明においては、発電停止後も改質器を介して原燃料ガスと水蒸気との混合ガスを供給し続けることにより、空気の逆流を防止している。また、混合ガスの供給は、改質器の触媒が雰囲気酸化される虞がなくなるまで、即ち、触媒の酸化発生温度±150℃の範囲に降温したときに停止される。   In the invention described in the patent 4906242, it is a technical object that air is reversely flowed through the fuel cell to the reformer after power generation is stopped, and the high temperature reforming catalyst in the reformer is oxidized in the atmosphere. In the present invention, the backflow of air is prevented by continuing the supply of the mixed gas of the raw fuel gas and the water vapor through the reformer even after the power generation is stopped. Further, the supply of the mixed gas is stopped until there is no possibility that the catalyst of the reformer is oxidized in the atmosphere, that is, when the temperature of the catalyst is reduced to a temperature within ± 150 ° C.

一方、特許第5316830号公報(特許文献2)には、固体酸化物型燃料電池が記載されている。この固体酸化物型燃料電池においては、発電の停止と共に原燃料ガスの供給も停止させることにより、発電に寄与しない燃料の消費を回避している。また、この発明においては、発電停止直後の、燃料電池セルスタックの燃料極側の圧力が高い状態において、燃料電池セルスタックの空気極側に空気を供給する温度降下制御が実行される。これにより、燃料電池セルスタックの燃料極の温度が実質的に雰囲気酸化が発生しない温度に低下するまで空気の逆流が抑制され、燃料極の雰囲気酸化が防止されている。   Japanese Patent No. 5316830 (Patent Document 2) describes a solid oxide fuel cell. In this solid oxide fuel cell, the consumption of fuel that does not contribute to power generation is avoided by stopping the supply of the raw fuel gas as well as stopping the power generation. Further, in the present invention, temperature drop control for supplying air to the air electrode side of the fuel cell stack is executed in a state where the pressure on the fuel electrode side of the fuel cell stack is high immediately after the power generation is stopped. As a result, the backflow of air is suppressed until the temperature of the fuel electrode of the fuel cell stack is substantially reduced to a temperature at which atmospheric oxidation does not occur, and the atmospheric oxidation of the fuel electrode is prevented.

特許第4906242号公報Patent No. 4906242 特許第5316830号公報Patent No. 5316830 gazette

しかしながら、特許文献1及び2記載の発明のように、比較的高温領域において発生する雰囲気酸化を防止したとしても、雰囲気酸化とは異なるメカニズムで電気化学的な酸化が発生し、これが燃料電池に悪影響を与えているという新たな技術課題が本件発明者により見出された。特に、特許第5316830号公報記載の発明において問題にされている、燃料電池セルスタックの燃料極には、電気化学的酸化反応により微構造変化が発生し、長年月の使用によって固体酸化物形燃料電池システムの起動、停止が多数回繰り返されると損傷に至る場合がある、という新たな課題が本件発明者により見出された。   However, as in the inventions described in Patent Documents 1 and 2, even if atmospheric oxidation occurring in a relatively high temperature region is prevented, electrochemical oxidation occurs by a mechanism different from atmospheric oxidation, which adversely affects the fuel cell. A new technical problem has been found by the present inventor that In particular, in the fuel electrode of the fuel cell stack, which has been a problem in the invention described in Japanese Patent No. 5316830, a microstructural change occurs due to an electrochemical oxidation reaction, and solid oxide fuel has been used by many years of use. The present inventor has found a new problem that the battery system may be damaged if it is repeatedly started and stopped repeatedly.

従って、本発明は、長年月に亘る燃料電池システムの起動、停止の繰り返しによっても、燃料極に微構造変化が発生しにくく、十分に長い耐用年数を確保す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を目的としている。   Therefore, the present invention is a solid oxide fuel cell which is less likely to cause a microstructural change in the fuel electrode even after repeated start-up and shut-down of the fuel cell system over many years, and can ensure a sufficiently long service life. The purpose is to provide a system.

上述した課題を解決するために、本発明は、原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、内側から順に、ニッケルを主成分とする燃料極層、体電解質層、酸化剤ガス極層が設けられた筒状の燃料電池セルと、水蒸気改質により原燃料ガスから水素を生成し、生成された水素を燃料電池セルの燃料極側に下端から供給する改質部と、この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、この水供給装置から供給された水により水蒸気を生成し、改質部に供給する蒸発部と、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、燃料供給装置、水供給装置、及び酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、このコントローラは、燃料電池モジュールからの電力の取り出し停止後、燃料電池セルを保護するセル保護制御を実行するセル保護回路を有し、セル保護回路は、燃料電池モジュールからの電力の取り出し停止後も、発電運転時よりも少量の原燃料ガス及び水が供給されるように燃料供給装置及び水供給装置の運転を継続することにより、改質部を介して燃料電池セルの燃料極側にガスを供給するセル保護制御を実行するようにプログラムされており、コントローラは、電力の取り出し停止後も酸化剤ガス供給装置の運転を継続して燃料電池モジュール内の温度を低下させると共に、少なくとも電力の取り出し停止後において燃料電池セルの燃料極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、燃料電池セルの温度が200℃乃至100℃の温度帯域に低下するまでセル保護制御を実行し、セル保護回路は、セル保護制御中において、水供給装置の運転を停止させた後も燃料供給装置の運転を所定時間継続して、燃料電池セルの燃料極側に残留する水蒸気をパージし、その後、燃料供給装置の運転を停止させる一方、酸化剤ガス供給装置の運転を所定時間継続して、燃料電池セルの燃料極側から酸化剤ガス極側へ流出した原燃料ガスを燃料電池モジュールの外部へパージし、これにより、局部電池現象の発生を抑制して、燃料電池セルを保護することを特徴としている。 In order to solve the problems described above, the present invention is a solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen obtained by steam reforming a raw fuel gas and an oxidant gas in turn, the fuel electrode layer, a solid body electrolyte layer mainly composed of nickel, and the oxidant gas electrode layer is provided tubular fuel cells, by steam reforming to produce hydrogen from the raw fuel gas, produced A reforming unit that supplies hydrogen from the lower end to the fuel electrode side of the fuel cell, a fuel supply device that supplies the raw fuel gas to the reforming unit, a water supply device that supplies water for steam reforming; An evaporator configured to generate steam from water supplied from the water supplier and supply the water vapor to the reformer, an oxidant gas supplier that supplies oxidant gas to the oxidant gas electrode of the fuel cell, and a fuel cell Cell module containing fuel and fuel supply A controller for controlling the removal of power from the fuel cell module while controlling the storage, the water supply device, and the oxidant gas supply device, and the controller controls the removal of the power from the fuel cell module, The cell protection circuit performs cell protection control for protecting the fuel cells, and the cell protection circuit supplies a smaller amount of raw fuel gas and water than during power generation operation even after stopping power extraction from the fuel cell module. Are programmed to perform cell protection control to supply gas to the fuel electrode side of the fuel cell via the reforming unit by continuing the operation of the fuel supply device and the water supply device as described above, The controller continues the operation of the oxidant gas supply device even after the removal of power and stops the temperature in the fuel cell module, and at least Of without the supply of oxidant gas to the fuel electrode side of the fuel cell after the extraction stop, the temperature of the fuel cell performs cell protection control until drops in a temperature band 200 ° C. to 100 ° C., the cells During the cell protection control, the protection circuit continues the operation of the fuel supply device for a predetermined time after stopping the operation of the water supply device, purges the water vapor remaining on the fuel electrode side of the fuel cell, and then While stopping the operation of the fuel supply device, the operation of the oxidant gas supply device is continued for a predetermined time, and the raw fuel gas that has flowed out from the fuel electrode side of the fuel cell to the oxidant gas electrode side is made to the outside of the fuel cell module It is characterized in that the fuel cell is protected by purging and thereby suppressing the occurrence of the local cell phenomenon.

従来の燃料電池システムにおいては、発電停止後における燃料極の雰囲気酸化が問題とされていた。特に、発電停止(電力の取り出しを停止)すると共に、原燃料ガスの供給も停止してしまうシャットダウン停止をした場合、高温状態で酸化剤ガス極側から燃料極側へ酸化剤ガスが逆流すると、燃料極が酸化され、燃料電池セルが損傷される場合がある。このような燃料電池セルの燃料極の雰囲気酸化の問題は、特許第5316830号公報(特許文献2)に記載されているように、本件発明者によって既に解決されている。   In the conventional fuel cell system, the atmosphere oxidation of the fuel electrode after stopping power generation has been considered as a problem. In particular, in the case of shutdown where power generation is stopped (power extraction is stopped) and the supply of raw fuel gas is also stopped, if the oxidant gas flows back from the oxidant gas electrode side to the fuel electrode side at high temperature, The fuel electrode may be oxidized and the fuel cell may be damaged. The problem of the atmosphere oxidation of the fuel electrode of such a fuel cell has already been solved by the present inventor as described in Japanese Patent No. 5316830 (Patent Document 2).

しかしながら、シャットダウン停止を実行した場合、雰囲気酸化とは全く異なるメカニズムで燃料極が酸化され得るという、新たな技術課題が本件発明者により見出された。即ち、燃料電池システムをシャットダウン停止した後、燃料電池セルの酸化剤ガス極側の酸化剤ガスは、少しずつ燃料極側に逆流し始める。この酸化剤ガスの逆流は極めて少しずつであるため、シャットダウン停止後の雰囲気酸化が発生し得る温度帯域においては、燃料極側に逆流する酸化剤ガスは微量であり、燃料極を実質的に雰囲気酸化させることはない。ところが、さらに時間が経過した後、燃料極の雰囲気酸化が問題とならない帯域まで温度低下した状態において、燃料極が電気化学的に酸化されてしまうことが本件発明者により見出された。   However, the present inventor has found a new technical problem that when the shutdown stop is performed, the fuel electrode can be oxidized by a mechanism completely different from atmospheric oxidation. That is, after the fuel cell system is shut down and stopped, the oxidant gas on the oxidant gas electrode side of the fuel cell gradually starts to flow back to the fuel electrode side. Since the backflow of this oxidant gas is extremely little by little, the oxidant gas which backflows to the fuel electrode side is very small in the temperature zone where the atmospheric oxidation can occur after shutdown is stopped, and the atmosphere of the fuel electrode is substantially It is not oxidized. However, the inventors of the present invention have found that the fuel electrode is oxidized electrochemically in a state where the temperature is lowered to a zone where oxidation of the atmosphere in the fuel electrode does not matter after time passes.

即ち、雰囲気酸化が問題とならない比較的低い温度帯域においては、酸化剤ガス極層及びLSGM製の電解質層が依然として触媒活性を維持している一方、ニッケルを主成分とする燃料極層の触媒活性が低下した状態となる。このような状態では、酸化剤ガス極層及び電解質層が酸素イオンを透過可能であるのに対し、燃料極層は、透過されてきた酸素イオンを水素イオンと反応させることができない。このうよな、燃料極層まで透過した、水素イオンと反応できない酸素イオンが、燃料極層を電気化学的に酸化させてしまうことが本件発明者により見出された。この電気化学的な酸化は、極めて微量であり直ちに燃料電池セルの性能を低下させるものではないが、固体酸化物形燃料電池システムを長期間使用し、起動及び停止が多数回繰り返されることにより、燃料電池セルが損傷に至る場合がある。   That is, in a relatively low temperature zone where oxidation in the atmosphere is not a problem, the oxidant gas electrode layer and the LSGM electrolyte layer still maintain the catalytic activity, while the catalytic activity of the nickel-based fuel electrode layer Is lowered. In such a state, the oxidant gas electrode layer and the electrolyte layer can permeate oxygen ions, whereas the fuel electrode layer can not react the permeated oxygen ions with hydrogen ions. The inventors of the present invention have found that such oxygen ions which can permeate to the fuel electrode layer and can not react with hydrogen ions electrochemically oxidize the fuel electrode layer. Although this electrochemical oxidation is a very small amount and does not immediately reduce the performance of the fuel cell, the solid oxide fuel cell system is used for a long time, and the start and stop are repeated many times. Fuel cells may be damaged.

さらに、このような燃料極層において反応しない酸素イオンは、燃料電池セルの各部で一様に発生している限り、燃料電池システムの起動及び停止が多数回繰り返された場合でも殆ど問題とはならない。しかしながら、燃料電池システムのシャットダウン停止後の燃料電池セルにおいて、酸化剤ガス極側から燃料極側に酸化剤ガスが逆流し始めると、1つの燃料電池セルの燃料極の中で水素濃度が異なることとなり、この濃度勾配が燃料極の電気化学的酸化を促進してしまうことが、本件発明者により見出されている。即ち、燃料極側に水素の濃度勾配が存在すると、燃料極側と酸化剤ガス極側の酸素分圧差が燃料電池セルの各部で異なることとなる。ここで、燃料電池セルの酸素分圧差が大きい部分においては、燃料極と酸化剤ガス極の間で大きな起電力が発生する一方、酸素分圧差が小さい部分では起電力は小さくなる。このように、1つの燃料電池セルの中で起電力の大きい部分と小さい部分が存在すると、1つの燃料電池セルの内部で電流が流れる「局部電池現象」が発生することが、本件発明者により見出された。この「局部電池現象」が発生すると、燃料極層における電気化学的酸化の影響が、1つの燃料電池セルの一部に集中して、起動及び停止が多数回繰り返されることにより、燃料電池セルが損傷に至る場合がある。   Furthermore, as long as oxygen ions which do not react in such a fuel electrode layer are uniformly generated in each part of the fuel cell, even if the fuel cell system is repeatedly turned on and off many times, there is almost no problem. . However, in the fuel cell after shutdown of the fuel cell system, when the oxidant gas starts to flow backward from the oxidant gas electrode side to the fuel electrode side, the hydrogen concentration is different in the fuel electrode of one fuel cell. It has been found by the present inventors that this concentration gradient promotes the electrochemical oxidation of the fuel electrode. That is, if there is a concentration gradient of hydrogen on the fuel electrode side, the oxygen partial pressure difference between the fuel electrode side and the oxidant gas electrode side will be different in each part of the fuel cell. Here, in the portion where the oxygen partial pressure difference of the fuel cell is large, a large electromotive force is generated between the fuel electrode and the oxidant gas electrode, while the electromotive force is small in the portion where the oxygen partial pressure difference is small. As described above, the inventors of the present invention have found that when there is a large portion and a small portion of the electromotive force in one fuel cell, a "local cell phenomenon" in which current flows in one fuel cell occurs. It was found. When this "local cell phenomenon" occurs, the effect of electrochemical oxidation in the fuel electrode layer is concentrated on a part of one fuel cell, and the fuel cell is made by repeating start and stop many times. It can lead to damage.

このような「局部電池現象」を回避するために、本件発明者は、特許第4906242号公報(特許文献1)記載の発明のように、燃料電池システムの発電停止後も原燃料ガスの供給を継続することを試みた(なお、特許文献1記載の発明は、改質器における改質触媒の雰囲気酸化を防止することを目的としたものであり、燃料極の電気化学的酸化の回避を目的としている本件発明とは、技術思想が全く異なるものである。)。このように、燃料電池システムの発電停止後も原燃料ガスの供給を継続することにより、電気化学的酸化の悪影響は低減されたが、不十分であり、起動及び停止が多数回繰り返されると燃料極層に微構造変化が発生していることが本件発明者により確認された。   In order to avoid such a "local cell phenomenon", the inventor of the present invention, as in the invention described in Japanese Patent No. 4906242 (Patent Document 1), supplies the raw fuel gas even after the fuel cell system stops power generation. An attempt was made to continue (The invention described in Patent Document 1 aims to prevent the atmospheric oxidation of the reforming catalyst in the reformer, and aims to avoid the electrochemical oxidation of the fuel electrode. The technical idea of the present invention is completely different. As described above, although the negative effect of electrochemical oxidation is reduced by continuing the supply of the raw fuel gas even after the power generation of the fuel cell system is stopped, the fuel is not sufficient, and the fuel is not repeated if the start and stop are repeated many times. It has been confirmed by the present inventors that microstructural change has occurred in the electrode layer.

即ち、特許第4906242号公報(特許文献1)記載の発明においては、改質触媒の温度が350℃程度まで低下したとき、原燃料ガスと水蒸気との混合ガスの供給を停止し、その後、空気等によりパージを行っている。しかしながら、このような停止工程を実行すると、改質触媒や燃料極層の雰囲気酸化を回避することは可能であるが、燃料電池セルにおける「局部電池現象」は却って促進されてしまうことが本件発明者により見出されている。これは、燃料極側に供給するガスを混合ガスからパージガスに切り替える350℃程度の温度帯域は、電気化学的酸化が発生しやすい温度帯域であり、この帯域において供給するガスの切り替えを行うと、燃料極側に濃度勾配が発生してしまい、「局部電池現象」が発生するものである。   That is, in the invention described in Japanese Patent No. 4906242 (Patent Document 1), when the temperature of the reforming catalyst is lowered to about 350 ° C., the supply of the mixed gas of the raw fuel gas and the water vapor is stopped, and then the air is Purge is performed by However, although it is possible to avoid the atmospheric oxidation of the reforming catalyst and the fuel electrode layer when such a stopping step is performed, it is possible that the "local cell phenomenon" in the fuel cell is rather promoted. Have been found by This is a temperature zone at about 350 ° C. where the gas supplied to the fuel electrode side is switched from the mixed gas to the purge gas is a temperature zone where electrochemical oxidation is likely to occur, and when the gas supplied in this zone is switched, A concentration gradient is generated on the fuel electrode side, and a "local cell phenomenon" occurs.

これらの問題を解決するために、本発明においては、燃料電池モジュールからの電力の取り出し停止後、発電運転時よりも少量の原燃料ガス及び水の供給を継続するセル保護制御を、燃料電池セルの温度が200℃乃至100℃の温度帯域に低下するまで実行している。このように構成された本発明によれば、電力の取り出し停止後、200℃乃至100℃の温度帯域に低下するまでセル保護制御が継続されるので、電気化学的酸化が発生しやすい温度帯域において燃料極側での濃度勾配の発生が抑制され、「局部電池現象」発生による燃料電池セルの劣化を効果的に抑制することができる。   In order to solve these problems, in the present invention, the fuel cell protection control continues to supply a smaller amount of raw fuel gas and water than during power generation operation after stopping power extraction from the fuel cell module. Is carried out until the temperature of 200 ° C. to 100 ° C. falls. According to the present invention configured as described above, since the cell protection control is continued until the temperature drops to a temperature range of 200 ° C. to 100 ° C. after stopping the extraction of power, in a temperature range where electrochemical oxidation tends to occur. The generation of the concentration gradient on the fuel electrode side is suppressed, and the deterioration of the fuel cell due to the occurrence of the "local cell phenomenon" can be effectively suppressed.

本発明において、好ましくは、コントローラは、さらに、セル保護制御終了後において、燃料電池セルに原燃料ガスを供給して燃料極側の残留ガスをパージするパージ制御回路を有し、コントローラは、燃料電池セルの温度が200℃乃至130℃の温度帯域に低下するまでセル保護制御を終了し、その後、燃料極側の残留ガスをパージする。   In the present invention, preferably, the controller further comprises a purge control circuit that supplies the raw fuel gas to the fuel cell and purges the residual gas on the fuel electrode side after completion of the cell protection control, and the controller controls the fuel The cell protection control is ended until the temperature of the battery cell falls to the temperature zone of 200 ° C. to 130 ° C., and then the residual gas on the fuel electrode side is purged.

LSGM製の固体電解質層は、ニッケルを主成分とする燃料極層よりも大幅に低い温度帯域まで触媒活性を保持しているため、原燃料ガス及び水の供給を継続するセル保護制御は、できるだけ低い温度帯域まで実行することが好ましい。しかしながら、セル保護制御が100℃近傍まで実行されると、供給された水蒸気が燃料電池セルの燃料極において結露し、これが燃料極の酸化を引き起こすという別の問題が発生する。特に、燃料電池セルの燃料極側に酸化剤ガス(空気)を供給する装置を備えていない固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃料極側に残留した水蒸気を大量の酸化剤ガスでパージすることができないため、結露の問題が発生しやすい。上記のように構成された本発明によれば、セル保護制御が、燃料電池セルの温度が200℃乃至130℃の温度帯域で終了されるので、結露の発生を抑制することができると共に、少量の原燃料ガスで燃料極側に残留したガスをパージすることができる。この結果、燃料極側への酸化剤ガス(空気)の供給装置を備えていない固体酸化物形燃料電池システムであっても、原燃料ガスパージにより、多量の燃料を浪費するのを回避することができる。   Since the solid electrolyte layer made by LSGM retains catalytic activity to a temperature zone significantly lower than the nickel-based fuel electrode layer, cell protection control to continue the supply of raw fuel gas and water It is preferable to carry out to a low temperature zone. However, when cell protection control is performed up to about 100 ° C., another problem occurs in that the supplied water vapor condenses at the fuel electrode of the fuel cell, which causes oxidation of the fuel electrode. In particular, in a solid oxide fuel cell system not equipped with a device for supplying oxidant gas (air) to the fuel electrode side of a fuel cell, water vapor remaining on the fuel electrode side is purged with a large amount of oxidant gas. Condensation problems are likely to occur. According to the present invention configured as described above, since the cell protection control is terminated in the temperature range of 200 ° C. to 130 ° C. of the fuel cell, the occurrence of condensation can be suppressed and a small amount The source fuel gas can be used to purge the gas remaining on the fuel electrode side. As a result, even in a solid oxide fuel cell system that does not have a system for supplying oxidant gas (air) to the fuel electrode side, it is possible to avoid wasting a large amount of fuel by the raw fuel gas purge. it can.

本発明において、好ましくは、コントローラは、燃料電池セルの温度が150℃乃至130℃の温度帯域に低下するまでセル保護制御を終了し、その後、燃料極側の残留ガスをパージする。   In the present invention, preferably, the controller ends the cell protection control until the temperature of the fuel cell falls to the temperature range of 150 ° C. to 130 ° C., and then purges the residual gas on the fuel electrode side.

このように構成された本発明によれば、150℃乃至130℃の温度帯域でセル保護制御が終了するので、電気化学的酸化の発生抑制と、水蒸気の結露の抑制を最も高い次元で両立することができる。   According to the present invention configured as described above, the cell protection control is completed in the temperature range of 150 ° C. to 130 ° C., thereby achieving both suppression of electrochemical oxidation and suppression of water vapor condensation at the highest level. be able to.

本発明において、好ましくは、セル保護回路は、セル保護制御実行中、原燃料ガスの供給量及び水の供給量を常に一定にする。
このように構成された本発明によれば、セル保護制御実行中、原燃料ガスの供給量及び水の供給量が常に一定にされるので、セル保護制御実行中において燃料電池セルの燃料極側の雰囲気を極めて均一に維持することができ、濃度勾配に起因した電気化学的酸化の発生を確実に抑制することができる。
In the present invention, preferably, the cell protection circuit makes the supply amount of raw fuel gas and the supply amount of water constant at all times during the cell protection control.
According to the present invention configured as described above, the supply amount of the raw fuel gas and the supply amount of water are always made constant during the cell protection control, so that the fuel electrode side of the fuel cell is under the cell protection control. Can be maintained extremely uniformly, and the occurrence of electrochemical oxidation due to the concentration gradient can be reliably suppressed.

本発明において、好ましくは、さらに、蒸発部を加熱するための加熱ヒータを有し、コントローラは、燃料電池セルの温度が350℃以下に低下したとき加熱ヒータを作動させ、水蒸気の生成を促進する。   In the present invention, preferably, further, a heater for heating the evaporation unit is provided, and the controller activates the heater to promote the generation of water vapor when the temperature of the fuel cell decreases to 350 ° C. or lower. .

このように構成された本発明によれば、燃料電池セルの温度が350℃以下に低下したとき加熱ヒータが作動されるので、燃料電池モジュールの温度が低下しつつある状態においても、蒸発部において確実に一定量の水蒸気を生成することが可能になる。この結果、燃料電池セルの燃料極側における濃度勾配の発生を極小にすることができ、電気化学的酸化の発生を、より確実に抑制することができる。   According to the present invention configured as described above, since the heater is activated when the temperature of the fuel cell falls to 350 ° C. or less, even in the state where the temperature of the fuel cell module is decreasing, It is possible to reliably generate a certain amount of water vapor. As a result, the occurrence of the concentration gradient on the fuel electrode side of the fuel cell can be minimized, and the occurrence of electrochemical oxidation can be more reliably suppressed.

本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、長年月に亘る燃料電池システムの起動、停止の繰り返しによっても、燃料極に微構造変化が発生しにくく、十分に長い耐用年数を確保することができる。   According to the solid oxide fuel cell system of the present invention, the fuel electrode is unlikely to undergo microstructural changes even after repeated start-up and shut-down of the fuel cell system over many years, and a sufficiently long service life is ensured. Can.

本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。FIG. 1 is a front cross-sectional view showing a fuel cell module of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルを示す(a)部分断面図及び(b)横断面図である。1A is a partial cross-sectional view and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a fuel cell of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows an example of each amount of supply of a fuel etc. in a starting process of a fuel cell system by one embodiment of the present invention, and temperature of each part. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合の処理手順を示すフローチャートである。7 is a flowchart showing a processing procedure when shutdown stop is performed in the fuel cell system according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合の処理手順を示すフローチャートである。7 is a flowchart showing a processing procedure when shutdown stop is performed in the fuel cell system according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおける停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。It is a time chart which represented typically an example of stop behavior in a fuel cell system by one embodiment of the present invention by time series. 本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、停止工程が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、及び燃料電池セルの先端部の状態を時系列で説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for describing control in a case where the stopping step is performed, a temperature in the fuel cell module, and a state of the tip of the fuel cell in chronological order in the fuel cell system according to one embodiment of the present invention. 本発明の変形実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。FIG. 10 is a front cross-sectional view showing a fuel cell module of a fuel cell system according to a modified embodiment of the present invention. 従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、シャットダウン停止が実行された場合における燃料電池モジュール内の温度、圧力、及び燃料電池セルの先端部の状態を時系列で説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for describing the temperature and pressure in the fuel cell module and the state of the tip of the fuel cell in time series in the case where shutdown stop is performed in the conventional solid oxide fuel cell system. 燃料電池セルを構成する燃料極,電解質,空気極の活性温度と、停止工程の関係を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the relationship between the activation temperature of the fuel electrode which comprises a fuel cell, an electrolyte, and an air electrode, and a stop process. 燃料極側に水素ガスを供給し、空気極側に空気を供給した状態において、単一の燃料電池セルが発生する起電力を示すグラフである。It is a graph which shows the electromotive force which a single fuel battery cell generate | occur | produces in the state which supplied hydrogen gas to the fuel electrode side, and supplied air to the air electrode side. 燃料電池モジュール内の温度が電気化学的酸化発生温度帯域を通過する場合の燃料電池セルの挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the fuel cell in case the temperature in a fuel cell module passes an electrochemical oxidation generation | occurrence | production temperature zone. 燃料電池セルにおける局部電池現象を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the local cell phenomenon in a fuel cell.

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

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のケース8が内蔵されている。この密閉空間であるケース8の下方部分である発電室10には、燃料(水素)と酸化剤ガス(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セル16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セル16を有し、これらの燃料電池セル16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a metal case 8 is incorporated in the housing 6 via a heat insulating material 7. In a power generation chamber 10 which is a lower portion of the case 8 which is a sealed space, a fuel cell assembly 12 is arranged to perform a power generation reaction with fuel (hydrogen) and an oxidant gas (air). The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cells 16 (see FIG. 4). . As described above, the fuel cell assembly 12 includes 160 fuel cells 16, and all the fuel cells 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2のケース8の上述した発電室10の上方には、燃焼部である燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されずに残った残余の燃料(オフガス)と残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。さらに、ケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室18の上方には、原燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 which is a combustion unit is formed above the above-described power generation chamber 10 of the case 8 of the fuel cell module 2, and in this combustion chamber 18, the remaining fuel (off gas) remaining without being used for the power generation reaction. And the remaining oxidant (air) are combusted to produce exhaust gas. Furthermore, the case 8 is covered with the heat insulating material 7 to suppress the heat inside the fuel cell module 2 from being released to the outside air.
Further, a reformer 20 for reforming the raw fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the heat of combustion of the residual gas heats the reformer 20 to a temperature at which the reforming reaction is possible. doing. Further, above the reformer 20, an air heat exchanger 22, which is a heat exchanger for heating the power generation air by the combustion gas of the residual gas and preheating the power generation air, is disposed.

次に、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された原燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、原燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、原燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する原燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤ガスである空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 stores the water obtained by condensing the water contained in the exhaust from the fuel cell module 2 and uses the filter as pure water to obtain pure water, and the water supplied from the water storage tank The water flow rate adjustment unit 28 (a motor driven by a motor such as a "water pump"), which is a water supply device for adjusting the flow rate of water. The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 for blocking the raw fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the raw fuel gas, and a raw fuel gas A fuel flow control unit 38 (motor-driven "fuel pump" or the like) that adjusts the flow rate of the fuel and a valve 39 that shuts off the source fuel gas flowing out of the fuel flow control unit 38 when power is lost. Furthermore, the auxiliary unit 4 includes a solenoid valve 42 for blocking air that is an oxidant gas supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjustment unit 44 for adjusting the flow rate of air, and an air flow rate adjustment for power generation. A unit 45 ("air blower" driven by a motor, etc.), a first heater 46 for heating reforming air supplied to the reformer 20, and a generator for heating power generation air supplied to the power generation chamber 2 heater 48 is provided. The first heater 46 and the second heater 48 are provided to efficiently perform the temperature rise at the time of activation, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスを浄化するための燃焼触媒が内蔵された燃焼触媒器49が接続され、この燃焼触媒器49により浄化された排気ガスが温水製造装置50に供給されるようになっている。また、燃焼触媒器49には、触媒を活性温度に加熱する触媒ヒーター49aが内蔵されている。温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, the fuel cell module 2 is connected to a combustion catalyst 49 having a combustion catalyst incorporated therein for purifying exhaust gas, and the exhaust gas purified by the combustion catalyst 49 is supplied to the hot water producing apparatus 50. It has become so. Further, the combustion catalyst 49 incorporates a catalytic heater 49a that heats the catalyst to the activation temperature. Tap water is supplied from the water supply source 24 to the hot water producing apparatus 50, and the tap water becomes hot water by the heat of the exhaust gas, and is supplied to a hot water storage tank of an external water heater (not shown).
Further, a control box 52 for controlling the supply amount of fuel gas and the like is attached to the fuel cell module 2.
Further, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 which is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

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

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

一方、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20a、混合部20b、改質部20cが形成され、この改質部20cには改質触媒が充填されている。蒸発部20aは、改質器導入管62を介して導入された純水を加熱して、蒸発させるように構成されている。また、蒸発部20aには、蒸発部20aの加熱を補助するための加熱ヒータ81(図2)が設けられている。この加熱ヒータ81は、発電停止後等、燃料電池モジュール2内の温度が低下した状態で水蒸気を生成する場合に通電され、供給された純水を蒸発させることができるように構成されている。   On the other hand, an evaporation unit 20a, a mixing unit 20b, and a reforming unit 20c are formed in the reformer 20 in this order from the upstream side, and the reforming unit 20c is filled with a reforming catalyst. The evaporation unit 20 a is configured to heat and evaporate the pure water introduced through the reformer introduction pipe 62. Moreover, the heater 81 (FIG. 2) for assisting the heating of the evaporation part 20a is provided in the evaporation part 20a. The heater 81 is configured to be energized when water vapor is generated in a state where the temperature in the fuel cell module 2 is lowered, such as after power generation is stopped, so that the supplied pure water can be evaporated.

さらに、蒸発部20aにおいて生成された水蒸気は、混合部20b内で原燃料ガスと混合され、改質部20cに流入する。改質部20cに導入された水蒸気及び原燃料ガスは、改質部20c内に充填された改質触媒により改質される。本実施形態においては、改質触媒として、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが用いられている。また、改質触媒として、アルミナの球体表面にロジウムを付与したもの等、貴金属系の改質触媒を使用することができる。なお、貴金属系の改質触媒は、一般に酸化温度が約700℃程度以上で、非常に高温であり、固体酸化物形燃料電池システム1の停止後に改質器20内に空気が侵入したとしても、改質触媒が雰囲気酸化されることはない。   Furthermore, the water vapor generated in the evaporation unit 20a is mixed with the raw fuel gas in the mixing unit 20b, and flows into the reforming unit 20c. The steam and raw fuel gas introduced into the reforming unit 20c are reformed by the reforming catalyst charged in the reforming unit 20c. In the present embodiment, as the reforming catalyst, one provided with ruthenium on the surface of alumina spheres is used. Further, as the reforming catalyst, a noble metal-based reforming catalyst such as one obtained by adding rhodium to the surface of alumina spheres can be used. The noble metal-based reforming catalyst generally has an oxidation temperature of about 700 ° C. or higher and is very high temperature, and air may enter the reformer 20 after the solid oxide fuel cell system 1 is stopped. The reforming catalyst is not oxidized in the atmosphere.

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

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

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

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

燃料電池セル84の第1の端部である下端側と第2の端部である上端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、固体電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路細管98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the lower end side which is the first end of the fuel cell 84 and the upper end side which is the second end has the same structure, here, the inner side attached to the upper end The electrode terminal 86 will be specifically described. An upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes a solid electrolyte layer 94, an outer peripheral surface 90 b exposed to the outer electrode layer 92, and an upper end surface 90 c. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90 b of the inner electrode layer 90 via the conductive seal material 96, and is in direct contact with the upper end surface 90 c of the inner electrode layer 90 to connect with the inner electrode layer 90. It is electrically connected. At a central portion of the inner electrode terminal 86, a fuel gas channel thin tube 98 communicating with the fuel gas channel 88 of the inner electrode layer 90 is formed.

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

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 is, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, Ni, and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed of at least one of a mixture, and a mixture of Ni and a lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

固体電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The solid electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg. , Formed of at least one of.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 is, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr, Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni, Cu, Sr, Fe, Ni, Cu It is formed of at least one of lanthanum cobaltite, silver, etc. doped with at least one selected from

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

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

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

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

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

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

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

次に図6により本実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムに取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムを示すブロック図である。
図6に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、コントローラである制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。また、制御部110には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。
Next, sensors attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) system according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell system 1 includes a control unit 110 which is a controller, and the control unit 110 performs operations such as "ON" and "OFF" for the user to operate. An operation device 112 equipped with a button, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 that issues a warning in the event of an abnormal state are connected. There is. The notification device 116 may be connected to a management center at a remote location to notify the management center of an abnormal state. In addition, the control unit 110 incorporates a microprocessor, a memory, and a program (not shown) for operating them, thereby aiding the accessory unit 4 based on the input signal from each sensor. The inverter 54 and the like are controlled.

次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 110.
First, the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the accessory unit 4.
The CO detection sensor 122 detects whether CO in the exhaust gas, which is originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 and the like, leaks to an external housing (not shown) covering the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. It is to do.
The hot water storage state detection sensor 124 is for detecting the temperature and the amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power state detection sensor 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown).
The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10.
The reforming air flow rate sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow rate sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

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

発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)システムが屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front and back sides in the vicinity of the fuel cell assembly 12 and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to detect the fuel cell stack It is for estimating the temperature of 14 (ie, the fuel cell 84 itself).
The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas of the exhaust gas chamber 78.
The reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) system is placed outdoors. Further, a sensor may be provided to measure the humidity and the like of the outside air.

これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、点火用空気流量調整ユニット44、酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。   Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110 controls the water flow adjustment unit 28, the fuel flow adjustment unit 38, the ignition air flow adjustment unit 44, oxidation based on the data of these signals. A control signal is sent to the power generation air flow rate adjustment unit 45, which is an agent gas supply device, to control each flow rate in these units.

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

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

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

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

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

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

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

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

発電室10内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック14の空気極側(酸化剤ガス極側)である各燃料電池セル16の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口77aを介して発電室10の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室10内を上昇する。発電室10内を上昇した空気は、各燃料電池セル16の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20の蒸発部20a、混合部20b及び改質部20cを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器20を加熱した後、改質器20上方の開口部21aを通って整流板21の上側に流入する。整流板21の上側に流入した燃焼ガスは、整流板21によって構成された排気通路21bを通って空気用熱交換器22の入り口である連通開口8aに導かれる。連通開口8aから空気用熱交換器22に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管70の端部に流入し、各燃焼ガス配管70外側の発電用空気流路72を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室78に集約される。排気ガス集約室78に集約された排気ガスは、排気ガス排出管82を介して燃料電池モジュール2の外部に排出される。これにより、蒸発部20aにおける水の蒸発、及び改質部20cにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器22内の発電用空気が予熱される。また、燃料電池モジュール2から排出された排気ガスは燃焼触媒器49に流入し、ここで一酸化炭素等の有害な成分が除去され、温水製造装置50に送られる。   The air injected into the power generation chamber 10 contacts the outer surface of each fuel cell 16 which is the air electrode side (oxidant gas electrode side) of the fuel cell stack 14, and a part of oxygen in the air generates power. Used for Further, the air injected to the lower part of the power generation chamber 10 via the blowout port 77a rises in the power generation chamber 10 while being used for power generation. The air rising in the power generation chamber 10 burns the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell 16. The heat of combustion heats the evaporation portion 20a, the mixing portion 20b and the reforming portion 20c of the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14. The fuel is burned, and the generated combustion gas heats the upper reformer 20 and then flows to the upper side of the straightening vane 21 through the opening 21 a above the reformer 20. The combustion gas which has flowed into the upper side of the straightening vane 21 is led to the communication opening 8a which is the inlet of the air heat exchanger 22 through the exhaust passage 21b constituted by the straightening vane 21. The combustion gas that has flowed into the air heat exchanger 22 from the communication opening 8a flows into the end of each open combustion gas pipe 70, and flows through the power generation air flow path 72 outside each combustion gas pipe 70. And exchange heat with each other to be concentrated in the exhaust gas concentration chamber 78. Exhaust gas collected in the exhaust gas collecting chamber 78 is discharged to the outside of the fuel cell module 2 via the exhaust gas discharge pipe 82. As a result, evaporation of water in the evaporation unit 20a and steam reforming reaction which is an endothermic reaction in the reforming unit 20c are promoted, and power generation air in the air heat exchanger 22 is preheated. Further, the exhaust gas discharged from the fuel cell module 2 flows into the combustion catalyst 49, where harmful components such as carbon monoxide are removed, and sent to the hot water producing apparatus 50.

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

図7及び図8に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック14の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図7の時刻t0において、発電用空気、点火用空気及び水の供給が開始される(プリパージ工程)。具体的には、コントローラである制御部110が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送って、これを作動させる。
上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に導入され、空気用熱交換器22、発電用空気供給路77を経て発電室10内に流入する。また、制御部110は、点火用の酸化剤ガス供給装置である点火用空気流量調整ユニット44に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール2内に導入された点火用空気は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セル16の内部に流入し、その上端から流出する。また、制御部110は、水流量調整ユニット28に信号を送って、これを作動させる。水流量調整ユニット28から圧送される純水は、水供給用配管63aを通ってT字管62aに到達する。少なくとも時刻t0から所定時間(水充填期間:t0〜t1)の間に、水流量調整ユニット28からT字管62aまでの間の水供給用配管63aが水で充填されると共に、少量の水が蒸発部20a内に配置される。なお、時刻t0においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器20内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図7の時刻t0において開始される発電用空気の供給量は約50L/minであり、点火用空気の供給量は約4.8L/minであり、水の供給量は2.5cc/minである。
In the start-up steps shown in FIGS. 7 and 8, the temperature of the fuel cell stack 14 in the normal temperature state is raised to a temperature at which power can be generated.
First, at time t0 in FIG. 7, the supply of power generation air, ignition air, and water is started (prepurge step). Specifically, the control unit 110, which is a controller, sends a signal to the power generation air flow rate adjustment unit 45, which is an oxidant gas supply device for power generation, to operate it.
As described above, the power generation air is introduced into the fuel cell module 2 through the power generation air introduction pipe 74, and flows into the power generation chamber 10 through the air heat exchanger 22 and the power generation air supply passage 77. . Further, the control unit 110 sends a signal to the ignition air flow rate adjustment unit 44, which is an oxidant gas supply device for ignition, to operate it. Ignition air introduced into the fuel cell module 2 flows into the interior of each fuel cell 16 through the reformer 20 and the manifold 66 and flows out from the upper end thereof. Also, the control unit 110 sends a signal to the water flow rate adjustment unit 28 to operate it. The pure water pressure-fed from the water flow rate adjustment unit 28 reaches the T-shaped pipe 62a through the water supply pipe 63a. The water supply piping 63a from the water flow rate adjustment unit 28 to the T-shaped pipe 62a is filled with water for at least a predetermined time (water filling period: t0 to t1) from time t0, and a small amount of water is added. It arrange | positions in the evaporation part 20a. At time t0, the fuel is not supplied yet, so that the reforming reaction does not occur in the reformer 20. In the present embodiment, the supply amount of generation air started at time t0 in FIG. 7 is about 50 L / min, the supply amount of ignition air is about 4.8 L / min, and the supply amount of water is It is 2.5 cc / min.

次いで、図7の時刻t0から所定時間後の時刻t1において、燃料の供給が開始され、供給された燃料への点火工程が開始される。具体的には、制御部110が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット38に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻t1において開始される燃料の供給量は約4.0L/minである。
燃料電池モジュール2内に導入された燃料は、改質器20、マニホールド66を経て、各燃料電池セル16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t1においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器20内において改質反応は発生しない。
Next, at time t1 which is a predetermined time after time t0 in FIG. 7, the supply of fuel is started, and an ignition process to the supplied fuel is started. Specifically, the control unit 110 sends a signal to the fuel flow control unit 38, which is a fuel supply device, to operate it. In the present embodiment, the fuel supply amount started at time t1 is about 4.0 L / min.
The fuel introduced into the fuel cell module 2 flows into the interior of each fuel cell 16 through the reformer 20 and the manifold 66 and flows out from the upper end thereof. At time t1, the reforming reaction does not occur in the reformer 20 because the temperature of the reformer is still low.

点火工程においては、制御部110が、点火手段である点火装置83(図2)に信号を送り、各燃料電池セル16の上端から流出する燃料に点火する。点火装置83は、燃料電池セルスタック14の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セル16の上端から流出する燃料に点火する。
また、時刻t1において水供給用配管63aが水で充填されると共に、少量の水が蒸発部20a内に配置されるため、制御部110は、水の供給量を2.06cc/minに低減する。これにより、点火工程中に少量の水が改質器20へ向けて供給され始める。
In the ignition step, the control unit 110 sends a signal to the ignition device 83 (FIG. 2) which is an ignition means, and ignites the fuel flowing out from the upper end of each fuel cell 16. The igniter 83 repeatedly generates sparks in the vicinity of the upper end of the fuel cell stack 14 and ignites the fuel flowing out of the upper end of each fuel cell 16.
In addition, since the water supply pipe 63a is filled with water at time t1 and a small amount of water is disposed in the evaporation unit 20a, the control unit 110 reduces the water supply amount to 2.06 cc / min. . Thereby, a small amount of water starts to be supplied to the reformer 20 during the ignition process.

図7の時刻t2において、点火工程から燃焼工程に移行する。燃焼工程では、オフガス燃焼熱によって、改質器20の昇温が図られる。
点火工程が終了すると、制御部110は、時刻t2において、点火用空気の供給を停止する(供給量0.0L/min)。したがって、点火用空気は、点火前には改質器20を経由して流れるが、点火後には改質器20を経由して流れることはなく、改質器20内での改質反応(POX反応)のために供給されることは意図されていない。よって、他の実施形態として、点火用空気が改質器20を経由せずに、別の配管を通って燃料電池セル16へ供給されるように構成してもよい。
At time t2 in FIG. 7, the process proceeds from the ignition process to the combustion process. In the combustion process, the temperature of the reformer 20 is raised by the off-gas combustion heat.
When the ignition process is completed, the control unit 110 stops the supply of ignition air at time t2 (supply amount 0.0 L / min). Therefore, although the air for ignition flows through the reformer 20 before ignition, it does not flow through the reformer 20 after ignition, and the reforming reaction in the reformer 20 (POX) It is not intended to be supplied for the reaction). Therefore, as another embodiment, the ignition air may be supplied to the fuel cell 16 through another pipe without passing through the reformer 20.

また、時刻t2において、制御部110は、燃料の供給量を3.14L/minに低減し、発電用空気の供給量を約70L/minに増加する。なお、水の供給量は2.06cc/minに維持され、起動工程中において少なくとも点火直後から燃焼工程の間は最低値に維持される。   Further, at time t2, the control unit 110 reduces the fuel supply amount to 3.14 L / min and increases the power generation air supply amount to about 70 L / min. The amount of water supplied is maintained at 2.06 cc / min, and is maintained at a minimum value at least immediately after ignition during the start-up step and during the combustion step.

燃焼工程において、供給された燃料は、各燃料電池セル16の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器20を加熱する。ここで、改質器20の上方(ケース8の上)には、蒸発室用断熱材23が配置されており、これにより、燃料の燃焼開始直後において、改質器20の温度は常温から急激に上昇する。蒸発室用断熱材23の上に配置されている空気用熱交換器22には外気が導入されているため、空気用熱交換器22は、特に燃焼開始直後においては温度が低く、冷却源となりやすい。本実施形態においては、ケース8の上面と空気用熱交換器22の底面の間に蒸発室用断熱材23が配置されていることにより、ケース8内の上部に配置された改質器20から空気用熱交換器22への熱の移動が抑制され、ケース8内の改質器20付近には熱が籠もりやすくなる。加えて、蒸発部20aの上方の、整流板21の上側の空間は、燃焼ガスの流れが遅くなる気体滞留空間21c(図2)として構成されているため、蒸発部20a付近は二重に断熱され、より急速に温度が上昇する。   In the combustion process, the supplied fuel flows out as an off gas from the upper end of each fuel cell 16 and is burned here. The heat of combustion heats the reformer 20 disposed above the fuel cell stack 14. Here, the evaporation chamber heat insulating material 23 is disposed above the reformer 20 (on the top of the case 8), whereby the temperature of the reformer 20 rapidly increases from normal temperature immediately after the start of fuel combustion. To rise. Since the outside air is introduced into the air heat exchanger 22 disposed on the evaporation chamber heat insulator 23, the air heat exchanger 22 has a low temperature, particularly immediately after the start of combustion, and serves as a cooling source. Cheap. In the present embodiment, since the evaporation chamber heat insulator 23 is disposed between the upper surface of the case 8 and the bottom surface of the air heat exchanger 22, the reformer 20 disposed in the upper portion in the case 8 The transfer of heat to the air heat exchanger 22 is suppressed, and heat is likely to stagnate in the vicinity of the reformer 20 in the case 8. In addition, the space above the flow straightening plate 21 above the evaporation portion 20a is configured as a gas retention space 21c (FIG. 2) in which the flow of combustion gas is delayed, so the vicinity of the evaporation portion 20a is double-insulated And the temperature rises more rapidly.

このように、蒸発部20aの温度が急速に上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。また、蒸発部20aには、改質用の水が少量ずつ(起動工程中における最低量)供給されているため、多量の水が蒸発部20aに貯留されている場合に比べ、わずかな熱で水を沸点まで加熱することができ、早急に水蒸気の供給を開始することができる。さらに、水流量調整ユニット28の作動開始直後から水が流入するため、水の供給遅れによる、蒸発部20aの過剰な温度上昇、及び水蒸気の供給遅れを回避することができる。   As described above, the temperature of the evaporating unit 20a is rapidly increased, so that the water vapor can be generated in a short time after the start of the off gas combustion. In addition, since a small amount of reforming water is supplied to the evaporation unit 20a little by little (minimum amount in the start-up process), the heat is small compared to the case where a large amount of water is stored in the evaporation unit 20a. The water can be heated to the boiling point, and the supply of steam can be started immediately. Furthermore, since water flows in immediately after the start of the operation of the water flow rate adjustment unit 28, it is possible to avoid an excessive temperature rise of the evaporation unit 20a and a delayed supply of water vapor due to a delayed supply of water.

このようにして、燃焼工程中に改質器20の温度が上昇し、時刻t3において、燃焼工程から第1の水蒸気改質反応工程(SR1工程)へ移行される。このSR1工程では、蒸発部20aを経て改質部20cに流入した燃料及び水蒸気による水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、次式(1)に示す吸熱反応である。
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
In this manner, the temperature of the reformer 20 rises during the combustion process, and at time t3, the combustion process is transferred to the first steam reforming reaction process (SR1 process). In the SR1 process, a steam reforming reaction occurs with the fuel and steam that flowed into the reforming unit 20c through the evaporation unit 20a. The steam reforming reaction is an endothermic reaction represented by the following formula (1).
C m H n + x H 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

また、時刻t3において、第1の水蒸気改質反応工程(SR1工程)が開始されると、水の消費量が増大するため、制御部110は、燃料及び発電用空気の供給量を維持したまま、水供給量のみを3.82cc/minに増加する。
なお、図7に示すタイムチャートでは、時刻t3における改質器温度は約250℃である。
Further, when the first steam reforming reaction step (SR1 step) is started at time t3, the consumption amount of water increases, so the control unit 110 maintains the supply amounts of fuel and air for power generation. Increase the water supply only to 3.82 cc / min.
In the time chart shown in FIG. 7, the reformer temperature at time t3 is about 250.degree.

次に、改質器温度センサ148による検出温度が約450℃に到達すると、図7の時刻t4において、第1の水蒸気改質反応工程(SR1工程)から第2の水蒸気改質反応工程(SR2工程)に移行される。時刻t4において、発電用空気供給量が59L/minに低減され、水供給量が5.0cc/minに更に増加される。また、燃料供給量は従前の値が維持される。これにより、SR2工程では、SR1工程よりも水蒸気と炭素のモル比S/Cが増加される。   Next, when the temperature detected by the reformer temperature sensor 148 reaches approximately 450 ° C., at time t4 in FIG. 7, the first steam reforming reaction step (SR1 step) to the second steam reforming reaction step (SR2) are performed. Process). At time t4, the power generation air supply is reduced to 59 L / min, and the water supply is further increased to 5.0 cc / min. Also, the fuel supply amount is maintained at the previous value. As a result, in the SR2 process, the molar ratio S / C of water vapor to carbon is increased as compared to the SR1 process.

さらに、図7の時刻t5において、発電室温度センサ142による検出温度が約550℃に到達すると、第2の水蒸気改質反応工程(SR2工程)から第3の水蒸気改質反応工程(SR3工程)に移行される。これに伴い、燃料供給量が2.02L/minに低減され、発電用空気供給量が47L/minに更に低減され、水供給量が4.75cc/minに低減される。これにより、SR3工程では、SR2工程よりも水蒸気と炭素のモル比S/Cが更に増加され、水蒸気改質反応に適した値に設定される。   Furthermore, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches about 550 ° C. at time t5 in FIG. 7, the second steam reforming reaction step (SR2 step) to the third steam reforming reaction step (SR3 step) Transition to Accordingly, the fuel supply amount is reduced to 2.02 L / min, the power generation air supply amount is further reduced to 47 L / min, and the water supply amount is reduced to 4.75 cc / min. As a result, in the SR3 step, the molar ratio S / C of water vapor to carbon is further increased than in the SR2 step, and the value is set to a value suitable for the steam reforming reaction.

さらに、SR3工程を所定時間実行した後、発電室温度センサ142による検出温度が約600℃に到達すると、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック14からインバータ54(図6)に電力が取り出され、発電が開始される。また、発電工程においては、燃料電池モジュール2に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。   Furthermore, after the SR3 process is performed for a predetermined time, when the temperature detected by the power generation chamber temperature sensor 142 reaches approximately 600 ° C., the process shifts to the power generation process. In the power generation process, power is taken from the fuel cell stack 14 to the inverter 54 (FIG. 6) to start power generation. Further, in the power generation process, the fuel supply amount, the power generation air supply amount, and the water supply amount are changed according to the output power required for the fuel cell module 2.

次に、図12乃至図15bを参照して、従来の固体酸化物形燃料電池システムにおけるシャットダウン停止処理を説明する。   Next, shutdown stop processing in the conventional solid oxide fuel cell system will be described with reference to FIGS. 12 to 15b.

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

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

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

図12は、従来の固体酸化物形燃料電池システムのシャットダウン停止後の動作を説明する図である。図12の上段には燃料極側及び空気極側の圧力変化を模式的に表すグラフを示し、中段には制御動作及び燃料電池モジュール内の温度を時系列で示し、下段には各時点における燃料電池セルの上端部の状態を示している。   FIG. 12 is a diagram for explaining the operation after shutdown shutdown of the conventional solid oxide fuel cell system. The upper part of FIG. 12 shows a graph schematically representing pressure changes on the fuel electrode side and the air electrode side, the middle part shows the control operation and the temperature inside the fuel cell module in time series, and the lower part shows the fuel at each time point The state of the upper end of the battery cell is shown.

まず、図12中段におけるシャットダウン停止の前は、通常の発電運転が行われている。この状態においては、燃料電池モジュール内の温度は600〜700℃程度である。また、図12の下段(1)に示すように、燃料電池セル上端からは、発電に使用されずに残った燃料ガスが噴出しており、この噴出する燃料ガスは上端で燃焼される。次いで、シャットダウン停止により、原燃料ガス、改質用の水、発電用の空気の供給が停止されると、噴出する燃料ガスの流量が低下し、図12の下段(2)に示すように、燃料電池セル先端の炎が消失する。   First, before the shutdown stop in the middle stage of FIG. 12, a normal power generation operation is performed. In this state, the temperature in the fuel cell module is about 600 to 700.degree. Further, as shown in the lower part (1) of FIG. 12, the fuel gas remaining without being used for power generation is ejected from the upper end of the fuel cell, and the ejected fuel gas is burned at the upper end. Next, when the supply of the raw fuel gas, the water for reforming, and the air for power generation is stopped due to the shutdown stop, the flow rate of the fuel gas to be jetted decreases, as shown in the lower part (2) of FIG. The flame at the end of the fuel cell disappears.

図12の下段(3)に示すように、シャットダウン停止後、炎が消失された後も、燃料電池セルの内部(燃料極側)の圧力は、外部(空気極側)よりも高いため、燃料電池セルからの燃料ガスの噴出は継続される。また、図12上段に示すように、シャットダウン停止直後において、燃料極側の圧力は空気極側の圧力よりも高く、各圧力は、この関係を維持したまま低下する。燃料極側と空気極側の圧力差は、シャットダウン停止の後、燃料ガスの噴出と共に低下する。燃料電池セルからの燃料ガスの噴出量は、燃料極側と空気極側の圧力差が低下するにつれて減少する(図12の下段(4)(5))。   As shown in the lower part (3) of FIG. 12, since the pressure inside the fuel cell (fuel electrode side) is higher than the outside (air electrode side) even after the flame is extinguished after shutdown is stopped, the fuel is The ejection of the fuel gas from the battery cells is continued. Further, as shown in the upper part of FIG. 12, immediately after the shutdown is stopped, the pressure on the fuel electrode side is higher than the pressure on the air electrode side, and each pressure decreases while maintaining this relationship. The pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side decreases with the ejection of the fuel gas after the shutdown is stopped. The amount of fuel gas ejected from the fuel cell decreases as the pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side decreases (lower stage (4) and (5) in FIG. 12).

シャットダウン停止後、5乃至6時間程度経過し、燃料電池モジュール内の温度が酸化抑制温度まで低下する頃には、各燃料電池セルの燃料極側、空気極側ともほぼ大気圧まで低下し、空気極側の空気が燃料極側に拡散し始める(図12の下段(6)(7))。また、酸化抑制温度近傍においては、燃料極の温度が低く、燃料極に空気が触れた場合にも発生する酸化は僅かであり、酸化により発生する悪影響は、実質的に無視することができる。さらに、図12の下段(8)に示すように、燃料極の温度が酸化下限温度よりも低下した後は、各燃料電池セルの燃料極側に空気が充満しても燃料極が雰囲気酸化されることはない。このように、従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、機械的な構成により、酸化抑制温度以上の燃料極に進入した空気が接触し、燃料極が雰囲気酸化されるのを防止している。   About 5 to 6 hours after shutdown stop, when the temperature in the fuel cell module falls to the oxidation suppression temperature, both the fuel electrode side and the air electrode side of each fuel cell decrease to almost atmospheric pressure, and air The air on the pole side begins to diffuse to the fuel electrode side (lower stage (6) and (7) in FIG. 12). Further, in the vicinity of the oxidation suppression temperature, the temperature of the fuel electrode is low, and the oxidation generated when air contacts the fuel electrode is slight, and the adverse effect caused by the oxidation can be substantially ignored. Furthermore, as shown in the lower part (8) of FIG. 12, after the temperature of the fuel electrode falls below the oxidation lower limit temperature, even if the fuel electrode side of each fuel cell is filled with air, the fuel electrode is oxidized in the atmosphere. There is nothing to do. As described above, in the conventional solid oxide fuel cell system, the mechanical configuration prevents air entering the fuel electrode above the oxidation suppression temperature from contacting and oxidizing the fuel electrode from the atmosphere.

しかしながら、燃料極の雰囲気酸化が防止されたとしても、雰囲気酸化とは異なるメカニズムで燃料極が電気化学的に酸化されるという現象が、本件発明者により見出された。   However, the inventors of the present invention have found that even if atmosphere oxidation of the fuel electrode is prevented, the fuel electrode is electrochemically oxidized by a mechanism different from atmosphere oxidation.

次に、図13を参照して、燃料極の電気化学的な酸化現象を説明する。
図13は、燃料電池セル16を構成する燃料極,電解質,空気極の活性温度と、停止制御の関係を模式的に示す説明図である。
本実施形態においては、第1燃料極90dはNi/YSZで形成され、第2燃料極90eはNi/GDCで形成され、固体電解質層94はLSGMで形成され、空気極92aはLSCFで形成されている。また、第1燃料極90dと第2燃料極90eの間には、Ni/SrZrO3からなる燃料極保護層90fが形成されている。
Next, with reference to FIG. 13, the electrochemical oxidation phenomenon of the fuel electrode will be described.
FIG. 13 is an explanatory view schematically showing the relationship between the activation temperature of the fuel electrode, the electrolyte and the air electrode constituting the fuel cell 16 and the stop control.
In the present embodiment, the first fuel electrode 90d is formed of Ni / YSZ, the second fuel electrode 90e is formed of Ni / GDC, the solid electrolyte layer 94 is formed of LSGM, and the air electrode 92a is formed of LSCF. ing. Further, a fuel electrode protective layer 90f made of Ni / SrZrO 3 is formed between the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e.

停止工程においては、第1燃料極90d及び第2燃料極90eに含まれているニッケルが雰囲気酸化されるリスクが高くなる。この雰囲気酸化のリスクは温度低下と共に減少し、燃料電池モジュール2内の温度がニッケルの酸化抑制温度Te(約350℃程度)に低下すると十分に減少し、雰囲気酸化安全温度Tsまで低下するとリスクがなくなる。本実施形態においては、雰囲気酸化安全温度Tsを約300℃として制御を行っている。   In the stopping step, the risk that the nickel contained in the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e is oxidized in the atmosphere becomes high. The risk of the atmospheric oxidation decreases with the temperature decrease, and decreases sufficiently when the temperature in the fuel cell module 2 decreases to the oxidation suppression temperature Te (about 350 ° C.) of nickel, and the risk decreases when the temperature falls to the atmospheric oxidation safety temperature Ts. It disappears. In the present embodiment, control is performed with the ambient oxidation safety temperature Ts set to about 300.degree.

本実施形態では、第1燃料極90d及び第2燃料極90eの触媒の活性状態は、約450℃程度から低下し始め、活性状態の下限温度である燃料極の活性下限温度Taは約290℃である。燃料極は、固体電解質層94から酸素イオンを受け取って、受け取った酸素イオンを燃料(水素)と反応させて、水を生成すると共に電子を放出するが、この触媒作用は温度低下と共に低下する。燃料極の温度が活性下限温度Taまで低下すると、その能力が失われ、酸素イオンを受け取っても燃料と反応させて、発電反応を生じさせることができなくなる。   In the present embodiment, the activation state of the catalyst of the first fuel electrode 90d and the second fuel electrode 90e starts to decrease from about 450 ° C., and the fuel activation lower limit temperature Ta which is the lower limit temperature of the activation state is about 290 ° C. It is. The fuel electrode receives oxygen ions from the solid electrolyte layer 94 and reacts the received oxygen ions with fuel (hydrogen) to generate water and emit electrons, but this catalytic action decreases with a decrease in temperature. When the temperature of the fuel electrode falls to the lower limit temperature of activity Ta, its ability is lost, and even if it receives oxygen ions, it can not be reacted with the fuel to cause a power generation reaction.

一方、固体電解質層94が酸素イオンを空気極から燃料極へ透過可能な活性状態は約350℃程度から低下し始め、その活性下限温度Tbは約150℃である。この電解質の活性下限温度Tbは、燃料極の活性下限温度Taよりも低くなっている。固体電解質層94は、燃料電池モジュール2の運転温度から活性下限温度Tbに低下するまでは、空気極から受け取った酸素イオンを燃料極へ透過可能である。しかしながら、固体電解質層94は、活性下限温度Tbよりも温度が低くなると、空気極から酸素イオンを受け取っても、燃料極へ酸素イオンを透過させることはできない。
また、空気極は、固体電解質層94の活性下限温度Tb以上では、空気中の酸素を酸素イオンに変換可能な活性状態となっている。
On the other hand, the active state in which the solid electrolyte layer 94 can transmit oxygen ions from the air electrode to the fuel electrode starts to decrease from about 350 ° C., and the activity lower limit temperature Tb is about 150 ° C. The activation lower limit temperature Tb of the electrolyte is lower than the activation lower limit temperature Ta of the fuel electrode. The solid electrolyte layer 94 can transmit oxygen ions received from the air electrode to the fuel electrode until the operating temperature of the fuel cell module 2 is lowered to the lower limit temperature Tb. However, when the temperature is lower than the lower limit temperature Tb, the solid electrolyte layer 94 can not transmit oxygen ions to the fuel electrode even if it receives oxygen ions from the air electrode.
Further, the air electrode is in an active state capable of converting oxygen in the air to oxygen ions at the active lower limit temperature Tb or more of the solid electrolyte layer 94.

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

図13は、燃料極の活性下限温度Taと電解質の活性下限温度Tbの関係を示している。上記のように、燃料極の活性状態は、約450℃程度から低下し始め、活性下限温度Ta(約290℃)で失活性状態となる。一方、固体電解質層の活性状態は、約350℃程度から低下し始め、活性下限温度Tb(約150℃)で失活性状態となる。従って、発電運転温度から固体電解質層の活性下限温度Tbまでは、固体電解質層94は酸素イオンを燃料極へ透過可能な状態にあるが、燃料極の活性状態は約450℃程度から低下し始めている。従って、約450℃から固体電解質層の活性下限温度Tbまでの温度帯域Tc(電気化学的酸化発生温度帯域)では、固体電解質層94は酸素イオンを透過するが、透過した酸素イオンを燃料極において燃料(水素)と反応させる能力が低下した状態になっている。   FIG. 13 shows the relationship between the fuel activation lower limit temperature Ta and the electrolyte activation lower limit temperature Tb. As described above, the activated state of the fuel electrode starts to decrease from about 450 ° C. and becomes inactivated at the lower limit temperature of activation Ta (about 290 ° C.). On the other hand, the active state of the solid electrolyte layer starts to decrease from about 350 ° C., and becomes inactive at the lower limit temperature of activity Tb (about 150 ° C.). Therefore, from the power generation operation temperature to the lower limit activity temperature Tb of the solid electrolyte layer, the solid electrolyte layer 94 is in a state capable of transmitting oxygen ions to the fuel electrode, but the active state of the fuel electrode starts to decrease from about 450 ° C. There is. Therefore, in the temperature zone Tc (electrochemical oxidation generation temperature zone) from about 450 ° C. to the lower limit activity temperature Tb of the solid electrolyte layer, the solid electrolyte layer 94 permeates oxygen ions, but permeates oxygen ions at the fuel electrode The ability to react with fuel (hydrogen) is reduced.

図14は、燃料極側に水素ガスを供給し、空気極側に空気を供給した状態において、単一の燃料電池セル16が発生する起電力を示すグラフである。
図14のグラフにおいて、横軸は燃料電池セル16の温度を示し、縦軸は発生する起電力を示している。また、図14の破線は、燃料極層、固体電解質層、及び空気極層が何れも活性状態にあると仮定して理論計算により得られた起電力を示し、実線は実験により測定された起電力を示している。このグラフから明らかなとおり、約450℃以上の温度帯域においては、理論的に計算された起電力と、実験により得られた起電力が比較的良く一致している。これに対し、温度が低下するにつれて、実験により得られた起電力が理論計算された起電力よりも低下していることがわかる。これは、燃料極層、固体電解質層、及び空気極層のうち、最も活性温度の高い燃料極層の活性が低下し、発電反応を生成する能力が低下しているためと考えられる。
FIG. 14 is a graph showing an electromotive force generated by a single fuel cell 16 in a state where hydrogen gas is supplied to the fuel electrode side and air is supplied to the air electrode side.
In the graph of FIG. 14, the horizontal axis indicates the temperature of the fuel cell 16 and the vertical axis indicates the generated electromotive force. In addition, the broken line in FIG. 14 indicates the electromotive force obtained by theoretical calculation assuming that the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, and the air electrode layer are all in the active state, and the solid line indicates the experimentally measured value. Power is shown. As apparent from this graph, in the temperature range of about 450 ° C. or more, the theoretically calculated electromotive force and the experimentally obtained electromotive force are relatively well matched. On the other hand, it can be seen that as the temperature decreases, the emf obtained by the experiment is lower than the emf calculated theoretically. This is considered to be because the activity of the fuel electrode layer having the highest activation temperature among the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, and the air electrode layer is lowered, and the ability to generate a power generation reaction is lowered.

次に、図15a及び図15bを参照して、燃料電池モジュール内の温度が電気化学的酸化発生温度帯域を通過する場合の燃料電池セルの挙動について説明する。
上記のように、温度帯域Tcでは、固体電解質層94及び空気極92aは活性状態にあり、酸素イオンは空気極92a、固体電解質層94を通して燃料極へ透過可能であるが、第1燃料極90d及び第2燃料極90eは触媒活性が低下した状態にある。したがって燃料極は、供給された酸素イオンを燃料(水素)と反応させる発電反応を生じさせる能力が低下している。
Next, with reference to FIGS. 15a and 15b, the behavior of the fuel cell in the case where the temperature in the fuel cell module passes through the electrochemical oxidation occurrence temperature zone will be described.
As described above, in the temperature zone Tc, the solid electrolyte layer 94 and the air electrode 92a are in the active state, and oxygen ions can pass through the air electrode 92a and the solid electrolyte layer 94 to the fuel electrode, but the first fuel electrode 90d The second fuel electrode 90e has a reduced catalytic activity. Therefore, the fuel electrode has a reduced ability to generate a power generation reaction that causes the supplied oxygen ions to react with the fuel (hydrogen).

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

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

即ち、電気化学的酸化反応は、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差に基づいて発生する。従って、燃料極側に多くの水素が残存している状態では、燃料極側の酸素分圧が低く、空気極側との酸素分圧の差が大きくなるため、固体電解質層94を通して燃料極へ酸素イオンが流れやすくなる。しかしながら、1本の燃料電池セル16の各部で酸素分圧差が一様である場合には、固体電解質層94を通して酸素イオンが流れ込んだ燃料極は、各部とも同電位であるため、燃料極内では殆ど電流は流れない。   That is, the electrochemical oxidation reaction occurs based on the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side. Therefore, when a large amount of hydrogen remains on the fuel electrode side, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side is low, and the difference in oxygen partial pressure from the air electrode side is large. Oxygen ions can easily flow. However, in the case where the oxygen partial pressure difference is uniform in each part of one fuel battery cell 16, the fuel electrode into which the oxygen ions flow in through the solid electrolyte layer 94 has the same potential in each part, so Almost no current flows.

ところが、図12により説明したように、シャットダウン停止後時間が経過すると、空気極側から燃料極側へ少しずつ空気が拡散し始めるので、燃料電池セル16の上端部付近では残存する水素の濃度が低下する。これにより、図15bに示すように、1本の燃料電池セル16の中で、その上端部付近では燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が小さく、下端部付近では酸素分圧の差が大きい状態となる。   However, as described with reference to FIG. 12, when time after shutdown is stopped, air begins to diffuse little by little from the air electrode side to the fuel electrode side, so the concentration of hydrogen remaining near the upper end of the fuel cell 16 is descend. As a result, as shown in FIG. 15b, in one fuel battery cell 16, the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side is small near the upper end, and the oxygen partial pressure is low near the lower end. The difference is large.

このように、燃料電池セル16の下端部付近では多くの電気化学的酸化反応が発生することにより多量の電荷が生成され、上端部付近では相対的に生成される電荷が少なくなる。この結果、1本の燃料電池セル16の燃料極の中で電位差が生まれ、局部的な電荷の移動(微弱な電流)が発生する。このような局部電池現象による微弱な電流が流れると、ニッケルの電気化学的酸化反応が著しく進行するようになる。特に、燃料極側と空気極側の酸素分圧の差が大きい各燃料電池セル16の下端部付近では多くの酸素イオンが固体電解質層94を通して燃料極に流れ込み、この部分で多くの電気化学的酸化反応が発生してしまう。   As described above, a large amount of electric charge is generated in the vicinity of the lower end portion of the fuel cell 16 due to the occurrence of a large amount of electrochemical oxidation reaction, and the electric charge generated is relatively reduced in the vicinity of the upper end portion. As a result, a potential difference is generated in the fuel electrode of one fuel cell 16 and local charge transfer (weak current) occurs. When a weak current flows due to such a local cell phenomenon, the electrochemical oxidation reaction of nickel proceeds significantly. In particular, a large amount of oxygen ions flow into the fuel electrode through the solid electrolyte layer 94 near the lower end of each fuel cell 16 where the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side is large. An oxidation reaction occurs.

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

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

次に、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム1における停止工程を説明する。この停止工程は、上記の雰囲気酸化及び電気化学的酸化による燃料電池セルの劣化を十分に抑制することを目的として構成されている。
図8a、8bは本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム1において、通常の停止工程が実行された場合の処理手順を示すフローチャートである。図9は、シャットダウン停止が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。図10は停止工程が実行された場合における制御、燃料電池モジュール内の温度、及び燃料電池セルの先端部の状態を時系列で説明するための図である。
Next, the shutdown process in the solid oxide fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described. This stopping step is configured for the purpose of sufficiently suppressing the deterioration of the fuel cell due to the above-mentioned atmospheric oxidation and electrochemical oxidation.
FIGS. 8a and 8b are flowcharts showing a processing procedure when a normal shutdown process is performed in the solid oxide fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention. FIG. 9 is a time chart schematically showing an example of stop behavior when shutdown stop is executed in time series. FIG. 10 is a diagram for explaining the control when the stopping step is performed, the temperature in the fuel cell module, and the state of the front end of the fuel cell in time series.

コントローラである制御部110は、内蔵されたマイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラムにより、図8a、8bに示すフローチャートの処理を実行する。また、内蔵されたプログラムにより作動するマイクロプロセッサ、メモリ等は、セル保護制御を実行するセル保護回路110a(図6)、及びパージ制御回路110b(図6)として機能する。
まず、図8aのステップS1においては、固体酸化物形燃料電池システム1が発電運転中であるか否かが判断される。発電運転中である場合にはステップS2に進み、発電運転中でない場合には、図8a、8bに示すフローチャートの1回の処理を終了する。
次に、ステップS2においては、実行される停止処理が通常停止であるか否かが判断される。異常停止である場合には、図8a、8bに示すフローチャートの1回の処理を終了する。通常停止である場合には、図8aのステップS3以下の処理が実行される。本実施形態において「通常停止」とは、固体酸化物形燃料電池システム1の使用者による停止操作に基づく停止、又は、制御部110に内蔵されているプログラムにより予め設定されている定期的な停止がこれに該当する。
The control unit 110, which is a controller, executes the processing of the flowcharts shown in FIGS. 8a and 8b by the built-in microprocessor, the memory, and the program for operating these. Further, a microprocessor, a memory and the like operated by the built-in program function as a cell protection circuit 110a (FIG. 6) for executing cell protection control and a purge control circuit 110b (FIG. 6).
First, in step S1 of FIG. 8a, it is determined whether the solid oxide fuel cell system 1 is in a power generation operation. If the power generation operation is being performed, the process proceeds to step S2. If the power generation operation is not being performed, one process of the flowcharts shown in FIGS. 8a and 8b is ended.
Next, in step S2, it is determined whether the stop process to be executed is a normal stop. In the case of an abnormal stop, one process of the flowcharts shown in FIGS. 8a and 8b is ended. In the case of the normal stop, the processing after step S3 of FIG. 8a is executed. In the present embodiment, “normally stopping” refers to stopping based on the stopping operation of the solid oxide fuel cell system 1 by the user, or periodic stopping set in advance by a program incorporated in the control unit 110. Corresponds to this.

ステップS3においては、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しが停止される。また、図9に示すタイムチャートの例では、時刻t301において、使用者により停止スイッチが操作され(図10の上段(1))、燃料電池モジュール2からの電力の出力がゼロになっている。   In step S3, the extraction of power from the fuel cell module 2 is stopped. Further, in the example of the time chart shown in FIG. 9, at time t301, the user operates the stop switch (upper stage (1) in FIG. 10), and the output of power from the fuel cell module 2 is zero.

次いで、ステップS4においては、固体酸化物形燃料電池システム1の再起動が禁止される。即ち、ステップS3において停止工程が開始された後、その処理を終了する前に、再び固体酸化物形燃料電池システム1を起動すると、燃料電池モジュール2内部の温度状態が不適切になり、燃料電池セル16を劣化させる虞があるため、再起動が禁止される。   Next, in step S4, restart of the solid oxide fuel cell system 1 is prohibited. That is, when the solid oxide fuel cell system 1 is started again before the process is terminated after the termination step is started in step S3, the temperature condition inside the fuel cell module 2 becomes inappropriate, and the fuel cell Since there is a possibility that the cell 16 may be degraded, the restart is prohibited.

さらに、ステップS5においては、燃料供給量及び改質用の水供給量は、燃料流量調整ユニット38、水流量調整ユニット28により供給可能な最少の供給量に設定される。即ち、停止工程中において、制御部110に内蔵されたセル保護回路110aは、発電運転時よりも少量の原燃料ガス及び水を供給するセル保護制御を実行する。この原燃料ガス及び水の供給量は、セル保護制御中において、常に一定値に維持される。また、この際に供給される水蒸気と燃料の供給量の比であるS/Cは3程度であり、発電運転中におけるS/Cと同程度である。なお、停止工程中においては、S/Cをさらに大きくすることもできる。一方、発電用の空気(ただし、発電は完全に停止されている)は、図9の時刻t301における停止操作後、冷却制御として、発電用空気流量調整ユニット45の最大供給量による供給が行われる。これにより、燃料電池モジュール2内(燃料電池セルスタック14の空気極側)の空気、残余燃料の燃焼ガス、及び停止工程中に燃料電池セルスタック14の燃料極側から流出した燃料(図10の上段(2))が、燃料電池モジュール2から排出される。また、各燃料電池セル16上端から流出した燃料ガスの燃焼は、原燃料ガスの供給量が最少にされることにより次第に消失する。   Furthermore, in step S5, the fuel supply amount and the water supply amount for reforming are set to the minimum supply amount that can be supplied by the fuel flow control unit 38 and the water flow control unit 28. That is, during the stop process, the cell protection circuit 110a incorporated in the control unit 110 executes cell protection control for supplying a smaller amount of raw fuel gas and water than during power generation operation. The raw fuel gas and water supplies are always maintained at a constant value during cell protection control. Moreover, S / C which is ratio of the supply amount of the water vapor | steam and fuel supplied at this time is about 3, and is comparable as S / C in electric power generation driving | operation. Note that S / C can be further increased during the stopping step. On the other hand, air for power generation (however, power generation is completely stopped) is supplied by the maximum supply amount of air flow control unit for power generation 45 as cooling control after the stop operation at time t301 in FIG. . Thus, the air in the fuel cell module 2 (air electrode side of the fuel cell stack 14), the combustion gas of the remaining fuel, and the fuel that has flowed out from the fuel electrode side of the fuel cell stack 14 during the stop process (FIG. The upper stage (2) is discharged from the fuel cell module 2. In addition, the combustion of the fuel gas flowing out of the upper end of each fuel cell 16 gradually disappears as the raw fuel gas supply amount is minimized.

なお、図9の時刻t301の停止操作後においても最少量の燃料供給が継続されているため、発電用の空気を供給しても燃料極側に空気が進入することはない。これにより、停止工程中の高温状態において、各燃料電池セル16の燃料極側への空気の逆流が抑制され、各燃料電池セル16の燃料極層の雰囲気酸化が防止される。また、時刻t301の停止操作後においても改質部20cは依然として高温であるため、供給された原燃料ガス及び水蒸気により水蒸気改質反応が発生し、水素ガスが生成される。このような停止操作後における改質反応は、改質部20cの温度低下と共に次第に発生しなくなり、未改質の原燃料ガス及び水蒸気が各燃料電池セル16の燃料極側に供給されるようになる(図10の下段)。   Since the minimum amount of fuel supply is continued even after the stop operation at time t301 in FIG. 9, the air does not enter the fuel electrode side even if the power generation air is supplied. Thereby, in the high temperature state in the stopping step, the backflow of air to the fuel electrode side of each fuel cell 16 is suppressed, and the atmosphere oxidation of the fuel electrode layer of each fuel cell 16 is prevented. Further, even after the stopping operation at time t301, the reforming unit 20c is still at a high temperature, and thus the supplied raw fuel gas and steam generate a steam reforming reaction to generate hydrogen gas. The reforming reaction after such a stop operation gradually ceases to occur as the temperature of the reforming unit 20c decreases, so that the unreformed raw fuel gas and the steam are supplied to the fuel electrode side of each fuel cell 16. (Bottom of FIG. 10).

次に、図8aのステップS6においては、燃料電池モジュール2内の燃料電池セルスタック14の温度が300℃まで低下したか否かが判断される。300℃以下に低下した場合にはステップS7に進み、低下していない場合にはステップS5までの制御状態が維持される。ここで、燃料電池セルスタック14の温度が約450℃〜約150℃の温度帯域にある状態では、燃料極層が電気化学的酸化を受ける虞がある(図13)。しかしながら、本実施形態においては、図9の時刻t301の停止操作後においても一定量の燃料供給が継続されているため、各燃料電池セル16の燃料極側における雰囲気は一定となり、燃料の濃度勾配が抑制される。燃料極側の各部における濃度勾配を抑制することにより、各燃料電池セル16における局部電池現象の発生が抑制される。この結果、各燃料電池セル16の燃料極層の電気化学的酸化が防止される(図10の下段)。また、燃料供給と共に水蒸気の供給も継続されているため、燃料電池セル16の燃料極層や、改質部20c内の改質触媒への炭素析出も防止される。   Next, in step S6 of FIG. 8a, it is determined whether the temperature of the fuel cell stack 14 in the fuel cell module 2 has decreased to 300.degree. If the temperature has dropped to 300 ° C. or less, the process proceeds to step S7. If the temperature has not dropped, the control state up to step S5 is maintained. Here, when the temperature of the fuel cell stack 14 is in the temperature range of about 450 ° C. to about 150 ° C., the fuel electrode layer may be subjected to electrochemical oxidation (FIG. 13). However, in the present embodiment, since a constant amount of fuel supply continues even after the stop operation at time t301 in FIG. 9, the atmosphere on the fuel electrode side of each fuel cell 16 becomes constant, and the concentration gradient of fuel Is suppressed. By suppressing the concentration gradient in each part on the fuel electrode side, the occurrence of the local cell phenomenon in each fuel cell 16 is suppressed. As a result, electrochemical oxidation of the fuel electrode layer of each fuel cell 16 is prevented (the lower part of FIG. 10). Further, since the supply of steam is also continued along with the supply of fuel, carbon deposition on the fuel electrode layer of the fuel cell 16 and the reforming catalyst in the reforming unit 20c is also prevented.

なお、本実施形態においては、燃料電池セルスタック14の温度として、燃料電池セルスタック14の近傍に配置された温度センサである熱電対による検出温度が参照される。燃料電池セルスタック14の温度を参照することにより、各燃料電池セル16の燃料極層の雰囲気酸化、電気化学的酸化を確実に抑制することができる。一方、改質部20cの温度は、内部で発生する吸熱反応である水蒸気改質反応により大きく変化するため、燃料極層の温度を把握しにくく、燃料極層の雰囲気酸化及び電気化学的酸化の抑制には好適ではない。   In the present embodiment, the temperature detected by a thermocouple, which is a temperature sensor disposed in the vicinity of the fuel cell stack 14, is referred to as the temperature of the fuel cell stack 14. By referring to the temperature of the fuel cell stack 14, atmospheric oxidation and electrochemical oxidation of the fuel electrode layer of each fuel cell 16 can be reliably suppressed. On the other hand, since the temperature of the reforming unit 20c largely changes due to the steam reforming reaction which is an endothermic reaction generated inside, it is difficult to grasp the temperature of the fuel electrode layer, and the atmosphere oxidation and electrochemical oxidation of the fuel electrode layer Not suitable for suppression.

ステップS7においては、蒸発部20aに設けられている加熱ヒータ81(図2)への通電が開始される(図9の時刻t302)。即ち、燃料電池セルスタック14の温度が300℃まで低下した状態においては、蒸発部20aの温度も低下しており、供給された水が蒸発しにくくなっている。このため、加熱ヒータ81により蒸発部20aを加熱して、確実に水蒸気が生成されるようにしている。好ましくは、燃料電池セル16の温度が350℃以下に低下した状態において、加熱ヒータ81を作動させ、水蒸気の生成を促進する。   In step S7, energization to the heater 81 (FIG. 2) provided in the evaporation unit 20a is started (time t302 in FIG. 9). That is, in the state where the temperature of the fuel cell stack 14 is lowered to 300 ° C., the temperature of the evaporation section 20a is also lowered, and the supplied water is difficult to evaporate. For this reason, the evaporation unit 20a is heated by the heater 81 so that the water vapor is surely generated. Preferably, in the state where the temperature of the fuel cell 16 is lowered to 350 ° C. or less, the heater 81 is operated to promote the generation of water vapor.

次に、図8aのステップS8においては、燃料電池セルスタック14の温度が150℃まで低下したか否かが判断される。150℃以下に低下した場合にはステップS9(図8b)に進んでセル保護制御を終了し、低下していない場合にはステップS7までの制御状態が維持される。図9に示す例においては、時刻t303において、燃料電池セルスタック14の温度が150℃まで低下している。なお、本実施形態においては、燃料電池セルスタック14の温度が150℃まで低下したときセル保護制御を終了しているが、セル保護制御を終了する温度は、燃料電池セルスタック14の構造等に応じて、約200℃〜約100℃の間の温度帯域に設定することができる。   Next, in step S8 of FIG. 8a, it is determined whether the temperature of the fuel cell stack 14 has dropped to 150.degree. If the temperature drops to 150 ° C. or less, the process proceeds to step S9 (FIG. 8B) to end the cell protection control, and when not decreased, the control state up to step S7 is maintained. In the example shown in FIG. 9, the temperature of the fuel cell stack 14 has dropped to 150 ° C. at time t303. In the present embodiment, the cell protection control is ended when the temperature of the fuel cell stack 14 decreases to 150 ° C. However, the temperature at which the cell protection control is ended depends on the structure of the fuel cell stack 14 or the like. Accordingly, a temperature zone between about 200 ° C. and about 100 ° C. can be set.

ステップS9においては、加熱ヒータ81への通電が停止されると共に、水流量調整ユニット28による蒸発部20aへの水の供給が停止される。一方、燃料流量調整ユニット38による原燃料ガスの供給、及び発電用空気流量調整ユニット45による空気の供給は、従前の供給量のまま継続される(図9の時刻t303、図10の上段(3))。このように、制御部110に内蔵されたパージ制御回路110bは、水の供給を停止して水蒸気の発生を停止させると共に、原燃料ガスの供給を継続することにより、各燃料電池セル16の燃料極側に残留している水蒸気をパージする。これにより、各燃料電池セル16の燃料極側に残留した水蒸気が凝固し、燃料極層に悪影響を与えるのを防止している。なお、燃料電池セル16の温度が約200℃〜約130℃の間の温度帯域にあるとき、セル保護制御を終了し、パージを実行することにより、電気化学的酸化の発生と結露の防止を両立することができる。さらに、燃料電池セル16の温度が約150℃〜約130℃の間の温度帯域にあるとき、セル保護制御を終了することにより、より確実に電気化学的酸化を防止することができる。また、燃料電池セルスタック14の温度が150℃まで低下した状態においては、各燃料電池セル16に原燃料ガスのみを供給しても炭素析出が発生することはない。   In step S9, the energization of the heater 81 is stopped, and the supply of water to the evaporation unit 20a by the water flow rate adjustment unit 28 is stopped. On the other hand, the supply of the raw fuel gas by the fuel flow control unit 38 and the supply of the air by the power generation air flow control unit 45 are continued with the previous supply amount (time t 303 in FIG. 9; )). As described above, the purge control circuit 110 b built in the control unit 110 stops the supply of water to stop the generation of water vapor, and continues the supply of the raw fuel gas, whereby the fuel of each fuel cell 16 is obtained. Purge the water vapor remaining on the pole side. As a result, the water vapor remaining on the fuel electrode side of each fuel cell 16 is solidified to prevent the fuel electrode layer from being adversely affected. In addition, when the temperature of the fuel cell 16 is in a temperature zone between about 200 ° C. and about 130 ° C., cell protection control is ended and purge is performed to prevent electrochemical oxidation and condensation. It can be compatible. Furthermore, when the temperature of the fuel cell 16 is in the temperature zone between about 150 ° C. and about 130 ° C., by terminating the cell protection control, electrochemical oxidation can be prevented more reliably. Further, in the state where the temperature of the fuel cell stack 14 is lowered to 150 ° C., even if only the raw fuel gas is supplied to each fuel cell 16, carbon deposition does not occur.

次に、ステップS10においては、水の供給が停止した後、20分経過したか否かが判断される。20分経過した場合にはステップS11に進み、経過していない場合にはステップS9までの制御状態が維持される。
次いで、ステップS11においては、燃料流量調整ユニット38による原燃料ガスの供給が停止される。これにより、各燃料電池セル16の燃料極側に残留している原燃料ガスは少しずつ空気極側へ流出し、最終的には全ての原燃料ガスが空気に置換される(図10の上段(4)〜(6))。一方、発電用空気流量調整ユニット45による空気の供給は、従前の供給量のまま継続される(図9の時刻t304)。このように、原燃料ガスの供給を停止すると共に、空気の供給を継続することにより、各燃料電池セル16の燃料極側から空気極側へ流出した原燃料ガスを、空気極側へ供給された空気と共に燃料電池モジュール2の外部へパージする。
Next, in step S10, it is determined whether 20 minutes have elapsed after the water supply is stopped. If 20 minutes have elapsed, the process proceeds to step S11. If not, the control state up to step S9 is maintained.
Next, in step S11, the supply of the raw fuel gas by the fuel flow control unit 38 is stopped. As a result, the raw fuel gas remaining on the fuel electrode side of each of the fuel cells 16 is discharged little by little to the air electrode side, and finally all the raw fuel gas is replaced with air (the upper row in FIG. 10). (4) to (6)). On the other hand, the supply of air by the power generation air flow rate adjustment unit 45 is continued with the previous supply amount (time t304 in FIG. 9). Thus, by stopping the supply of the raw fuel gas and continuing the supply of air, the raw fuel gas that has flowed out from the fuel electrode side of each fuel cell 16 to the air electrode side is supplied to the air electrode side. The fuel cell module 2 is purged with the air.

次に、ステップS12においては、原燃料ガスの供給が停止した後、10分経過したか否かが判断される。10分経過した場合にはステップS13に進み、経過していない場合にはステップS11までの制御状態が維持される。
さらに、ステップS13においては、燃料電池セルスタック14の温度が90℃まで低下したか否かが判断される。燃料電池セルスタック14の温度が90℃まで低下した場合にはステップS14に進み、経過していない場合にはステップS13までの制御状態が維持される。
Next, in step S12, it is determined whether 10 minutes have elapsed after the supply of the raw fuel gas is stopped. If 10 minutes have elapsed, the process proceeds to step S13, and if not, the control state up to step S11 is maintained.
Furthermore, in step S13, it is determined whether the temperature of the fuel cell stack 14 has dropped to 90.degree. If the temperature of the fuel cell stack 14 has decreased to 90 ° C., the process proceeds to step S14. If the temperature has not elapsed, the control state up to step S13 is maintained.

次いで、ステップS14においては、発電用空気流量調整ユニット45による空気の供給が停止され、原燃料ガス、水、及び発電用空気の供給が全て停止される(図9の時刻t305)。このように、燃料電池セルスタック14の温度が90℃以下に低下した状態では、燃料極層の雰囲気酸化、電気化学的酸化が発生するリスクは完全に解消されると共に、固体酸化物形燃料電池システム1を再起動しても各燃料電池セル16に悪影響を与えることがない。
さらに、ステップS15においては、図8aのステップS4において禁止されていた固体酸化物形燃料電池システム1の再起動を許可し、図8a、8bに示すフローチャートの1回の処理を終了する。これにより、停止工程が完了する。
Next, in step S14, the supply of air by the power generation air flow rate adjustment unit 45 is stopped, and the supply of the raw fuel gas, water, and power generation air are all stopped (time t305 in FIG. 9). As described above, when the temperature of the fuel cell stack 14 is lowered to 90 ° C. or less, the risk of the atmosphere oxidation of the fuel electrode layer and the electrochemical oxidation occurring is completely eliminated, and the solid oxide fuel cell Restarting the system 1 will not adversely affect each fuel cell 16.
Furthermore, in step S15, restart of the solid oxide fuel cell system 1 prohibited in step S4 of FIG. 8a is permitted, and one process of the flowchart shown in FIGS. 8a and 8b is ended. This completes the stopping process.

本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、燃料電池モジュール2からの電力の取り出し停止(図9における時刻t301)後、発電運転時よりも少量の原燃料ガス及び水の供給を継続するセル保護制御を、燃料電池セルの温度が150℃に低下するまで(図9における時刻t303、図8aのステップS8)実行している。このように構成された本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、電気化学的酸化が発生しやすい温度帯域において燃料極側での濃度勾配の発生が抑制され、「局部電池現象」発生による燃料電池セル16の劣化を効果的に抑制することができる。   According to the solid oxide fuel cell system 1 of the embodiment of the present invention, after stopping extraction of power from the fuel cell module 2 (time t301 in FIG. 9), the amount of raw fuel gas and water smaller than during power generation operation The cell protection control to continue the supply is performed until the temperature of the fuel cell decreases to 150 ° C. (time t303 in FIG. 9, step S8 in FIG. 8a). According to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment configured as described above, the generation of the concentration gradient on the fuel electrode side is suppressed in the temperature zone in which electrochemical oxidation is likely to occur. It is possible to effectively suppress the deterioration of the fuel cell 16 due to the generation.

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、セル保護制御(図9における時刻t301〜t303)が、燃料電池セル16の温度150℃で終了されるので、結露の発生を抑制することができると共に、少量の原燃料ガスで燃料極側に残留したガスをパージすることができる。この結果、燃料極側への酸化剤ガス(空気)の供給装置を備えていない固体酸化物形燃料電池システム1であっても、原燃料ガスパージにより、多量の燃料を浪費するのを回避することができると共に、電気化学的酸化の発生抑制と、水蒸気の結露の抑制を最も高い次元で両立することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the cell protection control (time t301 to t303 in FIG. 9) is completed at the temperature of the fuel cell 16 at 150 ° C. While being able to control, it is possible to purge the gas remaining on the fuel electrode side with a small amount of raw fuel gas. As a result, even in the solid oxide fuel cell system 1 not provided with the oxidant gas (air) supply device to the fuel electrode side, it is possible to avoid wasting a large amount of fuel by the raw fuel gas purge. It is possible to achieve both the suppression of electrochemical oxidation and the suppression of water vapor condensation at the highest level.

さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、セル保護制御実行中、原燃料ガスの供給量及び水の供給量が常に一定にされるので(図9における時刻t301〜t303、図8aのステップS5〜S8)、セル保護制御実行中において燃料電池セル16の燃料極側の雰囲気を極めて均一に維持することができ、濃度勾配に起因した電気化学的酸化の発生を確実に抑制することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the supply amount of the raw fuel gas and the supply amount of water are always made constant during the cell protection control (time t301 to t303 in FIG. 9). During step S5 to step S8 in FIG. 8a, cell protection control is performed, the atmosphere on the fuel electrode side of the fuel cell 16 can be maintained extremely uniformly, and generation of electrochemical oxidation due to concentration gradient is assured. It can be suppressed.

また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、燃料電池セル16の温度が300℃まで低下したとき加熱ヒータが作動されるので(図9における時刻t302、図8aのステップS6〜S7)、燃料電池モジュール2の温度が低下しつつある状態においても、蒸発部20aにおいて確実に一定量の水蒸気を生成することが可能になる。この結果、燃料電池セル16の燃料極側における濃度勾配の発生を極小にすることができ、電気化学的酸化の発生を、より確実に抑制することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the heater is activated when the temperature of the fuel cell 16 drops to 300 ° C. (time t 302 in FIG. 9, step S 6 in FIG. 8 a Even when the temperature of the fuel cell module 2 is decreasing, it is possible to reliably generate a certain amount of water vapor in the evaporation section 20a. As a result, the occurrence of the concentration gradient on the fuel electrode side of the fuel cell 16 can be minimized, and the occurrence of electrochemical oxidation can be suppressed more reliably.

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、燃料電池モジュール2の内部に改質器20が配置され、この改質器20の内部に水蒸気改質用の水蒸気を生成する蒸発器が設けられていたが、異なる構成の燃料電池モジュールを備えた固体酸化物形燃料電池システムに本発明を適用することができる。   Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be added to the above-described embodiments. In particular, in the embodiment described above, the reformer 20 is disposed inside the fuel cell module 2, and the evaporator that generates steam for steam reforming is provided inside the reformer 20, The present invention can be applied to a solid oxide fuel cell system provided with fuel cell modules of different configurations.

図11は、本発明の変形例による固体酸化物形燃料電池システムに備えられている燃料電池モジュールの正面断面図である。
図11に示すように、本変形例における燃料電池モジュール200は、モジュールケース208と、このモジュールケース208に収容された複数の燃料電池セル216と、これらの燃料電池セル216に燃料ガスを分配するマニホールド266と、燃料電池セル216の上方に配置された改質部である改質器220と、モジュールケース208の上方に配置された熱交換器である空気用熱交換器222と、を有する。さらに、燃料電池モジュール200は、空気用熱交換器222の上方に配置された燃焼触媒器249と、この燃焼触媒器249の上方に配置された蒸発部である蒸発器224と、燃焼触媒器249と蒸発器224の間に配置され、これらを加熱する加熱ヒーター250と、を有する。また、以上の構成を取り囲むように、断熱材207が配置されており、モジュールケース208内の熱の消散を抑制している。さらに、モジュールケース208と空気用熱交換器222の間、燃焼触媒器249と空気用熱交換器222の間にも、それらの間の熱の移動を抑制する断熱材が配置されている。
FIG. 11 is a front cross-sectional view of a fuel cell module provided in a solid oxide fuel cell system according to a modification of the present invention.
As shown in FIG. 11, the fuel cell module 200 according to this modification distributes fuel gas to a module case 208, a plurality of fuel cells 216 housed in the module case 208, and the fuel cells 216. It has a manifold 266, a reformer 220 which is a reformer disposed above the fuel cell 216, and an air heat exchanger 222 which is a heat exchanger disposed above the module case 208. Further, the fuel cell module 200 includes a combustion catalyst 249 disposed above the air heat exchanger 222, an evaporator 224 which is an evaporation unit disposed above the combustion catalyst 249, and a combustion catalyst 249. And a heater 250 disposed between the evaporator 224 and heating the same. Moreover, the heat insulating material 207 is arrange | positioned so that the above structure may be surrounded, and heat dissipation in module case 208 is suppressed. Furthermore, a thermal insulator is disposed between the module case 208 and the air heat exchanger 222 and between the combustion catalyst 249 and the air heat exchanger 222 to suppress the transfer of heat therebetween.

本変形例において、発電に利用されずに残った燃料は、各燃料電池セル216の上端で燃焼され、上方に配置された改質器220を加熱する。また、モジュールケース208から排出された高温の排気ガスは、モジュールケース208の外側に配置されている空気用熱交換器222に流入し、供給された発電用空気を加熱する。発電用空気を加熱した排気ガスは燃焼触媒器249に流入し、燃焼触媒を加熱する。さらに、燃焼触媒を加熱した排気ガスは蒸発器224に流入し、供給された水を加熱して水蒸気を生成する。   In this modification, the fuel left unused for power generation is burned at the upper end of each fuel cell 216 to heat the reformer 220 disposed above. Further, the high temperature exhaust gas discharged from the module case 208 flows into the air heat exchanger 222 disposed outside the module case 208, and heats the supplied power generation air. The exhaust gas that has heated the power generation air flows into the combustion catalyst 249 to heat the combustion catalyst. Furthermore, the exhaust gas which has heated the combustion catalyst flows into the evaporator 224 and heats the supplied water to generate steam.

生成された水蒸気は原燃料ガスと混合され、改質器220に流入する。原燃料ガスは改質器220において水蒸気改質され、マニホールド266に流入する。マニホールド266に流入した燃料ガスは、各燃料電池セル216内側の燃料極に流入し、各燃料電池セル216内を上方に向けて流れる。一方、空気用熱交換器222によって加熱された発電用空気は、モジュールケース208の外側に設けられた空気通路(図示せず)を通って下方へ流れ、モジュールケース208の側壁面下部に設けられた複数の吹出口から噴射される。吹出口から噴射された発電用空気は、モジュールケース208内の空気極側(各燃料電池セル216の外側)に流入し、各燃料電池セル216内の燃料との間で発電反応が発生する。発電に利用されずに残った燃料は、各燃料電池セル216の上端で燃焼される。   The generated steam is mixed with the raw fuel gas and flows into the reformer 220. The raw fuel gas is steam-reformed in the reformer 220 and flows into the manifold 266. The fuel gas flowing into the manifold 266 flows into the fuel electrode inside each fuel cell 216, and flows upward in each fuel cell 216. On the other hand, the power generation air heated by the air heat exchanger 222 flows downward through an air passage (not shown) provided on the outside of the module case 208 and provided at the lower side wall surface of the module case 208. It is injected from a plurality of outlets. The power generation air injected from the outlet flows into the air electrode side (outside of each fuel cell 216) in the module case 208, and a power generation reaction occurs with the fuel in each fuel cell 216. The fuel left unused for power generation is burned at the top end of each fuel cell 216.

また、加熱ヒーター250は、固体酸化物形燃料電池システムの起動工程おいて通電が開始され、起動初期における低温状態の蒸発器224及び燃焼触媒器249を加熱する。これにより、起動初期から蒸発器224及び燃焼触媒器249の温度を上昇させることができるので、蒸発器224において早期に水蒸気を生成することができると共に、燃焼触媒により早期に排気ガスを浄化することが可能になる。さらに、加熱ヒーター250は、固体酸化物形燃料電池システムの停止工程おいても通電され、発電が停止された後、温度が低下した蒸発器224及び燃焼触媒器249を加熱する。これにより、発電停止から時間が経過した後も、蒸発器224において水蒸気を生成することができると共に、燃焼触媒器249により排気を浄化することができる。また、起動工程又は発電運転中において、蒸発器224及び燃焼触媒器249の温度が十分に上昇すると、加熱ヒーター250への通電が停止され、排気の熱のみによって蒸発器224及び燃焼触媒器249が加熱される。本変形例による固体酸化物形燃料電池システムの起動については、上記の点を除き、上述した本発明の実施形態と同様である。   Further, the heater 250 is energized in the startup process of the solid oxide fuel cell system, and heats the evaporator 224 and the combustion catalyst 249 in the low temperature state at the initial startup. As a result, since the temperatures of the evaporator 224 and the combustion catalyst 249 can be raised from the initial stage of startup, water vapor can be generated early in the evaporator 224, and the exhaust gas can be purified early by the combustion catalyst. Becomes possible. Furthermore, the heater 250 is also energized in the shutdown step of the solid oxide fuel cell system, and after the power generation is stopped, heats the evaporator 224 and the combustion catalyst 249 whose temperature has dropped. Thus, even after time elapses from the power generation stop, the steam can be generated in the evaporator 224 and the exhaust can be purified by the combustion catalyst 249. In addition, when the temperatures of the evaporator 224 and the combustion catalyst 249 rise sufficiently during the start-up process or power generation operation, the energization of the heater 250 is stopped, and the evaporator 224 and the combustion catalyst 249 It is heated. The start-up of the solid oxide fuel cell system according to the present modification is the same as that of the embodiment of the present invention described above except for the points described above.

一方、本変形例における発電停止後の処理についても、上述した本発明の実施形態と同様であり、図8aのステップS7において加熱ヒーター250に通電され、蒸発器224内の水が確実に蒸発されるようにしている。
また、上述した実施形態においては、燃料電池セル16として、1本のセルが1組の燃料極及び空気極を有するものが使用されていたが、変形例として、1本のセルに燃料極及び空気極が複数組形成され、各組の電極によって形成される単セルが直列に接続された、円筒横縞型の燃料電池セル等、任意の燃料電池セルを使用した燃料電池システムに本発明を適用することができる。
On the other hand, the process after stopping power generation in this modification is the same as the embodiment of the present invention described above, and the heater 250 is energized in step S7 of FIG. 8a to reliably evaporate the water in the evaporator 224. I am trying to
Further, in the embodiment described above, although one fuel cell having one set of fuel electrode and air electrode was used as the fuel battery cell 16, as a modification, one fuel cell and one fuel cell are used. The present invention is applied to a fuel cell system using an arbitrary fuel cell such as a cylindrical horizontal stripe type fuel cell in which a plurality of air electrodes are formed and a single cell formed by each pair of electrodes is connected in series. can do.

1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
7 断熱材
8 ケース
8a 連通開口
8b 下がり壁
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セル
18 燃焼室(燃焼部)
20 改質器
20a 蒸発部(蒸発室)
20b 混合部(圧力変動吸収手段)
20c 改質部
21 整流板(隔壁)
21a 開口部
21b 排気通路
21c 気体滞留空間
21d 縦壁
22 空気用熱交換器(熱交換器)
23 蒸発室用断熱材(内部断熱材)
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
39 バルブ
40 空気供給源
44 点火用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給装置)
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
49 燃焼触媒器
49a 触媒ヒーター
50 温水製造装置(排熱回収用の熱交換器)
52 制御ボックス
54 インバータ
62 改質器導入管(水導入管、予熱部、結露部)
62a T字管(結露部)
63a 水供給用配管
63b 燃料ガス供給用配管
64 燃料ガス供給管
64c 圧力変動抑制用流路抵抗部
66 マニホールド(分散室)
76 空気導入管
76a 吹出口
81 加熱ヒータ
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
85 排気バルブ
86 内側電極端子(キャップ)
90d 第1燃料極(燃料極層)
90e 第2燃料極(燃料極層)
92a 空気極(酸化剤ガス極層)
94 固体電解質層
98 燃料ガス流路細管(絞り部)
110 制御部(コントローラ)
110a セル保護回路
110b パージ制御回路
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
132 燃料流量センサ(燃料供給量検出センサ)
138 圧力センサ(改質器圧力センサ)
142 発電室温度センサ(温度検出手段)
148 改質器温度センサ
150 外気温度センサ
200 本発明の変形例における燃料電池モジュール
207 断熱材
208 モジュールケース
216 燃料電池セル
220 改質器(改質部)
222 空気用熱交換器(熱交換器)
224 蒸発器(蒸発部)
249 燃焼触媒器
250 加熱ヒーター
266 マニホールド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 solid oxide fuel cell system 2 fuel cell module 4 accessory unit 7 heat insulating material 8 case 8 a communication opening 8 b lower wall 10 power generating chamber 12 fuel cell assembly 14 fuel cell stack 16 fuel cell 18 combustion chamber (combustion chamber (combustion chamber) Department)
20 reformer 20a evaporation section (evaporation chamber)
20b mixing section (pressure fluctuation absorption means)
20c reforming unit 21 baffle plate (partition wall)
21a opening 21b exhaust passage 21c gas residence space 21d vertical wall 22 heat exchanger for air (heat exchanger)
23 Heat insulation for evaporation chamber (internal heat insulation)
24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit (water supply device)
30 Fuel supply source 38 Fuel flow adjustment unit (fuel supply device)
39 valve 40 air supply source 44 air flow rate adjusting unit for ignition 45 air flow rate adjusting unit for power generation (oxidizer gas supply device)
46 1st heater 48 2nd heater 49 combustion catalyst 49a catalytic heater 50 hot water production system (heat exchanger for exhaust heat recovery)
52 control box 54 inverter 62 reformer introduction pipe (water introduction pipe, preheating part, condensation part)
62a T-tube (condensed area)
63a water supply piping 63b fuel gas supply piping 64 fuel gas supply piping 64c flow resistance for pressure fluctuation control portion 66 manifold (dispersion chamber)
76 Air introduction pipe 76a Air outlet 81 Heating heater 82 Exhaust gas exhaust pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell 85 Exhaust valve 86 Inner electrode terminal (cap)
90d 1st fuel electrode (fuel electrode layer)
90e 2nd fuel electrode (fuel electrode layer)
92a air electrode (oxidant gas electrode layer)
94 Solid Electrolyte Layer 98 Fuel gas flow channel capillary (throttle portion)
110 control unit (controller)
110a Cell protection circuit 110b Purge control circuit 112 Operation device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensor 132 Fuel flow rate sensor (fuel supply amount detection sensor)
138 Pressure sensor (reformer pressure sensor)
142 Generation chamber temperature sensor (temperature detection means)
148 Reformer temperature sensor 150 Outside air temperature sensor 200 Fuel cell module 207 according to a modification of the present invention Heat insulator 208 Module case 216 Fuel cell 220 Reformer (reforming section)
222 Heat exchanger for air (heat exchanger)
224 Evaporator (Evaporation Unit)
249 combustion catalyst 250 heating heater 266 manifold

Claims (5)

原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、
内側から順に、ニッケルを主成分とする燃料極層、体電解質層、酸化剤ガス極層が設けられた筒状の燃料電池セルと、
水蒸気改質により原燃料ガスから水素を生成し、生成された水素を上記燃料電池セルの燃料極側に下端から供給する改質部と、
この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
この水供給装置から供給された水により水蒸気を生成し、上記改質部に供給する蒸発部と、
上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
上記燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、及び上記酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、
このコントローラは、上記燃料電池モジュールからの電力の取り出し停止後、上記燃料電池セルを保護するセル保護制御を実行するセル保護回路を有し、
上記セル保護回路は、上記燃料電池モジュールからの電力の取り出し停止後も、発電運転時よりも少量の原燃料ガス及び水が供給されるように上記燃料供給装置及び上記水供給装置の運転を継続することにより、上記改質部を介して上記燃料電池セルの燃料極側にガスを供給する上記セル保護制御を実行するようにプログラムされており、
上記コントローラは、電力の取り出し停止後も上記酸化剤ガス供給装置の運転を継続して上記燃料電池モジュール内の温度を低下させると共に、少なくとも電力の取り出し停止後において上記燃料電池セルの燃料極側への酸化剤ガスの供給を行うことなく、上記燃料電池セルの温度が200℃乃至100℃の温度帯域に低下するまで上記セル保護制御を実行し、
上記セル保護回路は、上記セル保護制御中において、上記水供給装置の運転を停止させた後も上記燃料供給装置の運転を所定時間継続して、上記燃料電池セルの燃料極側に残留する水蒸気をパージし、その後、上記燃料供給装置の運転を停止させる一方、上記酸化剤ガス供給装置の運転を所定時間継続して、上記燃料電池セルの燃料極側から酸化剤ガス極側へ流出した原燃料ガスを上記燃料電池モジュールの外部へパージし、これにより、局部電池現象の発生を抑制して、上記燃料電池セルを保護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 solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen obtained by steam reforming a raw fuel gas and an oxidant gas,
In order from the inner side, and nickel as a main component fuel electrode layer, solid-solid electrolyte layer, the oxidant gas electrode layer is provided tubular fuel cells,
A reforming unit that generates hydrogen from a raw fuel gas by steam reforming and supplies the generated hydrogen from the lower end to the fuel electrode side of the fuel cell;
A fuel supply device for supplying raw fuel gas to the reforming section;
A water supply device for supplying water for steam reforming;
An evaporation unit that generates steam from the water supplied from the water supply device and supplies the steam to the reforming unit;
An oxidant gas supply device for supplying oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell;
A fuel cell module containing the fuel cell;
A controller that controls the fuel supply device, the water supply device, and the oxidant gas supply device, and controls extraction of power from the fuel cell module;
The controller has a cell protection circuit that performs cell protection control to protect the fuel cell after stopping extraction of power from the fuel cell module.
The cell protection circuit continues the operation of the fuel supply device and the water supply device so that a smaller amount of raw fuel gas and water are supplied even after power generation from the fuel cell module is stopped. Are programmed to execute the cell protection control for supplying gas to the fuel electrode side of the fuel cell via the reforming unit.
The controller continues the operation of the oxidant gas supply device even after stopping the extraction of electric power to lower the temperature in the fuel cell module, and at least to the fuel electrode side of the fuel cell after stopping the extraction of electric power. of without the supply of oxidant gas, running the cell protection control until the temperature of the fuel cell drops to a temperature range of 200 ° C. to 100 ° C.,
The cell protection circuit continues the operation of the fuel supply device for a predetermined time even after stopping the operation of the water supply device during the cell protection control, and the water vapor remaining on the fuel electrode side of the fuel cell And the operation of the oxidant gas supply device is continued for a predetermined period of time, and the source that has flowed out from the fuel electrode side of the fuel cell to the oxidant gas electrode side A solid oxide fuel cell system characterized in that a fuel gas is purged to the outside of the fuel cell module, thereby suppressing the occurrence of a local cell phenomenon to protect the fuel cell.
上記コントローラは、さらに、上記セル保護制御終了後において、上記燃料電池セルに原燃料ガスを供給して燃料極側の残留ガスをパージするパージ制御回路を有し、上記コントローラは、上記燃料電池セルの温度が200℃乃至130℃の温度帯域に低下するまで上記セル保護制御を終了し、その後、燃料極側の残留ガスをパージする請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システム。   The controller further includes a purge control circuit that supplies the raw fuel gas to the fuel cell and purges the residual gas on the fuel electrode side after the end of the cell protection control, the controller including the fuel cell 2. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the cell protection control is terminated until the temperature of the fuel cell falls to a temperature zone of 200.degree. C. to 130.degree. 上記コントローラは、上記燃料電池セルの温度が150℃乃至130℃の温度帯域に低下するまで上記セル保護制御を終了し、その後、燃料極側の残留ガスをパージする請求項2記載の固体酸化物形燃料電池システム。   3. The solid oxide according to claim 2, wherein the controller ends the cell protection control until the temperature of the fuel cell falls to a temperature zone of 150 ° C. to 130 ° C., and then purges the residual gas on the fuel electrode side. Fuel cell system. 上記セル保護回路は、上記セル保護制御実行中、原燃料ガスの供給量及び水の供給量を常に一定にする請求項1乃至3の何れか1項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 3, wherein the cell protection circuit keeps the supply amount of raw fuel gas and the supply amount of water constant at all times during the execution of the cell protection control. さらに、上記蒸発部を加熱するための加熱ヒータを有し、上記コントローラは、上記燃料電池セルの温度が350℃以下に低下したとき上記加熱ヒータを作動させ、水蒸気の生成を促進する請求項4記載の固体酸化物形燃料電池システム。   Furthermore, it has a heater for heating the evaporation section, and the controller operates the heater to promote the generation of water vapor when the temperature of the fuel cell falls to 350 ° C. or lower. Solid oxide fuel cell system as described.
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