JP6719915B2 - Fuel cell-hydrogen production system and operating method thereof - Google Patents

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本発明は、燃料電池−水素製造システムおよびその運転方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell-hydrogen production system and an operating method thereof.

燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、以下「SOFC」という。)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、例えば、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。 2. Description of the Related Art There is known a fuel cell that generates electric power by chemically reacting a fuel gas and oxygen. Among them, in solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell, hereinafter referred to as “SOFC”), ceramics such as zirconia ceramics are used as an electrolyte. For example, hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), A fuel cell that operates with hydrocarbon-based gases such as methane (CH 4 ), city gas and natural gas, as well as gas produced from carbonaceous raw materials such as petroleum, methanol and coal gasification gas using gasification equipment. is there.

この燃料電池のなかには、発電だけでなく燃料電池のオフガスから水素を製造するシステム、および燃料電池の排熱を利用した水素製造システムがある。特許文献1では、固体電解質形燃料電池(SOFC)のオフガスをCO変成器で変成して高純度水素を製造する方法を開示している。特許文献2には、SOFCの内部改質を利用し、SOFCからのアノードオフガスを浄化して水素を製造することが記載されている。 This fuel cell includes not only power generation but also a system for producing hydrogen from off-gas of the fuel cell, and a hydrogen production system using exhaust heat of the fuel cell. Patent Document 1 discloses a method for producing high-purity hydrogen by transforming off-gas of a solid oxide fuel cell (SOFC) with a CO shift converter. Patent Document 2 describes that internal reforming of SOFC is used to purify anode off-gas from SOFC to produce hydrogen.

特開2002−334714号公報(請求項1)JP, 2002-334714, A (claim 1). 特開2009−179541号公報(段落[0002])JP 2009-179541 A (paragraph [0002])

SOFCの内部改質を利用した水素製造システムでは、水素の製造量を増やすためにワンパス燃料利用率を下げる必要がある。ここでワンパス燃料利用率とは、燃料極に供給した総燃料に対する発電に利用された燃料の割合であり、SOFC発電システムで燃料極側に排燃料ガスの再循環がある場合、燃料極に供給した総燃料には再循環ガス中の燃料を含めて評価するものである。例えばワンパス燃料利用率を下げるには、発電する電流に対して燃料ガスの供給量を増加させる。 In the hydrogen production system using the internal reforming of SOFC, it is necessary to reduce the one-pass fuel utilization rate in order to increase the production amount of hydrogen. Here, the one-pass fuel utilization rate is the ratio of the fuel used for power generation to the total fuel supplied to the fuel electrode, and is supplied to the fuel electrode when there is recirculation of exhaust fuel gas on the fuel electrode side in the SOFC power generation system. The total fuel included in the evaluation includes the fuel in the recirculated gas. For example, in order to reduce the one-pass fuel utilization rate, the supply amount of fuel gas is increased with respect to the generated current.

しかしながら、燃料ガスの供給量が増加すると、メタン(CH)などの炭化水素ガスの増加により、内部改質反応量が増加することによる吸熱量が増加して、SOFCの温度低下を招く。一方、SOFCは燃料ガス流量を一定として発電出力を下げると、発電反応に伴う発熱量が減少する。水素の製造量にあたっては発電出力を維持しつつ燃料ガス供給量を増加することから、それにより改質と発電との熱バランスが崩れて発電に最適な温度を維持できなくなると、SOFCの内部抵抗の増加などにより発電性能が著しく低下する。そのため、内部改質を行うSOFCを利用した水素製造システムでは、発電のみの発電運転から、発電と水素製造を併用する水素製造運転とを連続的に切り替える際に、SOFCの温度変化が発生して、発電出力を維持できなくなり、簡易に水素製造運転へと切替えることができない場合があるという課題がある。 However, when the supply amount of the fuel gas increases, the amount of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) increases, and the amount of heat absorption increases due to an increase in the internal reforming reaction amount, resulting in a decrease in the SOFC temperature. On the other hand, in the SOFC, when the fuel gas flow rate is kept constant and the power generation output is reduced, the amount of heat generated by the power generation reaction decreases. The amount of hydrogen produced increases the fuel gas supply while maintaining the power generation output. If the heat balance between reforming and power generation is lost and the optimum temperature for power generation cannot be maintained, the internal resistance of the SOFC The power generation performance is significantly reduced due to the increase of Therefore, in a hydrogen production system using SOFC that performs internal reforming, a temperature change of the SOFC occurs when continuously switching from a power generation operation of only power generation to a hydrogen production operation of combined use of power generation and hydrogen production. However, there is a problem that the power generation output cannot be maintained and it may not be possible to easily switch to the hydrogen production operation.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発電運転と水素製造運転とを連続的に切り替えることができる燃料電池−水素製造システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell-hydrogen production system capable of continuously switching between a power generation operation and a hydrogen production operation.

本発明は、燃料ガスと酸化性ガスとの反応により発電するセルを有する発電部と、前記燃料ガスを前記発電部に供給する燃料ガス供給部と、前記発電部に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、前記燃料ガス供給部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する温度計測部と、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する温度制御部と、水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる運転モード制御部と、前記発電部から排出された前記排燃料ガスの少なくとも一部を燃料ガス供給部に再循環させる再循環部と、を備え、前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する再循環制御部を燃料電池−水素製造システムを提供する。 The present invention relates to a power generation section having a cell for generating power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas supply section for supplying the fuel gas to the power generation section, and a supply of the oxidizing gas to the power generation section. An oxidizing gas supply unit, a steam supply unit that supplies steam to the fuel gas supply unit, and a temperature measurement unit that measures the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit that is installed on the fuel gas inlet side of the power generation unit. A temperature control unit for controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit, an operation mode control unit for increasing the flow rate of the fuel gas in response to a hydrogen production command, and the exhaust gas discharged from the power generation unit. comprising a recirculation unit recirculating at least a portion of the fuel gas to the fuel gas supply unit, wherein the temperature control unit, the exhaust in response to the temperature of said fuel gas inlet-side power generation section measured by the temperature measuring unit a recirculation control unit for controlling the recirculation flow rate of the fuel gas including the fuel cell - to provide a hydrogen production system.

運転モード制御部は、水素製造モード運転時には発電モード運転時よりも燃料ガス流量を増加させることでSOFCの発電出力を維持しながら水素の供給を可能とする。すなわち、水素生成量を増やすことができる。また水素製造モード運転時であっても、発電部には燃料ガスが供給され発電が行われる。ここで、発電部とは、セルスタックの軸方向において、インターコネクタで電気的に接続された複数の燃料電池セル群がある部分である。 The operation mode control unit makes it possible to supply hydrogen while maintaining the power generation output of the SOFC by increasing the fuel gas flow rate during the hydrogen production mode operation as compared to during the power generation mode operation. That is, the amount of hydrogen produced can be increased. Further, even during the hydrogen production mode operation, fuel gas is supplied to the power generation unit to generate power. Here, the power generation section is a section in the axial direction of the cell stack where there are a plurality of fuel cell groups electrically connected by an interconnector.

温度計測部および温度制御部を備えることにより、水素生成時の改質吸熱量の増加、または発電による発熱量が減少した場合であっても、発電部を発電に適した温度に維持できる。 By providing the temperature measurement unit and the temperature control unit, the power generation unit can be maintained at a temperature suitable for power generation even if the reforming endothermic amount during hydrogen generation increases or the heat generation amount due to power generation decreases.

排燃料ガスには、改質されなかった炭化水素等が含まれている。よって、排燃料ガスの燃料ガスへの再循環流量を制御することで、燃料電池セルに供給される炭化水素量を調整できる。その結果、燃料電池セルでの吸熱量が調整されるため、発電部を発電に適した温度に維持できる。 The exhaust fuel gas contains unreformed hydrocarbon and the like. Therefore, the amount of hydrocarbons supplied to the fuel cells can be adjusted by controlling the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas to the fuel gas. As a result, the amount of heat absorbed by the fuel cells is adjusted, so that the power generation section can be maintained at a temperature suitable for power generation.

燃料ガス供給部に供給された水蒸気は、燃料ガスと混合される。燃料ガスには炭化水素が含まれている。燃料ガスに水蒸気を混合することで、燃料ガス中の炭化水素の割合を低下させられる。その結果、燃料電池セルでの改質吸熱量が調整されるため、発電部を発電に適した温度に維持できる。 The water vapor supplied to the fuel gas supply unit is mixed with the fuel gas. The fuel gas contains hydrocarbons. By mixing water vapor with the fuel gas, the proportion of hydrocarbons in the fuel gas can be reduced. As a result, the reforming endothermic amount in the fuel cell unit is adjusted, so that the power generation unit can be maintained at a temperature suitable for power generation.

上記発明において、前記再循環制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させる機能を備えている。 Oite above onset Ming, before Symbol recirculation control unit, when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation part is a predetermined temperature or less, the set flow rate component of the recirculation flow of the exhaust fuel gas, a function of reducing I have it.

予め低減させる再循環流量を設定し、該設定流量分を低減することで、発電部に対して相対的に温度の低い再循環ガスの流量が減少することで冷却効果を抑制するとともに、再循環ガスから供給されるメタン(CH)など炭化水素の流量を低減することで、発電部での内部改質による吸熱を減少するので、発電部の熱バランスを調整が容易になる。 By setting the recirculation flow rate to be reduced in advance and reducing the set flow rate, the flow rate of the recirculation gas having a relatively low temperature with respect to the power generation unit is reduced and the cooling effect is suppressed and the recirculation is performed. By reducing the flow rate of hydrocarbons such as methane (CH 4 ) supplied from gas, the heat absorption due to internal reforming in the power generation section is reduced, so that the heat balance of the power generation section can be adjusted easily.

また、本発明は、燃料ガスと酸化性ガスとの反応により発電するセルを有する発電部と、前記燃料ガスを前記発電部に供給する燃料ガス供給部と、前記発電部に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、前記燃料ガス供給部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する温度計測部と、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する温度制御部と、水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる運転モード制御部と、を備え、前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する水蒸気制御部を含み、前記水蒸気制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記水蒸気流量を設定流量分、増加させる機能を備えている燃料電池−水素製造システムを提供する Further, the present invention provides a power generation unit having a cell that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas to the power generation unit, and the oxidizing gas to the power generation unit. A temperature for measuring the temperature of an oxidizing gas supply unit to supply, a steam supply unit to supply steam to the fuel gas supply unit, and a fuel gas inlet side power generation unit installed on the fuel gas inlet side of the power generation unit. The temperature control unit includes a measurement unit, a temperature control unit that controls the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit, and an operation mode control unit that receives a hydrogen production command and increases the flow rate of the fuel gas. but includes a steam control unit for controlling the flow rate of the steam in accordance with the temperature of the fuel gas inlet-side power generation section measured by the temperature measuring unit, before Symbol steam control unit, the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit Is a predetermined temperature or less, a fuel cell-hydrogen production system having a function of increasing the steam flow rate by a set flow rate is provided .

予め増加させる水蒸気流量を設定し、該設定流量分を増加することで、発電部の燃料極出口のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減する。これにより、排燃料ガスから分岐して再循環する再循環ガス供給されるメタン(CH)など炭化水素の流量を低減することで、発電部での内部改質による吸熱を減少するので、発電部の熱バランスを調整が容易になる。 By setting the steam flow rate to be increased in advance and increasing the set flow rate, the concentration of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) at the fuel electrode outlet of the power generation section is reduced. This reduces the flow rate of hydrocarbons such as methane (CH 4 ) supplied to the recirculation gas that is branched from the exhaust fuel gas and recirculated, thereby reducing the heat absorption due to internal reforming in the power generation unit. It becomes easy to adjust the heat balance of the part.

また、本発明は、燃料ガスと酸化性ガスとの反応により発電するセルを有する発電部と、前記燃料ガスを前記発電部に供給する燃料ガス供給部と、前記発電部に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、前記燃料ガス供給部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する温度計測部と、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する温度制御部と、水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる運転モード制御部と、前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料ガス供給部に再循環させる再循環部と、
を備え、前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する再循環制御部、および、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する水蒸気制御部を含み、前記再循環制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が第1所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させる機能を備え、前記水蒸気制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が第2所定温度以下である場合に、前記水蒸気流量を設定流量分、増加させる機能を備え、前記第1所定温度は第2所定温度と異なる温度である燃料電池−水素製造システムを提供する
Further, the present invention provides a power generation unit having a cell that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas, a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas to the power generation unit, and the oxidizing gas to the power generation unit. A temperature for measuring the temperature of an oxidizing gas supply unit to supply, a steam supply unit to supply steam to the fuel gas supply unit, and a fuel gas inlet side power generation unit installed on the fuel gas inlet side of the power generation unit. A measurement unit, a temperature control unit that controls the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit, an operation mode control unit that increases the flow rate of the fuel gas in response to a hydrogen production command, and a temperature control unit that is discharged from the power generation unit. A recirculation unit for recirculating at least a part of the exhaust fuel gas to the fuel gas supply unit,
And a temperature control unit for controlling the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas according to the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit measured by the temperature measurement unit, and the temperature measurement unit. in comprises a steam controller for controlling the flow rate of the steam in accordance with the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit measured, before Symbol recirculation control unit, the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit is the first predetermined temperature In the case of the following, it has a function of reducing the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas by a set flow rate, and the water vapor control section is configured to operate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than a second predetermined temperature. A fuel cell-hydrogen production system having a function of increasing the steam flow rate by a set flow rate, wherein the first predetermined temperature is different from the second predetermined temperature.

第1所定温度は第2所定温度と異なる温度とすることで、再循環制御部による温度制御が行われるタイミングを水蒸気制御部による温度制御とずらすことができる。それにより発電部入口のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減する制御因子を明確にして、発電部での内部改質による吸熱を減少する制御を容易にするので、発電部の熱バランスを調整が容易になる。 By setting the first predetermined temperature to be different from the second predetermined temperature, the timing at which the temperature control by the recirculation control unit is performed can be shifted from the temperature control by the water vapor control unit. As a result, the control factor for reducing the concentration of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) at the inlet of the power generation section is clarified, and the control for reducing the heat absorption due to internal reforming in the power generation section is facilitated. It is easy to adjust the balance.

上記発明に一態様において、前記第1所定温度が、前記第2所定温度よりも高い温度であることが好ましい。 In one aspect of the above invention, it is preferable that the first predetermined temperature is higher than the second predetermined temperature.

これにより、再循環制御部による温度制御の方が優先的に実施される。水蒸気の生成にはエネルギーを要するため、また水蒸気の生成源の大型化や燃料電池の反応を阻害するので好ましくなく、水蒸気を追加で使用せずに温度制御できることが好ましい。再循環制御部による温度制御を優先させることで効率的に発電部の温度制御を行うことができる。 Thereby, the temperature control by the recirculation control unit is preferentially performed. Generation of water vapor requires energy, and it is not preferable because it enlarges the generation source of water vapor and hinders the reaction of the fuel cell, and it is preferable that the temperature can be controlled without additionally using water vapor. By prioritizing the temperature control by the recirculation control unit, it is possible to efficiently control the temperature of the power generation unit.

上記発明に一態様において、前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度が第3所定温度以下である場合に、前記燃料ガス流量の増加を停止するよう制御する燃料制御部を含み、前記第3所定温度は、前記第1所定温度および前記第2所定温度よりも低い温度であるとよい。 In one aspect of the above invention, the temperature control unit stops increasing the fuel gas flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit measured by the temperature measurement unit is equal to or lower than a third predetermined temperature. The third predetermined temperature may be lower than the first predetermined temperature and the second predetermined temperature.

燃料ガス流量の増加を停止することで、発電部への炭化水素供給量の増加を抑制できる。それにより、燃料ガス中のメタン(CH)など炭化水素ガスの流量を低減することで、発電部での内部改質による吸熱を減少するので、改質吸熱量の増加を抑制し、発電部の温度低下を抑制できる。 By stopping the increase in the fuel gas flow rate, it is possible to suppress the increase in the amount of hydrocarbons supplied to the power generation unit. As a result, the flow rate of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) in the fuel gas is reduced, thereby reducing the endothermic heat due to internal reforming in the power generation unit, thus suppressing an increase in the reforming endothermic amount and reducing the power generation unit. It is possible to suppress the temperature decrease.

上記発明に一態様において、前記燃料制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が第4所定温度以下である場合に、前記燃料ガス流量を設定流量分、低減させる機能を備え、前記第4所定温度が前記第3所定温度よりも低い温度であるとよい。 In one aspect of the above invention, the fuel control unit has a function of reducing the fuel gas flow rate by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than a fourth predetermined temperature, It is preferable that the fourth predetermined temperature is lower than the third predetermined temperature.

燃料ガス流量を低減させることで、更に改質吸熱量を低減させ、発電部の温度低下を抑制できる。また、燃料ガス流量を低減させることを最終制御判断とすることで、SOFCの発電量を最終制御判断まで維持できる。 By reducing the fuel gas flow rate, it is possible to further reduce the reforming endothermic amount and suppress the temperature decrease of the power generation unit. Further, by reducing the fuel gas flow rate as the final control determination, the SOFC power generation amount can be maintained until the final control determination.

上記発明に一態様において、警告を発する警告部を有し、前記燃料制御部が、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第4所定温度以下である場合に警告を発し、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第3所定温度を超えると該警告を解除するよう前記警告部を制御する機能を備えているとよい。 In one aspect of the above invention, the fuel control unit includes a warning unit that issues a warning, and the fuel control unit issues a warning when the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, and the fuel gas inlet. It is preferable to have a function of controlling the warning unit so as to cancel the warning when the temperature of the side power generation unit exceeds the third predetermined temperature.

警告部が警告を発することで、使用者に温度制御の必要程度を認識させることができる。 When the warning unit issues a warning, the user can be made aware of the required degree of temperature control.

また、本発明は、発電部に炭化水素と水蒸気とを供給して吸熱反応させ、水素と一酸化炭素を生成する工程と、前記発電部に該水素と該一酸化炭素を含む燃料ガスと酸化性ガスとを供給して発電させる工程と、前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する工程と、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程と、水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる工程と、前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記発電部の上流側に再循環させる工程と、を備え、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程が、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する制御工程Aをむ燃料電池−水素製造システムの運転方法を提供する。 Further, the present invention provides a step of supplying hydrocarbon and water vapor to the power generation section to cause an endothermic reaction to generate hydrogen and carbon monoxide, and a step of oxidizing the fuel gas containing the hydrogen and the carbon monoxide and oxidizing the power generation section. A step of supplying a reactive gas to generate electric power, a step of measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating section installed on the fuel gas inlet side of the power generating section, and a temperature of the fuel gas inlet side power generating section A step of controlling, a step of increasing the flow rate of the fuel gas in response to a command for hydrogen production, and a step of recirculating at least a part of the exhaust fuel gas discharged from the power generation section to the upstream side of the power generation section. If, comprising a step of controlling the temperature of said fuel gas inlet-side power generation unit, including the control process a for controlling the recirculation flow of the exhaust fuel gas in accordance with the measured temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit fuel cell - provides a method for operating a hydrogen production system.

上記発明において、前記制御工程Aでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させる。 Oite above onset bright, the pre-SL control process A, wherein when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation part is a predetermined temperature or less, the set flow rate component of the recirculation flow of the exhaust fuel gas reduces.

また、本発明は発電部に炭化水素と水蒸気とを供給して吸熱反応させ、水素と一酸化炭素を生成する工程と、前記発電部に該水素と該一酸化炭素を含む燃料ガスと酸化性ガスとを供給して発電させる工程と、前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する工程と、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程と、水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる工程と、を備え、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程が、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する制御工程Bを含み、前記制御工程Bでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記水蒸気流量を設定流量分、増加させる燃料電池−水素製造システムの運転方法を提供する Further, the present invention provides a step of supplying hydrocarbon and water vapor to the power generation section to cause an endothermic reaction to generate hydrogen and carbon monoxide, and a step of oxidizing the fuel gas containing the hydrogen and the carbon monoxide and oxidizing the power generation section. A step of supplying a reactive gas to generate electric power, a step of measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating section installed on the fuel gas inlet side of the power generating section, and a temperature of the fuel gas inlet side power generating section A step of controlling, and a step of increasing the flow rate of the fuel gas in response to a hydrogen production command, and a step of controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section, includes a control step B for controlling the flow rate of the steam in accordance with the measured temperature, the pre-Symbol controlling step B, when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation part is a predetermined temperature or lower, set flow rate component of the steam flow rate , And a method of operating a fuel cell-hydrogen production system for increasing the number of fuel cells .

また、本発明は発電部に炭化水素と水蒸気とを供給して吸熱反応させ、水素と一酸化炭素を生成する工程と、前記発電部に該水素と該一酸化炭素を含む燃料ガスと酸化性ガスとを供給して発電させる工程と、前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する工程と、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程と、水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる工程と、前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記発電部の上流側に再循環させる工程と、を備え、前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程が、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する制御工程A、および、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する制御工程Bを含み、第1所定温度と、前記第1所定温度とは異なる温度である第2所定温度を設定し、前記制御工程Aでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第1所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させ、前記制御工程Bでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第2所定温度以下である場合に、前記水蒸気流量を設定流量分、増加させる燃料電池−水素製造システムの運転方法を提供する
Further, the present invention provides a step of supplying hydrocarbon and water vapor to the power generation section to cause an endothermic reaction to generate hydrogen and carbon monoxide, and a step of oxidizing the fuel gas containing the hydrogen and the carbon monoxide and oxidizing the power generation section. A step of supplying a reactive gas to generate electric power, a step of measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating section installed on the fuel gas inlet side of the power generating section, and a temperature of the fuel gas inlet side power generating section A step of controlling, a step of increasing the flow rate of the fuel gas in response to a command for hydrogen production, and a step of recirculating at least a part of the exhaust fuel gas discharged from the power generation section to the upstream side of the power generation section. And a control step A of controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section, the step of controlling the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation section, and It includes a control step B for controlling the flow rate of the water vapor according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit, and sets a first predetermined temperature and a second predetermined temperature that is a temperature different from the first predetermined temperature. In the control step A, when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than the first predetermined temperature, the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas is reduced by a set flow rate, and in the control step B, Provided is a method of operating a fuel cell-hydrogen production system , which increases the steam flow rate by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than the second predetermined temperature.

上記発明に一態様において、前記第1所定温度を、前記第2所定温度よりも高い温度とすることが好ましい。 In one aspect of the above invention, it is preferable that the first predetermined temperature is higher than the second predetermined temperature.

上記発明に一態様において、前記第1所定温度および前記第2所定温度よりも低い温度である第3所定温度を設定し、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度が前記第3所定温度以下である場合に、前記燃料ガス流量の増加を停止するよう制御する工程を含むとよい。 In one aspect of the above invention, a third predetermined temperature that is lower than the first predetermined temperature and the second predetermined temperature is set, and the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit is equal to or lower than the third predetermined temperature. In some cases, a step of controlling to stop the increase of the fuel gas flow rate may be included.

上記発明に一態様において、前記第3所定温度よりも低い温度である第4所定温度を設定し、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度が第4所定温度以下である場合に、前記燃料ガス流量を設定流量分、低減させるとよい。 In one aspect of the above invention, when a fourth predetermined temperature that is lower than the third predetermined temperature is set and the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, the fuel gas It is advisable to reduce the flow rate by the set flow rate.

上記発明に一態様において、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度が前記第4所定温度以下である場合に警告を発し、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第3所定温度を超えると該警告を解除するとよい。 In an aspect of the above invention, a warning is issued when the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, and the temperature of the fuel gas inlet side power generation section exceeds the third predetermined temperature. The warning should be canceled.

本発明によれば、水素製造モードにおいて発電部の温度を維持できるため、発電モードから水素製造モードへの連続切替えが可能である。 According to the present invention, since the temperature of the power generation unit can be maintained in the hydrogen production mode, continuous switching from the power generation mode to the hydrogen production mode is possible.

本発明の一実施形態に係る燃料電池−水素製造システムが適用された複合発電システムのブロック図である。1 is a block diagram of a combined power generation system to which a fuel cell-hydrogen production system according to an embodiment of the present invention is applied. 本発明の一実施形態に係るSOFCモジュールの概要を示す斜視図である。It is a perspective view showing the outline of the SOFC module concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCカートリッジの縦断面図である。FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the SOFC cartridge according to the embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係るセルスタックの部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the cell stack concerning one embodiment of the present invention. 燃料電池−水素製造システムの発電モード時から水素製造モード時の運転変更に伴うSOFCカートリッジの温度分布の変化説明するグラフである。5 is a graph illustrating a change in the temperature distribution of the SOFC cartridge due to an operation change from the power generation mode to the hydrogen production mode of the fuel cell-hydrogen production system. 燃料電池−水素製造システムの発電モード時から水素製造モード時の運転変更に伴うSOFCカートリッジのガス組成分布の変化の概念を説明するグラフである。6 is a graph illustrating the concept of changes in the gas composition distribution of the SOFC cartridge due to operation changes from the power generation mode of the fuel cell-hydrogen production system to the hydrogen production mode. 水素製造モード運転時における発電部の温度制御の一例を示すフロー図である。It is a flow figure showing an example of temperature control of the power generation part at the time of hydrogen production mode operation. 燃料電池−水素製造システムの水素製造モード時の運転条件を説明するグラフである。It is a graph explaining the operating conditions in the hydrogen production mode of the fuel cell-hydrogen production system.

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。 In the following, for convenience of description, the positional relationship between the respective constituent elements is specified using the expressions “upper” and “lower” with reference to the paper surface, but this need not always be the case with respect to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction on the vertical direction. Further, the vertical direction on the paper surface may correspond to the horizontal direction perpendicular to the vertical direction.

また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。 Further, in the following, a cylindrical type is described as an example of a cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC), but the cell stack is not necessarily limited to this, and may be a flat cell stack, for example.

以下、本発明の燃料電池−水素製造システムに係る一実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池−水素製造システムが適用された複合発電システムのブロック図である。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell-hydrogen production system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a combined power generation system to which a fuel cell-hydrogen production system according to this embodiment is applied.

複合発電システム1は、燃料電池−水素製造システム2と、燃料電池−水素製造システム2から排出されたガスを利用して駆動し発電を行うガスタービンシステム3と、ガスタービンシステム3からの排気ガスの熱を回収する排熱回収部4とを備えている。 The combined cycle power generation system 1 includes a fuel cell-hydrogen production system 2, a gas turbine system 3 that uses the gas discharged from the fuel cell-hydrogen production system 2 to generate electric power, and exhaust gas from the gas turbine system 3. And an exhaust heat recovery unit 4 for recovering the heat of.

燃料電池−水素製造システム2は、発電部を有する固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxcide Fuel Cell)モジュール201を備えている。
ここで、発電部108とは、セルスタックの軸方向において、インターコネクタで電気的に接続された複数の燃料電池セル群がある部分である。
さらに燃料電池−水素製造システム2は、発電部108に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部(11a,11b)と、発電部108に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給経路12と、発電部108を経由した燃料ガス(排燃料ガス)をSOFCモジュール201から排出する排燃料ガス経路13と、発電部108を経由した酸化性ガス(排酸化性ガス)をSOFC201から排出する排酸化性ガス経路14と、排燃料ガスを燃料ガス供給部(11a,11b)に再循環させる再循環部(15a,15b)と、燃料ガス供給部(11a,11b)に水蒸気を供給する水蒸気供給部(16a,16b)と、制御装置17と、発電部108のうち、燃料ガスの入口部分である燃料ガス入口側発電部108aの温度を計測する温度計測部28(図3参照)と、を備えている。
ここで、本実施形態では、燃料ガス入口側発電部108aの温度を計測する。燃料ガス入口側発電部108aはセルスタック101の燃料ガス入口側の燃料電池セル105にあり、燃料ガス中のメタン(CH)などの内部改質による温度変化の影響を受けやすい領域として選定して温度変化を計測する。セルスタック101のうち、燃料ガス入口側の他に内部改質による温度変化の影響を受けて燃料電池セル105の温度が低下しやすい領域の温度を計測してもよい。
The fuel cell-hydrogen production system 2 includes a solid oxide fuel cell (SOFC) module 201 having a power generation unit.
Here, the power generation unit 108 is a portion having a plurality of fuel cell groups electrically connected by an interconnector in the axial direction of the cell stack.
Further, the fuel cell-hydrogen production system 2 includes a fuel gas supply unit (11a, 11b) that supplies a fuel gas to the power generation unit 108, an oxidizing gas supply path 12 that supplies an oxidizing gas to the power generation unit 108, and a power generation unit. Exhaust fuel gas path 13 for discharging the fuel gas (exhaust fuel gas) from the SOFC module 201 through 108, and exhaust oxidizing gas path for discharging the oxidizing gas (exhaust oxidizing gas) from the SOFC 201 through the power generation unit 108 14, a recirculation unit (15a, 15b) for recirculating exhaust fuel gas to the fuel gas supply unit (11a, 11b), and a steam supply unit (16a, 16a, for supplying steam to the fuel gas supply unit (11a, 11b). 16b), the control device 17, and the temperature measuring unit 28 (see FIG. 3) that measures the temperature of the fuel gas inlet-side power generating unit 108a, which is the fuel gas inlet portion of the power generating unit 108.
Here, in the present embodiment, the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a is measured. The fuel gas inlet side power generation unit 108a is located in the fuel cell 105 on the fuel gas inlet side of the cell stack 101, and is selected as a region susceptible to temperature change due to internal reforming of methane (CH 4 ) in the fuel gas. Measure the temperature change. In addition to the fuel gas inlet side of the cell stack 101, the temperature of the region where the temperature of the fuel cell unit 105 is likely to decrease under the influence of temperature change due to internal reforming may be measured.

燃料電池−水素製造システム2は、SOFCモジュール201からの排燃料ガスを利用して水素を生成するシフト反応器18と、シフト反応器18を経由した排燃料ガスから熱交換により水分を分離する水分離器19と、水分離器19を経由した排燃料ガスから水素を精製する水素精製装置(例えばPSA)20と、を備えている。水素精製装置20で精製された水素(H)は水素を燃料として駆動する燃料電池自動車(FCV)21等に利用できる。水素精製装置20で分離されたCHなどのオフガス(C)は、焼却処理される。オフガス(C)は、排熱回収部4での水蒸気を生成する熱としての熱回収に利用しても良い。 The fuel cell-hydrogen production system 2 includes a shift reactor 18 that produces hydrogen using exhaust fuel gas from the SOFC module 201, and water that separates water from the exhaust fuel gas that has passed through the shift reactor 18 by heat exchange. A separator 19 and a hydrogen purification device (for example, PSA) 20 that purifies hydrogen from the exhaust fuel gas that has passed through the water separator 19 are provided. The hydrogen (H) purified by the hydrogen purification device 20 can be used for a fuel cell vehicle (FCV) 21 that drives hydrogen as a fuel. The off gas (C) such as CH 4 separated by the hydrogen purifier 20 is incinerated. The off gas (C) may be used for heat recovery as heat for generating steam in the exhaust heat recovery unit 4.

ガスタービンシステム3は、SOFCの酸化性ガスとなる空気(A)を吸い込み、該吸い込んだ空気を加圧してSOFCモジュール201に供給する空気圧縮機31と、SOFCモジュール201からの排燃料ガスおよび燃料(F)を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器32と、該燃焼ガスで駆動するマイクロガスタービン33と、マイクロガスタービン33から排出された排燃焼ガスの熱を用いて空気圧縮機31で加圧された空気を加熱する再生熱交換器34と、マイクロガスタービン33の駆動で発電する発電機35と、を備えている。再生熱交換器34を経由した排燃焼ガスは、排熱回収部4へと供給される。 The gas turbine system 3 sucks in air (A), which is an oxidizing gas for SOFC, pressurizes the sucked air and supplies it to the SOFC module 201, and exhaust fuel gas and fuel from the SOFC module 201. A combustor 32 that combusts (F) to generate high-temperature combustion gas, a micro gas turbine 33 that is driven by the combustion gas, and an air compressor that uses the heat of exhaust combustion gas that is discharged from the micro gas turbine 33. A regenerative heat exchanger 34 for heating the air pressurized by 31 and a generator 35 for generating power by driving the micro gas turbine 33 are provided. The exhaust combustion gas that has passed through the regenerative heat exchanger 34 is supplied to the exhaust heat recovery unit 4.

排熱回収部4は、排燃焼ガスと水(W)とを熱交換させて水蒸気(S)を生成する熱交換器である。水蒸気(S)は熱源として回収され、水蒸気供給源16aで利用しても良いし、別機器で利用されても良い。排熱回収部4を経由した排燃焼ガス(G)は、必要に応じて適宜排ガス処理を施した後、大気へと放出される。 The exhaust heat recovery unit 4 is a heat exchanger that exchanges heat between the exhaust combustion gas and water (W) to generate steam (S). The steam (S) may be recovered as a heat source and used in the steam supply source 16a or in another device. The exhaust combustion gas (G) that has passed through the exhaust heat recovery unit 4 is appropriately discharged as necessary and then discharged to the atmosphere.

燃料電池−水素製造システム2において、SOFCモジュール201の発電部108は、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて固体電解質を介した電気化学反応により発電するセル(セルスタック101)を有する。 In the fuel cell-hydrogen production system 2, the power generation unit 108 of the SOFC module 201 has a cell (cell stack 101) that receives supply of a fuel gas and an oxidizing gas to generate power by an electrochemical reaction via a solid electrolyte.

燃料ガス供給部は、燃料ガス供給源11a、燃料ガス供給経路11bを備えている。燃料ガス供給源11aは、燃料ガス供給経路11bを介してSOFCモジュール201に接続されている。SOFCモジュール201へ供給された燃料ガスは、セルスタック101の燃料電池セル105、特に燃料ガス入口側の燃料電池セル105の燃料極109付近で炭化水素(特にメタン(CH))と水蒸気とを吸熱反応させて盛んに水蒸気改質され、水素や一酸化炭素が生成される。 The fuel gas supply unit includes a fuel gas supply source 11a and a fuel gas supply path 11b. The fuel gas supply source 11a is connected to the SOFC module 201 via the fuel gas supply path 11b. The fuel gas supplied to the SOFC module 201 generates hydrocarbons (especially methane (CH 4 )) and water vapor in the vicinity of the fuel electrode 109 of the fuel battery cell 105 of the cell stack 101, especially on the fuel gas inlet side. It undergoes an endothermic reaction and is actively steam-reformed to produce hydrogen and carbon monoxide.

燃料ガスは、水蒸気改質されることにより水素を生成可能な成分を含む。例えば、メタン(CH)などの炭化水素は触媒作用のある燃料極などのニッケル(Ni)の下で水蒸気により改質され、水素(H)および一酸化炭素(CO)となる。燃料ガスは、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)ガスなどの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガス、または、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスなどであってもよい。 The fuel gas contains a component capable of generating hydrogen by being steam-reformed. For example, a hydrocarbon such as methane (CH 4 ) is reformed by steam under nickel (Ni) such as a fuel electrode having a catalytic action to become hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). The fuel gas was produced by a hydrocarbon-based gas such as hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ) gas, city gas, natural gas, or a gasification facility for carbonaceous raw materials such as coal. It may be gas or the like.

酸化性ガス供給経路12は、SOFCモジュール201の発電部108に酸化性ガス(本実施形態では空気)を供給する構成である。図1において酸化性ガス供給経路12は、ガスタービンシステム3から排出される圧縮空気を発電部108に供給できるようSOFCモジュール201とガスタービンシステム3とを接続するガス流通路である。 The oxidizing gas supply path 12 is configured to supply an oxidizing gas (air in this embodiment) to the power generation unit 108 of the SOFC module 201. In FIG. 1, the oxidizing gas supply path 12 is a gas flow path that connects the SOFC module 201 and the gas turbine system 3 so that the compressed air discharged from the gas turbine system 3 can be supplied to the power generation unit 108.

排燃料ガス経路13は、発電部108を経由した排燃料ガスをSOFCモジュール201から排出できるよう、一端がSOFCモジュール201に接続されている。 One end of the exhaust fuel gas path 13 is connected to the SOFC module 201 so that the exhaust fuel gas that has passed through the power generation unit 108 can be discharged from the SOFC module 201.

排酸化性ガス経路14は、一端がSOFCモジュール201に、他端がガスタービンシステム3に接続されている。排酸化性ガス経路14は、発電部108を経由した排酸化性ガスをSOFCモジュール201から排出できる。 The exhaust oxidizing gas passage 14 has one end connected to the SOFC module 201 and the other end connected to the gas turbine system 3. The exhaust oxidizing gas path 14 can exhaust the exhaust oxidizing gas that has passed through the power generation unit 108 from the SOFC module 201.

再循環部は、再循環ブロワ15aおよび再循環経路15bを備えている。再循環ブロワ15aの入口側には排燃料ガス経路13の他端が接続されている。再循環経路15bは、一端が再循環ブロワ15aの出口側に、他端が燃料ガス供給経路11bに接続され、排燃料ガスの一部を再循環して燃料ガス供給経路11bへと供給している。 The recirculation unit includes a recirculation blower 15a and a recirculation path 15b. The other end of the exhausted fuel gas path 13 is connected to the inlet side of the recirculation blower 15a. The recirculation path 15b has one end connected to the outlet side of the recirculation blower 15a and the other end connected to the fuel gas supply path 11b, and recirculates a part of the exhaust fuel gas to supply it to the fuel gas supply path 11b. There is.

水蒸気供給部(16a、16b)は、水蒸気供給源16aおよび水蒸気供給経路16bを備えている。水蒸気供給源16aは、水を加熱して水蒸気を生成するボイラーなどである。水蒸気供給経路16bは、一端が水蒸気供給源16aに、他端が再循環経路15bに接続されている。 The steam supply section (16a, 16b) includes a steam supply source 16a and a steam supply path 16b. The steam supply source 16a is a boiler or the like that heats water to generate steam. The steam supply path 16b has one end connected to the steam supply source 16a and the other end connected to the recirculation path 15b.

温度計測部28は、燃料ガス入口側発電部108aの表面、好ましくはセルスタック101の燃料ガス流れ上流側の燃料電池セル105の温度を測定できるように設置されている。温度計測部28は、SOFCモジュール201の稼働温度で燃料ガス入口側発電部108aの温度を計測でき、計測した温度情報を制御装置17へ送信できる計測器である。温度計測部28は、熱電対が主として利用されるが、高温用非接触式放射温度計なども使用可能である。 The temperature measuring unit 28 is installed so that the temperature of the fuel cell 105 on the surface of the fuel gas inlet side power generation unit 108a, preferably on the upstream side of the fuel gas flow in the cell stack 101, can be measured. The temperature measuring unit 28 is a measuring device that can measure the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a at the operating temperature of the SOFC module 201 and can send the measured temperature information to the control device 17. A thermocouple is mainly used as the temperature measuring unit 28, but a high-temperature non-contact radiation thermometer or the like can also be used.

制御装置17は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROMやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等である。 The control device 17 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and a computer-readable storage medium. A series of processes for realizing various functions are stored in a storage medium or the like in the form of a program as an example, and the CPU reads the program into the RAM or the like to execute information processing/arithmetic processing. As a result, various functions are realized. The program is installed in a ROM or other storage medium in advance, provided in a state of being stored in a computer-readable storage medium, or delivered via wired or wireless communication means. Etc. may be applied. The computer-readable storage medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.

制御装置17は、外部からの指令を受ける受信部22と、受信部22が受けた指令に基づき発電モードまたは水素製造モードに運転を切り替える運転モード制御部23と、受信部22が受けた温度計測部28からの温度情報(計測温度)に基づき燃料ガス入口側発電部108aの温度を制御する温度制御部24と、を備えている。水素製造モードとは発電モードよりも水素生成量を増やす運転モードであり、水素製造モードであっても、発電部108には燃料ガスが供給され発電が行われる。 The control device 17 includes a receiving unit 22 that receives a command from the outside, an operation mode control unit 23 that switches operation to a power generation mode or a hydrogen production mode based on the command received by the receiving unit 22, and a temperature measurement that the receiving unit 22 receives. The temperature control unit 24 controls the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a based on the temperature information (measured temperature) from the unit 28. The hydrogen production mode is an operation mode in which the amount of hydrogen produced is increased compared to the power generation mode. Even in the hydrogen production mode, fuel gas is supplied to the power generation unit 108 to generate power.

運転モード制御部23は、受信部22が発電の指令を受けた場合、バルブVを開け、バルブVを閉じるよう制御する機能を有している。運転モード制御部23は、受信部22が水素製造の指令を受けた場合、バルブVを閉め、バルブVを開けるよう制御する機能を有している。 Operation mode control unit 23, when the receiving unit 22 receives a command for power generation, opening the valve V 1, and has a function of controlling so as to close the valve V 2. Operation mode control unit 23, when the receiving unit 22 receives an instruction of hydrogen production, closing the valve V 1, and has a function of controlling so as to open the valve V 2.

運転モード制御部23には、発電モード用および水素製造モード用の負荷電流値に応じた燃料ガス流量、排燃料ガス再循環流量、および水蒸気流量の情報が格納されている。水素製造モードの各条件は、ワンパス燃料利用率が40%〜60%、好ましくは45%〜50%であり、かつ、S/C(SteamとCarbonの比)が3.0〜5.0、好ましくは3.5〜5.0となるよう設定されている。ここでワンパス燃料利用率は、SOFC発電システムで燃料極側に排燃料ガスの再循環の有無にこだわらずに、SOFCの燃料極入口の燃料流量とSOFCで消費されたガス(HおよびCO)の反応量で評価する。 The operation mode control unit 23 stores information on the fuel gas flow rate, the exhaust fuel gas recirculation flow rate, and the steam flow rate according to the load current values for the power generation mode and the hydrogen production mode. Each condition of the hydrogen production mode is such that the one-pass fuel utilization rate is 40% to 60%, preferably 45% to 50%, and the S/C (ratio between Steam and Carbon) is 3.0 to 5.0. It is preferably set to 3.5 to 5.0. Here, the one-pass fuel utilization rate is the fuel flow rate at the SOFC fuel electrode inlet and the gas (H 2 and CO) consumed by the SOFC regardless of whether exhaust fuel gas is recirculated to the fuel electrode side in the SOFC power generation system. The reaction amount is evaluated.

運転モード制御部23は、受信部22が受けた指令に基づきバルブV,V,Vを適宜開閉して、各モード用条件となるよう燃料ガス流量、排燃料ガス再循環流量、および水蒸気流量を制御する機能を有している。受信部22が水素製造の指令を受けた場合、運転モード制御部23は、バルブVの開度を上げて燃料ガス流量を徐々に増加させて、発電しながら所定流量の水素を製造可能とする。 The operation mode control unit 23 appropriately opens and closes the valves V 3 , V 4 , and V 5 based on the command received by the reception unit 22, and sets the fuel gas flow rate, the exhaust fuel gas recirculation flow rate, and the exhaust fuel gas recirculation flow rate to satisfy the conditions for each mode. It has the function of controlling the steam flow rate. When the receiving unit 22 receives a hydrogen production command, the operation mode control unit 23 increases the opening degree of the valve V 1 to gradually increase the fuel gas flow rate and is capable of producing hydrogen at a predetermined flow rate while generating electricity. To do.

ここで、図5と図6に示すように、発電モードから水素製造モードへの切り替えで、燃料ガス流量を増加させた場合に、燃料ガス中のメタン(CH)など炭化水素ガスが増加することで、セルスタック101の燃料ガス入口側の内部改質による吸熱が増加してセルスタック101の燃料ガス入口側温度が低下し、燃料ガス入口側発電部108a(上部セル)の温度が所定温度より低下してセルスタック101の温度分布が増加するとともに燃料電池セル105の内部抵抗が増加して、SOFCモジュール201の発電性能が低下する場合がある。このため、セルスタック101の燃料ガス入口側での燃料ガス中のメタン(CH)など炭化水素ガスの増加を抑制することが効果的である。水素製造モードでの燃料ガス入口側発電部108aの温度Tが700℃以下では、抵抗が増大し、性能が低下する。 Here, as shown in FIG. 5 and FIG. 6, when the fuel gas flow rate is increased by switching from the power generation mode to the hydrogen production mode, hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) in the fuel gas increases. As a result, the heat absorption due to internal reforming on the fuel gas inlet side of the cell stack 101 increases, the fuel gas inlet side temperature of the cell stack 101 decreases, and the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a (upper cell) reaches a predetermined temperature. There is a case where the temperature distribution of the cell stack 101 is further decreased and the internal resistance of the fuel cell unit 105 is increased, and the power generation performance of the SOFC module 201 is decreased. Therefore, it is effective to suppress the increase of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) in the fuel gas on the fuel gas inlet side of the cell stack 101. When the temperature T 1 of the fuel gas inlet side power generation section 108a in the hydrogen production mode is 700° C. or lower, the resistance increases and the performance decreases.

また図6に示すように、発電モードから水素製造モードへの切り替えで、燃料ガス流量の増加により、セルスタック101の燃料ガス出口側で、排燃料ガスの平衡反応として改質の逆の反応が発生し、排燃料ガス中のメタン(CH)が増加するため、再循環ガスの中のメタン(CH)の流量が増加して、その結果セルスタック101の燃料ガス入口側での燃料ガス中のメタン(CH)ガスが増加することが判明した。このため、水蒸気供給源16aからの水蒸気流量を増加させてS/Cが大きくなるように制御することは、排燃料ガス中のメタン(CH)の増加を抑制することも効果的である。 Further, as shown in FIG. 6, by switching from the power generation mode to the hydrogen production mode, the flow rate of the fuel gas increases, so that a reverse reaction of reforming occurs as an equilibrium reaction of the exhaust fuel gas on the fuel gas outlet side of the cell stack 101. Since the amount of methane (CH 4 ) generated in the exhaust fuel gas increases, the flow rate of methane (CH 4 ) in the recirculation gas increases, and as a result, the fuel gas at the fuel gas inlet side of the cell stack 101 increases. It was found that the amount of methane (CH 4 ) gas therein increased. Therefore, increasing the flow rate of water vapor from the water vapor supply source 16a to control S/C to be large is also effective in suppressing an increase in methane (CH 4 ) in the exhaust fuel gas.

従い、温度制御部24は、再循環制御部25、水蒸気制御部26、燃料制御部27を備えていて、発電モードから水素製造モードへ切り替えた際の、燃料ガス入口側発電部108aの計測温度が所定温度より低下しないようにして、SOFCモジュール201の発電性能低下を抑制する。 Therefore, the temperature control unit 24 includes the recirculation control unit 25, the water vapor control unit 26, and the fuel control unit 27, and measures the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a when the power generation mode is switched to the hydrogen production mode. Is prevented from falling below a predetermined temperature, thereby suppressing a decrease in power generation performance of the SOFC module 201.

さらに、図6に示すように、ワンパス燃料利用率は発電モードが例えば約55%(X)から水素製造モードでは例えば約45%(Y)へと低減することで、所定流量の水素の製造供給を可能としている。このため温度制御部24は、ワンパス燃料利用率を算出して、ワンパス燃料利用率を上げるようにすることで、再循環ガス中のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減し、セルスタック101の燃料ガス入口側の内部改質による吸熱を減少し燃料ガス入口側発電部108aの計測温度が所定温度より低下しないようにして、SOFCモジュール201の発電性能低下を抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 6, the one-pass fuel utilization rate is reduced from, for example, about 55% (X) in the power generation mode to, for example, about 45% (Y) in the hydrogen production mode, thereby producing and supplying hydrogen at a predetermined flow rate. Is possible. Therefore, the temperature control unit 24 reduces the concentration of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) in the recirculated gas by calculating the one-pass fuel utilization rate and increasing the one-pass fuel utilization rate. The heat absorption due to the internal reforming on the fuel gas inlet side of the stack 101 is reduced so that the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a does not drop below a predetermined temperature, so that the power generation performance degradation of the SOFC module 201 can be suppressed.

再循環制御部25は、燃料ガス入口側発電部108aの計測温度に応じてバルブVの開度を調整して排燃料ガスの再循環流量を制御する。再循環制御部25は、受信部22で燃料ガス入口側発電部108aの温度が第1所定温度以下であるとの温度情報を受信した場合に、バルブVの開度を下げて排燃料ガス流量を設定流量分、低減させる機能を有している。 The recirculation control unit 25 adjusts the opening degree of the valve V 4 according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a to control the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas. When the receiving unit 22 receives the temperature information indicating that the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit 108a is equal to or lower than the first predetermined temperature, the recirculation control unit 25 lowers the opening degree of the valve V 4 and outputs the exhaust fuel gas. It has the function of reducing the flow rate by the set flow rate.

上記設定流量は、初期再循環流量に対して例えば−1%として、初期再循環流量の0〜−5%の間の所定の流量を段階的に低減してもよく、燃料ガス入口側発電部108aに対して相対的に温度の低い再循環ガスの流量が減少することで冷却効果を抑制するとともに、再循環ガスから供給されるメタン(CH)など炭化水素の流量を低減し、燃料入口のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減することで、セルスタック101の燃料ガス入口側での内部改質による吸熱を減少する。再循環制御部25における排燃料ガス流量の低減限界は、初期再循環流量に対して−5%とすることが好ましい。低減限界よりも設定流量を低下すると、燃料極109への蒸気供給量が不足するので好ましくない。初期再循環流量は、水素製造モード用条件として設定されている再循環流量である。低減限界まで排燃料ガス流量を低減した後は、燃料ガス入口側発電部108aの温度に依らず再循環制御部25での制御は停止される。 The set flow rate may be, for example, -1% with respect to the initial recirculation flow rate, and a predetermined flow rate between 0 and -5% of the initial recirculation flow rate may be gradually reduced. The cooling effect is suppressed by reducing the flow rate of the recirculation gas having a relatively low temperature with respect to 108a, and the flow rate of hydrocarbons such as methane (CH 4 ) supplied from the recirculation gas is reduced to reduce the fuel flow rate. By reducing the concentration of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) of the above, the heat absorption due to internal reforming on the fuel gas inlet side of the cell stack 101 is reduced. The reduction limit of the exhaust fuel gas flow rate in the recirculation control unit 25 is preferably -5% with respect to the initial recirculation flow rate. If the set flow rate is lowered below the reduction limit, the amount of vapor supplied to the fuel electrode 109 becomes insufficient, which is not preferable. The initial recirculation flow rate is the recirculation flow rate set as the condition for the hydrogen production mode. After reducing the exhaust fuel gas flow rate to the reduction limit, the control by the recirculation control unit 25 is stopped regardless of the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a.

水蒸気制御部26は、燃料ガス入口側発電部108aの計測温度に応じてバルブVの開度を調整して水蒸気流量を制御する。水蒸気制御部26は、受信部22で燃料ガス入口側発電部108aの温度が第2所定温度以下であるとの温度情報を受信した場合に、バルブVの開度を上げて水蒸気供給流量を設定流量分、増加させる機能を有している。第2所定温度は、第1所定温度よりも低い温度で設定されることが望ましい。 The water vapor control unit 26 controls the water vapor flow rate by adjusting the opening degree of the valve V 5 according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a. When the receiving unit 22 receives the temperature information that the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit 108a is equal to or lower than the second predetermined temperature, the water vapor control unit 26 increases the opening degree of the valve V 5 to increase the water vapor supply flow rate. It has the function of increasing the set flow rate. The second predetermined temperature is preferably set to a temperature lower than the first predetermined temperature.

上記設定流量は、初期水蒸気供給流量に対して例えば+5%として、初期水蒸気供給流量の0〜+20%の間の所定の水蒸気流量を段階的に増加してもよく、セルスタック101の燃料出口のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減する。これにより、排燃料ガスから分岐して再循環する再循環ガスから供給されるメタン(CH)など炭化水素の流量を低減し、燃料入口のメタン(CH)ガスなど炭化水素の濃度を低減することで、セルスタック101の燃料ガス入口側での内部改質による吸熱を減少する。水蒸気制御部26における水蒸気供給流量の増加限界は、初期水蒸気供給流量に対して+20%とすることが好ましい。増加限界よりも設定流量を増加すると、水蒸気の生成にはエネルギーを要することでシステム効率が低下するとともに、燃料極109への蒸気供給量が増え過ぎて水蒸気供給源16aが大型化するとともに、燃料電池の反応促進を阻害するので好ましくない。初期水蒸気供給流量は、水素製造モード用条件として設定されている水蒸気供給流量である。増加限界まで水蒸気供給流量を増加した後は、燃料ガス入口側発電部108aの温度に依らず水蒸気制御部26での制御は停止される。 The set flow rate may be, for example, +5% with respect to the initial steam supply flow rate, and a predetermined steam flow rate between 0% and +20% of the initial steam supply flow rate may be increased stepwise. Reduce the concentration of hydrocarbon gases such as methane (CH 4 ). As a result, the flow rate of hydrocarbons such as methane (CH 4 ) supplied from the recirculation gas branched from the exhaust fuel gas and recirculated is reduced, and the concentration of hydrocarbons such as methane (CH 4 ) gas at the fuel inlet is reduced. By doing so, the heat absorption due to internal reforming on the fuel gas inlet side of the cell stack 101 is reduced. The increase limit of the steam supply flow rate in the steam control unit 26 is preferably +20% with respect to the initial steam supply flow rate. When the set flow rate is increased beyond the limit of increase, the system efficiency is lowered because energy is required to generate steam, and the steam supply amount to the fuel electrode 109 is excessively increased to increase the size of the steam supply source 16a. It is not preferable because it hinders the reaction promotion of the battery. The initial steam supply flow rate is the steam supply flow rate set as the condition for the hydrogen production mode. After increasing the steam supply flow rate to the increase limit, the control by the steam control unit 26 is stopped regardless of the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a.

燃料制御部27は、燃料ガス入口側発電部108aの計測温度に応じてバルブVの開度を調整して燃料ガス流量を制御する。燃料制御部27は、受信部22で燃料ガス入口側発電部108aの温度が第3所定温度以下であるとの温度情報を受信した場合に、バルブVの開度を下げて燃料ガス流量の増加を停止させる機能を有している。第3所定温度は、第1所定温度および第2所定温度よりも低い温度に設定される。 The fuel control unit 27 controls the flow rate of the fuel gas by adjusting the opening degree of the valve V 3 according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a. When the reception unit 22 receives the temperature information that the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a is equal to or lower than the third predetermined temperature, the fuel control unit 27 lowers the opening degree of the valve V 3 to determine the fuel gas flow rate. It has the function of stopping the increase. The third predetermined temperature is set to a temperature lower than the first predetermined temperature and the second predetermined temperature.

燃料制御部27は、受信部22で燃料ガス入口側発電部108aの温度が第4所定温度以下であるとの温度情報を受信した場合に、バルブVの開度を更に下げて燃料ガス流量を設定流量分、低減させる機能を有している。第4所定温度は、第3所定温度よりも低い温度に設定される。 When the receiving unit 22 receives the temperature information indicating that the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit 108a is the fourth predetermined temperature or less, the fuel control unit 27 further lowers the opening degree of the valve V 3 to reduce the fuel gas flow rate. It has a function to reduce the flow rate by the set flow rate. The fourth predetermined temperature is set to a temperature lower than the third predetermined temperature.

上記設定流量は、初期燃料ガス流量に対して例えば−1%として、初期燃料ガス流量の0〜−2%の間の所定の流量を段階的に低減してもよく、燃料ガス中のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減することで、セルスタック101の燃料ガス入口側での内部改質による吸熱を減少する。燃料制御部27における燃料ガス流量の低減限界は、初期燃料ガス流量に対して−2%とすることが好ましい。低減限界よりも設定流量を低下すると、燃料極109への燃料供給量が不足して発電量と水素製造流量が減少するので好ましくない。初期燃料ガス流量は、水素製造モード用条件として設定されている燃料ガス流量である。水素製造モードにおいて燃料ガス流量は徐々に増加されるが、その場合、燃料制御部27での温度制御が開始される直前の燃料ガス流量が初期燃料ガス流量である。低減限界まで燃料ガス流量を低減した後は、燃料ガス入口側発電部108aの温度に依らず燃料制御部27での制御は停止される。 The set flow rate may be set to, for example, -1% with respect to the initial fuel gas flow rate, and a predetermined flow rate between 0 and -2% of the initial fuel gas flow rate may be gradually reduced. By reducing the concentration of hydrocarbon gas such as CH 4 ), the heat absorption due to internal reforming on the fuel gas inlet side of the cell stack 101 is reduced. The reduction limit of the fuel gas flow rate in the fuel control unit 27 is preferably −2% with respect to the initial fuel gas flow rate. If the set flow rate is reduced below the reduction limit, the fuel supply amount to the fuel electrode 109 becomes insufficient, and the power generation amount and the hydrogen production flow amount decrease, which is not preferable. The initial fuel gas flow rate is the fuel gas flow rate set as the condition for the hydrogen production mode. The fuel gas flow rate is gradually increased in the hydrogen production mode. In that case, the fuel gas flow rate immediately before the temperature control in the fuel control unit 27 is started is the initial fuel gas flow rate. After the fuel gas flow rate is reduced to the reduction limit, the control by the fuel control unit 27 is stopped regardless of the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a.

燃料電池−水素製造システム2は、使用者に警告を発する警告部(不図示)を更に備えていることが望ましい。警告部は、警告音を発するアラーム、警告信号を表示するランプ等である。燃料制御部27は、受信部22で燃料ガス入口側発電部108aの温度が第4所定温度以下であるとの温度情報を受信した場合に警告を発し、その後、受信部22で燃料ガス入口側発電部108aの温度が第3所定温度を超えたという温度情報を受信したら該警告を解除するよう制御する機能を有している。 It is desirable that the fuel cell-hydrogen production system 2 further includes a warning unit (not shown) that warns the user. The warning unit is an alarm that emits a warning sound, a lamp that displays a warning signal, or the like. The fuel control unit 27 issues a warning when the reception unit 22 receives temperature information that the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, and then the reception unit 22 causes the fuel gas inlet side. When the temperature information that the temperature of the power generation unit 108a has exceeded the third predetermined temperature is received, it has a function of controlling to cancel the warning.

温度制御部24は、燃料ガス入口側発電部108aの温度による制御判断の代わりに、ワンパス燃料利用率を算出して、ワンパス燃料利用率を上げるようバルブV,V,Vを適宜開閉して、燃料ガス流量、排燃料ガス再循環流量、および水蒸気流量を制御する機能を有してもよい。 Temperature control unit 24, in place of the control determination by the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit 108a, calculates the one-pass fuel utilization rate, valve V 3 to increase the one-pass fuel utilization rate, V 4, V 5 appropriately open and close the Then, it may have a function of controlling the fuel gas flow rate, the exhaust fuel gas recirculation flow rate, and the steam flow rate.

ワンパス燃料利用率を上げることで、再循環ガス中のメタン(CH)など炭化水素ガスの濃度を低減して、セルスタック101の燃料ガス入口側での内部改質による吸熱を減少することで、燃料ガス入口側発電部108aの温度の低下を抑制することができる。 By increasing the one-pass fuel utilization rate, the concentration of hydrocarbon gas such as methane (CH 4 ) in the recirculation gas is reduced, and the heat absorption due to internal reforming at the fuel gas inlet side of the cell stack 101 is reduced. It is possible to suppress a decrease in temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a.

温度制御部24は、水素製造モード運転時に、温度計測部28が間欠的に燃料ガス入口側発電部108aの温度を計測して温度情報を送信するよう制御する機能を有していてもよい。連続計測でなく間欠的な計測と温度情報の送信により、制御装置の容量を低減させて簡易化させることが可能となるとともに、温度制御が安定する効果がある。熱容量による温度変化速度を考慮して、間欠的な計測と温度情報の送信の場合、計測間隔は、30分以上60分程度とすることが好ましい。 The temperature control unit 24 may have a function of controlling the temperature measurement unit 28 to intermittently measure the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a and transmit the temperature information during the hydrogen production mode operation. By intermittently measuring and transmitting temperature information instead of continuous measurement, the capacity of the control device can be reduced and simplified, and temperature control is stabilized. Considering the rate of temperature change due to the heat capacity, in the case of intermittent measurement and transmission of temperature information, the measurement interval is preferably 30 minutes or more and about 60 minutes.

次に、図2と図3とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュール201及びSOFCカートリッジ203について説明する。ここで、図2は、本実施形態に係るSOFCモジュール201の一態様を示すものである。また、図3は、本実施形態に係るSOFCカートリッジ203の一態様の断面図を示すものである。 Next, the SOFC module 201 and the SOFC cartridge 203 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. Here, FIG. 2 shows one mode of the SOFC module 201 according to the present embodiment. Further, FIG. 3 is a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge 203 according to the present embodiment.

SOFCモジュール201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを有する。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207aとを有する。またSOFCモジュール201は、燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを有する。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)とを有する。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを有する。 As shown in FIG. 2, the SOFC module 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure container 205 that houses the plurality of SOFC cartridges 203. Further, the SOFC module 201 has a fuel gas supply pipe 207 and a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. Further, the SOFC module 201 has a fuel gas discharge pipe 209 and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. Further, the SOFC module 201 has an oxidizing gas supply pipe (not shown) and an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). Further, the SOFC module 201 has an oxidizing gas discharge pipe (not shown) and a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes (not shown).

燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205, is connected to a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas of a predetermined gas composition and a predetermined flow rate according to the power generation amount of the SOFC module 201, and also includes a plurality of It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. The fuel gas supply pipe 207 is for guiding the fuel gas at a predetermined flow rate, which is supplied from the above-mentioned fuel gas supply unit, into a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a by branching. The fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and also to the plurality of SOFC cartridges 203. The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at substantially equal flow rates, and makes the power generation performances of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. ..

燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and is also connected to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas discharge branch pipe 209 a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. Further, the fuel gas discharge pipe 209 is connected to the plurality of fuel gas discharge branch pipes 209 a, and a part thereof is arranged outside the pressure vessel 205. The fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas, which is discharged from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially uniform flow rate, to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 The pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 1 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550° C., so that the pressure vessel 205 has durability and corrosion resistance to an oxidizing agent such as oxygen contained in the oxidizing gas. The possessed material is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。 Here, in the present embodiment, a mode has been described in which a plurality of SOFC cartridges 203 are collected and housed in the pressure container 205, but the present invention is not limited to this, and for example, the SOFC cartridges 203 are not collected and the pressure is increased. It may be configured to be housed in the container 205.

SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給室217と、燃料ガス排出室219と、酸化性ガス供給室221と、酸化性ガス排出室223とを有する。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを有する。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給室217と燃料ガス排出室219と酸化性ガス供給室221と酸化性ガス排出室223とが図3のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and an oxidizing gas discharge chamber. 223 and. The SOFC cartridge 203 also includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 has the fuel gas supply chamber 217, the fuel gas discharge chamber 219, the oxidizing gas supply chamber 221, and the oxidizing gas discharge chamber 223 arranged as shown in FIG. The fuel gas and the oxidizing gas are structured to flow inside and outside the cell stack 101 so as to face each other, but this is not always necessary. For example, the inside and outside of the cell stack may flow in parallel. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the cell stack.

発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃〜1100℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is a region formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is a region in which the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and a fuel gas and an oxidizing gas are electrochemically reacted to generate power. Further, the temperature near the central portion of the power generation chamber 215 in the longitudinal direction of the cell stack 101 becomes a high temperature atmosphere of about 700° C. to 1100° C. during the steady operation of the SOFC module 201.

燃料ガス供給室217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室217は、上部ケーシング229aに備えられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、燃料ガス供給室217には、セルスタック101の一方の端部が、セルスタック101の基体管103の内部が燃料ガス排出室219に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply chamber 217 is a region surrounded by the upper casing 229a of the SOFC cartridge 203 and the upper tube sheet 225a. Further, the fuel gas supply chamber 217 is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a through a fuel gas supply hole 231a provided in the upper casing 229a. Further, in the fuel gas supply chamber 217, one end of the cell stack 101 is arranged such that the inside of the base tube 103 of the cell stack 101 is open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas supply chamber 217 guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply holes 231a into the base pipes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, and a plurality of fuel gas supply chambers 217a are provided. The power generation performance of the cell stack 101 is made substantially uniform.

燃料ガス排出室219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室219は、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、燃料ガス排出室219には、セルスタック101の他方の端部が、セルスタック101の基体管103の内部が燃料ガス排出室219に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出室219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。 The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube sheet 225b of the SOFC cartridge 203. Further, the fuel gas discharge chamber 219 communicates with the fuel gas discharge branch pipe 209a through a fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. Further, in the fuel gas discharge chamber 219, the other end of the cell stack 101 is arranged such that the inside of the base tube 103 of the cell stack 101 is open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas discharge chamber 219 collects the exhaust fuel gas that passes through the insides of the base pipes 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219, and the fuel gas is discharged through the fuel gas discharge holes 231b. It leads to the discharge branch pipe 209a.

SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給室221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室221は、下部ケーシング229bに備えられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。 Corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201, an oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate is branched into an oxidizing gas supply branch pipe and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply chamber 221 is a region surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203. In addition, the oxidizing gas supply chamber 221 is connected to an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a provided in the lower casing 229b. The oxidizing gas supply chamber 221 generates a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply hole 233a through an oxidizing gas supply gap 235a described later. It leads to the chamber 215.

酸化性ガス排出室223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室223は、上部ケーシング229aに備えられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出室223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない第3酸化性ガス排出枝管に導くものである。 The oxidizing gas discharge chamber 223 is a region surrounded by the upper casing 229a, the upper tube sheet 225a, and the upper heat insulator 227a of the SOFC cartridge 203. Further, the oxidizing gas discharge chamber 223 is connected to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) through an oxidizing gas discharge hole 233b provided in the upper casing 229a. The oxidizing gas discharge chamber 223 supplies the discharged oxidizing gas, which is supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas discharge chamber 223 via the oxidizing gas discharge gap 235b described later, through the oxidizing gas discharge hole 233b. It leads to a third oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).

上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室217と酸化性ガス排出室223とを隔離するものである。 The upper tube plate 225a is arranged such that the upper tube plate 225a and the upper plate of the upper casing 229a are substantially parallel to the upper plate 225a between the upper plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a. It is fixed to the side plate. Further, the upper tube sheet 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The upper tube sheet 225a hermetically supports one end portion of the plurality of cell stacks 101 via one or both of the seal member and the adhesive member, and at the same time, the fuel gas supply chamber 217 and the oxidizing gas discharge chamber 223. It isolates and.

下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室219と酸化性ガス供給室221とを隔離するものである。 The lower tube plate 225b is provided on a side plate of the lower casing 229b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel to each other between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b. It is fixed. Further, the lower tube sheet 225b has a plurality of holes corresponding to the number of the cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The lower tube sheet 225b airtightly supports the other ends of the plurality of cell stacks 101 via one or both of the seal member and the adhesive member, and also the fuel gas discharge chamber 219 and the oxidizing gas supply chamber 221. It isolates and.

上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを有する。 The upper heat insulator 227a is arranged at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. There is. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper heat insulator 227a has an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulator 227a.

この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出室223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出室223に導くものである。 The upper heat insulator 227a partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge chamber 223, and the atmosphere around the upper tube sheet 225a is heated to a high temperature, and the strength is reduced and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas is caused. Suppress increasing. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but when the upper tube sheet 225a and the like are exposed to the high temperature in the power generation chamber 215, the temperature difference in the upper tube sheet 225a and the like becomes large. It prevents thermal deformation. Further, the upper heat insulator 227a guides the exhausted oxidizing gas that has passed through the power generation chamber 215 and has been exposed to high temperature to the oxidizing gas exhaust chamber 223 through the oxidizing gas exhaust gap 235b.

本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。 According to the present embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow inside and outside the cell stack 101 so as to face each other. As a result, the exhausted oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube sheet 225a made of a metal material causes buckling or the like. It is cooled to a temperature at which it is not deformed and supplied to the oxidizing gas discharge chamber 223. Further, the fuel gas is heated by heat exchange with the exhausted oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを有する。 The lower heat insulator 227b is arranged on the upper end of the lower casing 229b so that the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. .. Further, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower heat insulator 227b has an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulator 227b.

この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給室221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給室221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。 The lower heat insulator 227b partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply chamber 221, and the atmosphere around the lower tube sheet 225b is heated to a high temperature and is not corroded by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress increasing. The lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel. However, when the lower tube sheet 225b and the like are exposed to high temperature, the temperature difference in the lower tube sheet 225b and the like becomes large, and thus the lower tube sheet 225b and the like are thermally deformed. To prevent. Further, the lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply chamber 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。 According to the present embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow inside and outside the cell stack 101 so as to face each other. As a result, the exhausted fuel gas that has passed through the inside of the base pipe 103 and passed through the power generation chamber 215 undergoes heat exchange with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube sheet 225b made of a metal material. Etc. are cooled to a temperature at which they do not deform such as buckling and are supplied to the fuel gas discharge chamber 219. Further, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to the temperature required for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni/YSZ or the like provided in the plurality of fuel battery cells 105, and then the collector rod (not connected to the SOFC cartridge 203). Current is collected via a collector plate (not shown) in the drawing) and taken out to the outside of each SOFC cartridge 203. The electric power led to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector is connected to the generated electric power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined number of series and parallel, and is led to the outside of the SOFC module 201 to be illustrated. Not converted into a predetermined AC power by an inverter or the like and supplied to a power load.

図4を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図4は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを有する。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を有する。 The cylindrical cell stack according to this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 4 shows one mode of the cell stack according to the present embodiment. The cell stack 101 has a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. In addition, the cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. It has a lead film 115 electrically connected via a connector 107.

本実施形態では、セルスタック101の軸方向において、インターコネクタ107で電気的に接続された複数の燃料電池セル105群がある部分のうち、セルスタック101の燃料ガス入口側の燃料電池セル105を燃料ガス入口側発電部108aの温度計測箇所とし、燃料ガス入口側発電部108aの温度計測箇所から燃料ガス流れ上流側のリード膜115がある部分にかけて、内部改質が盛んに行われて水素が生成されるとともに、温度が低下する領域である。 In the present embodiment, in the axial direction of the cell stack 101, the fuel cell 105 on the fuel gas inlet side of the cell stack 101 among the plurality of fuel cell 105 groups electrically connected by the interconnector 107 is From the temperature measurement point of the fuel gas inlet side power generation section 108a to the portion where the lead film 115 on the upstream side of the fuel gas flow is located, the internal reforming is actively carried out to generate hydrogen. It is a region where the temperature is reduced as it is generated.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAlとされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。 The substrate tube 103 is made of a porous material, and is, for example, CaO-stabilized ZrO 2 (CSZ), Y 2 O 3 -stabilized ZrO 2 (YSZ), or MgAl 2 O 4 . The base tube 103 supports the fuel cell unit 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and allows the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 to pass through the pores of the base tube 103. Is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the.

燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)及び二酸化炭素(CO)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。 The fuel electrode 109 is composed of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni/YSZ is used. In this case, in the fuel electrode 109, Ni, which is a component of the fuel electrode 109, has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action causes a fuel gas supplied through the base pipe 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and steam to react with each other and reform it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is a thing. Further, the fuel electrode 109 interfaces hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied via the solid electrolyte 111 with the solid electrolyte 111. It is an electrochemical reaction in the vicinity to generate water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell unit 105 generates electricity by electrons emitted from oxygen ions.

固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するYSZが主として用いられる。この固体電解質111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2−)を燃料極109に移動させるものである。 The solid electrolyte 111 is mainly made of YSZ, which has gas-tightness that makes it difficult for gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated in the air electrode 113 to the fuel electrode 109.

空気極113は、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で構成される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成するものである。 The air electrode 113 is made of, for example, LaSrMnO 3 -based oxide or LaCoO 3 -based oxide. The air electrode 113 dissociates oxygen in the oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte 111 to generate oxygen ions (O 2− ).

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1−xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。リード膜115は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system, and is composed of a fuel gas and an oxide. It is a dense film so that it does not mix with the volatile gas. Further, the interconnector 107 has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel battery cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel battery cell 105 in the adjacent fuel battery cells 105 so that the adjacent fuel battery cells 105 are connected to each other. Are connected in series. Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and has a thermal expansion coefficient close to that of other materials forming the cell stack 101, Ni such as Ni/YSZ and a zirconia-based electrolyte material are required. Composed of composite material. The lead film 115 guides the DC power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

次に、本実施形態に係る燃料電池−水素製造システム2の動作について説明する。燃料電池−水素製造システム2は、発電モードまたは水素製造モードにより運転される。 Next, the operation of the fuel cell-hydrogen production system 2 according to this embodiment will be described. The fuel cell-hydrogen production system 2 is operated in a power generation mode or a hydrogen production mode.

(発電モード)
受信部22が外部から発電の指令を受けると、運転モード制御部23は該指令に基づきバルブVを開き、バルブVを閉じる。それとともに、運転モード制御部23は、バルブV,V,Vの開度を調整して燃料ガス流量、再循環流量、蒸気流量を発電モード用条件に制御する。
(Power generation mode)
When the receiving unit 22 receives a command of the power generation from the outside, the operation mode control unit 23 opens the valve V 1 on the basis of the finger decree, closing the valve V 2. At the same time, the operation mode control unit 23 controls the fuel gas flow rate, the recirculation flow rate, and the steam flow rate to the power generation mode conditions by adjusting the openings of the valves V 3 , V 4 , and V 5 .

本実施形態では、燃料ガス流量、再循環流量、蒸気流量の発電モード用条件は、例えばシステム燃料利用率が80%〜85%、ワンパス燃料利用率が50%〜60%、S/Cが3.5〜5.0となるよう予め設定しておく。 In the present embodiment, the conditions for the power generation mode such as the fuel gas flow rate, the recirculation flow rate, and the steam flow rate are, for example, system fuel utilization rate of 80% to 85%, one-pass fuel utilization rate of 50% to 60%, and S/C of 3 It is set in advance so as to be 0.5 to 5.0.

炭化水素を含む燃料ガス(FG1)が、燃料ガス供給源11aから燃料ガス供給経路11bを介してSOFCモジュール201へ供給される。SOFCモジュール201へ供給された燃料ガス(FG1)は、セルスタック101の燃料電池セル105、特に燃料ガス入口側の燃料ガス入口側発電部108aの燃料電池セル105の燃料極109付近で盛んに水蒸気改質される。ここで、燃料ガス(FG1)に含まれる炭化水素が、水蒸気と吸熱反応して水素および一酸化炭素が生成される。 The fuel gas (FG1) containing hydrocarbon is supplied from the fuel gas supply source 11a to the SOFC module 201 via the fuel gas supply path 11b. The fuel gas (FG1) supplied to the SOFC module 201 is vigorously vaporized in the vicinity of the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 of the cell stack 101, in particular, the fuel cell 105 of the fuel gas inlet side power generation section 108a on the fuel gas inlet side. Be modified. Here, the hydrocarbon contained in the fuel gas (FG1) undergoes an endothermic reaction with water vapor to generate hydrogen and carbon monoxide.

改質により生じた水素および一酸化炭素を含む燃料ガス(FG2)は、発電部108で発電に利用される。 The fuel gas (FG2) containing hydrogen and carbon monoxide generated by the reforming is used for power generation in the power generation unit 108.

発電部108を経由した燃料ガス(排燃料ガス:FG3)は排燃料ガス経路13によりSOFCモジュール201の外へと排出される。排燃料ガス(FG3)の一部は再循環ブロワ15aによりガスタービンシステム3の燃焼器32に供給される。排燃料ガス(FG3)の他部は再循環ブロワ15aにより再循環経路15bを介して燃料ガス供給経路11bに再循環される。 The fuel gas (exhaust fuel gas: FG3) that has passed through the power generation unit 108 is exhausted to the outside of the SOFC module 201 by the exhaust fuel gas path 13. A part of the exhaust fuel gas (FG3) is supplied to the combustor 32 of the gas turbine system 3 by the recirculation blower 15a. The other part of the exhaust fuel gas (FG3) is recirculated to the fuel gas supply path 11b by the recirculation blower 15a via the recirculation path 15b.

燃焼器32に供給された排燃料ガス(FG3)は、SOFCモジュール201由来の排酸化性ガス中で、燃料(F)とともに燃焼させる。燃焼により生じた燃焼ガス(CG1)はマイクロガスタービン33に導かれ、マイクロガスタービン33を回転駆動させる。これにより、発電機35で発電が行われる。マイクロガスタービン33を経由した燃焼ガス(CG2)は再生熱交換器34に送られる。 The exhaust fuel gas (FG3) supplied to the combustor 32 is burned with the fuel (F) in the exhaust oxidizing gas derived from the SOFC module 201. Combustion gas (CG1) generated by combustion is guided to the micro gas turbine 33, and drives the micro gas turbine 33 to rotate. As a result, power is generated by the generator 35. The combustion gas (CG2) that has passed through the micro gas turbine 33 is sent to the regenerative heat exchanger 34.

ガスタービンシステム3の空気圧縮機31は、酸化性ガスとして空気(A1)を吸込み、該吸い込んだ空気を加圧して再生熱交換器34に送る。再生熱交換器34に送られた空気(A2)は、燃焼ガス(CG2)により加熱された後、酸化性ガス供給経路12を介してSOFCモジュール201に導かれる。 The air compressor 31 of the gas turbine system 3 sucks in air (A1) as an oxidizing gas, pressurizes the sucked air, and sends it to the regenerative heat exchanger 34. The air (A2) sent to the regenerative heat exchanger 34 is heated by the combustion gas (CG2) and then guided to the SOFC module 201 via the oxidizing gas supply path 12.

再生熱交換器34を経由した燃焼ガス(CG3)は、排熱回収部4へ導かれる。燃焼ガス(CG3)は、市水などの水と熱交換されることにより、水蒸気(S)を生成する。水蒸気は熱源として回収され、水蒸気供給源16aで利用しても良いし、別機器で利用されても良い。排熱回収部4を経由した排燃焼ガス(CG3)は、必要に応じて適宜排ガス処理を施した後、大気へと放出される。 The combustion gas (CG3) that has passed through the regenerative heat exchanger 34 is guided to the exhaust heat recovery unit 4. The combustion gas (CG3) exchanges heat with water such as city water to generate steam (S). The water vapor may be recovered as a heat source and used in the water vapor supply source 16a or in another device. The exhaust combustion gas (CG3) that has passed through the exhaust heat recovery unit 4 is appropriately discharged as necessary, and then discharged to the atmosphere.

(水素製造モード)
受信部22が外部から水素製造の指令を受けると、運転モード制御部23は該指令に基づきバルブVを開き、バルブVを閉じる。これにより、SOFCモジュール201から排出された排燃料ガス(FG3)は、シフト反応器18に導かれる。
(Hydrogen production mode)
When the receiving unit 22 receives a command hydrogen production from the outside, the operation mode control unit 23 opens the valve V 2 on the basis of the finger decree, closing the valve V 1. As a result, the exhaust fuel gas (FG3) discharged from the SOFC module 201 is guided to the shift reactor 18.

排燃料ガス(FG3)に含まれる一酸化炭素は、シフト反応器18においてシフト触媒の存在下、水と反応して二酸化炭素(CO)に変成される。触媒には、酸化鉄系触媒、鉄−クロム系触媒などを用いる。 Carbon monoxide contained in the exhaust fuel gas (FG3) reacts with water in the shift reactor 18 in the presence of a shift catalyst to be converted into carbon dioxide (CO 2 ). An iron oxide-based catalyst, an iron-chromium-based catalyst, or the like is used as the catalyst.

シフト反応器18を経由した排燃料ガス(FG4)は、水分離器19に導かれ、熱交換により冷却される。これにより、排燃料ガス(FG4)から水分(ドレン水:D)が分離される。水分離器19を経由した排燃料ガス(FG5)は、水分の少ないドライなガスとなる。 The exhaust fuel gas (FG4) that has passed through the shift reactor 18 is guided to the water separator 19 and cooled by heat exchange. As a result, water (drain water: D) is separated from the exhaust fuel gas (FG4). The exhaust fuel gas (FG5) that has passed through the water separator 19 becomes a dry gas with little water content.

水分離器19を経由した排燃料ガス(FG5)は、水素精製装置20に導かれる。水素精製装置20は、例えばPSA(PressureSwing Adsorption)式が利用される。排燃料ガス(FG5)は水分の分離されたドライなガスであるため、PSAの性能を低下させることはない。水素精製装置20では、排燃料ガス(FG5)に含まれる水素以外の成分を吸着剤に吸着させることで、水素が分離されて精製される。 The exhaust fuel gas (FG5) that has passed through the water separator 19 is guided to the hydrogen purification device 20. The hydrogen purifier 20 uses, for example, a PSA (Pressure Swing Adsorption) formula. Since the exhaust fuel gas (FG5) is a dry gas with separated water content, it does not deteriorate the performance of PSA. In the hydrogen purification device 20, hydrogen is separated and purified by adsorbing components other than hydrogen contained in the exhaust fuel gas (FG5) to the adsorbent.

精製した水素(純水素)は、燃料電池自動車21等に利用され得る。分離された水素以外のガス(例えばCH等)は、オフガス(C)として、燃焼処理されるが、このとき発生する熱エネルギーは排熱回収部4での水蒸気として熱回収に利用しても良い。 The purified hydrogen (pure hydrogen) can be used for the fuel cell vehicle 21 and the like. The separated gas (for example, CH 4 etc.) other than hydrogen is burned as off-gas (C), and the heat energy generated at this time is also used as steam in the exhaust heat recovery section 4 for heat recovery. good.

受信部22が外部から水素製造の指令を受けると、運転モード制御部23は、発電モード運転時よりもバルブVの開度を上げて、燃料ガス流量を徐々に増加させる。それにより、水素の製造量を増やすことができる。運転モード制御部23は、バルブV,Vの開度を調整して燃料ガス流量、再循環流量、蒸気流量を水素製造モード用条件に制御して、燃料ガス入口側発電部108aの温度の低下を抑制する。これにより燃料電池−水素製造システム2の運転を水素製造モードに切り替える。 When the receiving unit 22 receives a hydrogen production command from the outside, the operation mode control unit 23 increases the opening degree of the valve V 3 more than in the power generation mode operation and gradually increases the fuel gas flow rate. Thereby, the production amount of hydrogen can be increased. The operation mode control unit 23 adjusts the openings of the valves V 4 and V 5 to control the fuel gas flow rate, the recirculation flow rate, and the steam flow rate to the hydrogen production mode conditions, and controls the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a. Suppress the decrease of. This switches the operation of the fuel cell-hydrogen production system 2 to the hydrogen production mode.

燃料ガス流量、再循環流量、蒸気流量の水素製造モード用条件は、システム燃料利用率が70%〜80%、ワンパス燃料利用率が40%〜60%(好ましくは45%〜50%)、S/Cが3.0〜5.0(好ましくは3.5〜5.0)となるよう予め設定しておく。ワンパス燃料利用率を下げすぎると、発電部108を発電に適した温度(600℃〜950℃)に維持することが難しい。 Fuel gas flow rate, recirculation flow rate, and steam flow rate conditions for hydrogen production mode are as follows: system fuel utilization rate is 70% to 80%, one-pass fuel utilization rate is 40% to 60% (preferably 45% to 50%), S It is preset so that /C is 3.0 to 5.0 (preferably 3.5 to 5.0). If the one-pass fuel utilization rate is lowered too much, it is difficult to maintain the power generation unit 108 at a temperature (600°C to 950°C) suitable for power generation.

温度計測部28は、燃料ガス入口側発電部108aの温度を計測し、計測により得られた温度情報を制御装置17へと送る。温度情報の送信は、30分〜60分の間隔で間欠的に繰り返し実施される。制御装置の容量に余裕があれば、温度情報は連続的に送信しても良い。 The temperature measurement unit 28 measures the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a and sends the temperature information obtained by the measurement to the control device 17. The transmission of the temperature information is intermittently and repeatedly performed at intervals of 30 minutes to 60 minutes. If the control device has a sufficient capacity, the temperature information may be continuously transmitted.

制御装置17では、受信部22が温度情報を受け、該温度情報に基づいて温度制御部24による燃料ガス入口側発電部108aの温度制御が行われる。 In the control device 17, the receiving unit 22 receives the temperature information, and the temperature control unit 24 controls the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a based on the temperature information.

図7を参照して、水素製造モード運転時における発電部108の温度制御の一例を説明する。セルスタック101の燃料ガス入口側の内部改質による吸熱が増加してセルスタック101の燃料ガス入口側温度が低下し、燃料ガス入口側発電部108aの温度が所定温度より低下してセルスタック101の温度分布が増加するとともに燃料電池セル105の内部抵抗が増加して、SOFCモジュール201の発電性能が低下する場合がある。 An example of temperature control of the power generation unit 108 during the hydrogen production mode operation will be described with reference to FIG. 7. The heat absorption due to the internal reforming on the fuel gas inlet side of the cell stack 101 increases, the temperature of the fuel gas inlet side of the cell stack 101 decreases, and the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit 108a decreases below a predetermined temperature and the cell stack 101 There is a case where the internal resistance of the fuel cell unit 105 increases as the temperature distribution of the SOFC module increases and the power generation performance of the SOFC module 201 decreases.

受信部で受けた燃料ガス入口側発電部108aの温度情報が、セルスタック101の軸方向温度分布から中央温度(本実施形態では900℃〜1000℃)を基準に、各条件で管理する所定温度を、例えば第1所定温度を750℃、第2所定温度を740℃、第3所定温度を730℃、第4所定温度を720℃として、判断をする場合を説明する。この各条件で管理する各所定温度は、実施条件により適宜変更してもよく、限定されるものではない。 The temperature information of the fuel gas inlet side power generation unit 108a received by the reception unit is a predetermined temperature managed under each condition based on the central temperature (900° C. to 1000° C. in this embodiment) from the axial temperature distribution of the cell stack 101. A case will be described where the first predetermined temperature is 750° C., the second predetermined temperature is 740° C., the third predetermined temperature is 730° C., and the fourth predetermined temperature is 720° C., for example. Each predetermined temperature managed under each of these conditions may be appropriately changed depending on the implementation conditions, and is not limited.

受信部22で受けた燃料ガス入口側発電部108aの温度情報が750℃より高い場合、次の温度情報を受けるまで初期設定の水素製造モードの運転が継続される。 When the temperature information of the fuel gas inlet side power generation unit 108a received by the reception unit 22 is higher than 750° C., the operation of the initial hydrogen production mode is continued until the next temperature information is received.

受信部22で受けた温度情報が例えば750℃(第1所定温度)以下であった場合、再循環制御部25は、バルブVの開度を下げて排燃料ガスの再循環流量を設定流量分低減する。設定流量は、初期再循環流量に対して例えば−1%とする。 When the temperature information received by the reception unit 22 is, for example, 750° C. (first predetermined temperature) or less, the recirculation control unit 25 reduces the opening degree of the valve V 4 to set the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas to the set flow rate. Reduced by a minute. The set flow rate is, for example, -1% with respect to the initial recirculation flow rate.

排燃料ガスには、発電部108で改質されなかった炭化水素が残留している。排燃料ガスの再循環流量を減らすことで、燃料ガス入口側発電部108aに供給される炭化水素量が少なくなり、燃料ガス入口側発電部108aでの改質反応が抑制される。それにより吸熱量が減るため、燃料ガス入口側発電部108aの温度低下を抑制できる。 Hydrocarbons that have not been reformed in the power generation unit 108 remain in the exhaust fuel gas. By reducing the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas, the amount of hydrocarbons supplied to the fuel gas inlet side power generation section 108a is reduced, and the reforming reaction in the fuel gas inlet side power generation section 108a is suppressed. As a result, the amount of heat absorbed is reduced, so that the temperature decrease of the fuel gas inlet side power generation unit 108a can be suppressed.

再循環された排燃料ガスは、発電部108よりも低温(400℃〜450℃)である。排燃料ガスの再循環流量を減らして、燃料ガスへ混合される排燃料ガス量を減らすことで、再循環された排燃料ガスからの熱伝達により発電部が冷却されるのを抑制できる。 The recirculated exhaust fuel gas has a lower temperature (400° C. to 450° C.) than that of the power generation unit 108. By reducing the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas and reducing the amount of the exhaust fuel gas mixed with the fuel gas, it is possible to prevent the power generation unit from being cooled by heat transfer from the recirculated exhaust fuel gas.

排燃料ガスの再循環流量を減らしても、発電部108での発電は継続されている。発電部108が発電すると熱が生じ、その熱により発電部108の温度上昇が可能である。再循環流量を低減した後に受信部22で受けた温度情報が750℃を超えていた場合、再循環制御部25による温度制御を停止して、次の温度情報を受けるまで初期設定の水素製造運転が行われる。 Even if the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas is reduced, power generation in the power generation unit 108 is continued. When the power generation unit 108 generates power, heat is generated, and the heat can raise the temperature of the power generation unit 108. When the temperature information received by the receiving unit 22 exceeds 750° C. after reducing the recirculation flow rate, the temperature control by the recirculation control unit 25 is stopped and the initial hydrogen production operation is performed until the next temperature information is received. Is done.

再循環流量を低減した後に受信部22で受けた温度情報が、まだ750℃以下であった場合、更にバルブVの開度を下げて排燃料ガスの再循環流量を例えば−1%低減する。再循環制御部25による再循環流量の低減限界は合計で−5%とする。すなわち、受信部で受けた温度情報が750℃以下であれば、初期再循環流量に対して−1%ずつ減少する場合は、最高5回まで再循環流量の低減を行い、燃料ガス入口側発電部108aの温度を制御する。 When the temperature information received by the reception unit 22 after the recirculation flow rate is reduced is still 750° C. or lower, the opening degree of the valve V 4 is further reduced to reduce the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas by, for example, −1%. .. The total limit of reduction of the recirculation flow rate by the recirculation control unit 25 is -5%. That is, if the temperature information received by the receiving unit is 750° C. or lower, if the initial recirculation flow rate decreases by -1%, the recirculation flow rate is reduced up to 5 times, and the fuel gas inlet side power generation is performed. The temperature of the part 108a is controlled.

受信部22で受けた温度情報が例えば740℃以下(第2所定温度)であった場合、水蒸気制御部26は、バルブVの開度を上げて水蒸気流量を設定流量分増加させる。設定流量は、初期水蒸気流量に対して例えば+5%とする。 When the temperature information received by the receiving unit 22 is, for example, 740° C. or lower (second predetermined temperature), the steam control unit 26 increases the opening degree of the valve V 5 to increase the steam flow rate by the set flow rate. The set flow rate is, for example, +5% with respect to the initial steam flow rate.

水蒸気流量を増やすと、燃料ガス中の炭化水素濃度が低下し、燃料ガス入口側発電部108aに供給される炭化水素量が少なくなる。それにより改質吸熱量が減るため、燃料ガス入口側発電部108aの温度低下を抑制できる。 When the flow rate of water vapor is increased, the hydrocarbon concentration in the fuel gas decreases, and the amount of hydrocarbons supplied to the fuel gas inlet side power generation section 108a decreases. As a result, the reforming endothermic amount is reduced, so that the temperature decrease of the fuel gas inlet side power generation unit 108a can be suppressed.

水蒸気流量を減らしても、発電部108での発電は継続されている。発電部108が発電すると熱が生じ、その熱により発電部108の温度上昇が可能である。水蒸気流量を増加させた後に受信部22で受けた温度情報が740℃を超えていた場合には、水蒸気制御部26による温度制御を停止する。 Even if the steam flow rate is reduced, the power generation unit 108 continues to generate power. When the power generation unit 108 generates power, heat is generated, and the heat can raise the temperature of the power generation unit 108. When the temperature information received by the reception unit 22 exceeds 740° C. after increasing the steam flow rate, the temperature control by the steam control unit 26 is stopped.

水蒸気流量を増加させた後に受信部22で受けた温度情報が740℃以下であった場合、更にバルブVの開度を下げて排燃料ガスの再循環流量を例えば+5%増加させる。水蒸気制御部26による水蒸気流量の増加限界は合計で+20%とする。すなわち、受信部で受けた温度情報が740℃以下であれば、初期水蒸気流量に対して例えば+5%ずつ増加する場合は、最高4回まで水蒸気流量の増加を行い、燃料ガス入口側発電部108aの温度を制御する。 When the temperature information received by the reception unit 22 is 740° C. or less after increasing the steam flow rate, the opening degree of the valve V 5 is further reduced to increase the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas by, for example, +5%. The increase limit of the steam flow rate by the steam control unit 26 is set to +20% in total. That is, if the temperature information received by the receiving unit is 740° C. or lower, and if the initial steam flow rate is increased by, for example, +5%, the steam flow rate is increased up to four times and the fuel gas inlet-side power generation unit 108a is increased. Control the temperature of.

740℃以下は、750℃以下の範囲に含まれる。よって、受信部で受けた温度情報が740℃以下であった場合、再循環制御部25による温度制御も同時に実施される。ただし、再循環制御部25による再循環流量の低減は、低減限界内で行われる。 740°C or lower is included in the range of 750°C or lower. Therefore, when the temperature information received by the receiving unit is 740° C. or lower, the temperature control by the recirculation control unit 25 is also performed at the same time. However, the reduction of the recirculation flow rate by the recirculation control unit 25 is performed within the reduction limit.

受信部22で受けた温度情報が例えば730℃(第3所定温度)以下であった場合、燃料制御部27は、水素製造モードに切り替えた後にバルブVの開度を上げていた場合は、バルブVの開度を上げるのをやめて、燃料ガス流量の増加を停止する。 When the temperature information received by the reception unit 22 is, for example, 730° C. (third predetermined temperature) or less, when the fuel control unit 27 has increased the opening degree of the valve V 3 after switching to the hydrogen production mode, The increase of the opening degree of the valve V 3 is stopped and the increase of the fuel gas flow rate is stopped.

燃料ガス流量が増加しなければ、燃料ガス入口側発電部108aに供給される炭化水素量も変動せず、燃料ガス入口側発電部108aでの吸熱量も現状維持となる。それにより発電部108の温度低下を抑制できる。 If the fuel gas flow rate does not increase, the amount of hydrocarbons supplied to the fuel gas inlet-side power generation unit 108a does not change, and the amount of heat absorbed by the fuel gas inlet-side power generation unit 108a remains unchanged. Thereby, the temperature decrease of the power generation unit 108 can be suppressed.

燃料ガス流量の増加を停止しても、発電部108での発電は継続されている。発電部108が発電すると熱が生じ、その熱により発電部108の温度上昇が可能である。燃料ガス流量の増加を停止した後に受信部22で受けた温度情報が730℃を超えていた場合には、バルブVの開度を上げて燃料ガス流量の増加を再開する。 Even if the increase in the fuel gas flow rate is stopped, the power generation unit 108 continues to generate power. When the power generation unit 108 generates power, heat is generated, and the heat can raise the temperature of the power generation unit 108. When the temperature information received by the receiving unit 22 exceeds 730° C. after stopping the increase of the fuel gas flow rate, the opening degree of the valve V 3 is increased and the increase of the fuel gas flow rate is restarted.

燃料ガス流量の増加を停止した後に受信部22で受けた温度情報が730℃以下であった場合、燃料ガス流量をそのまま維持する。 When the temperature information received by the receiving unit 22 is 730° C. or less after stopping the increase of the fuel gas flow rate, the fuel gas flow rate is maintained as it is.

730℃以下は、740℃以下および750℃以下の範囲に含まれる。よって、受信部22で受けた温度情報が730℃以下であった場合、再循環制御部25および水蒸気制御部26による温度制御も同時に実施される。ただし、再循環制御部25による再循環流量の低減は、低減限界内で行われる。水蒸気制御部26による水蒸気流量の増加は、増加限界内で行われる。 730°C or lower is included in the range of 740°C or lower and 750°C or lower. Therefore, when the temperature information received by the reception unit 22 is 730° C. or lower, the temperature control by the recirculation control unit 25 and the steam control unit 26 is also performed at the same time. However, the reduction of the recirculation flow rate by the recirculation control unit 25 is performed within the reduction limit. The increase of the steam flow rate by the steam control unit 26 is performed within the increase limit.

受信部22で受けた温度情報が例えば720℃(第4所定温度)以下であった場合、燃料制御部27は、バルブVの開度を下げて燃料ガス流量を設定流量分低減するとともに、アラームを鳴らす。設定流量は、初期燃料ガス流量に対して例えば−1%とする。 When the temperature information received by the receiving unit 22 is, for example, 720° C. (fourth predetermined temperature) or less, the fuel control unit 27 reduces the opening degree of the valve V 3 to reduce the fuel gas flow rate by the set flow rate, and Sound an alarm. The set flow rate is, for example, -1% with respect to the initial fuel gas flow rate.

燃料ガス流量を減らすことで、燃料ガス入口側発電部108aに供給される炭化水素量が少なくなり、燃料ガス入口側発電部108aでの改質反応が抑制される。それにより吸熱量が減るため、発電部108の温度低下を抑制できる。 By reducing the fuel gas flow rate, the amount of hydrocarbons supplied to the fuel gas inlet side power generation section 108a is reduced, and the reforming reaction in the fuel gas inlet side power generation section 108a is suppressed. As a result, the amount of heat absorbed is reduced, so that the temperature decrease of the power generation unit 108 can be suppressed.

燃料ガス流量を減らしても、発電部108での発電は継続されている。発電部108が発電すると熱が生じ、その熱により発電部108の温度上昇が可能である。燃料ガス流量を低減した後に受信部22で受けた温度情報が720℃を超えていた場合には、燃料制御部27による温度制御を停止する。アラームは、受信部22で受けた温度情報が730℃を超えた場合に解除される。 Even if the fuel gas flow rate is reduced, power generation in the power generation unit 108 is continued. When the power generation unit 108 generates power, heat is generated, and the heat can raise the temperature of the power generation unit 108. When the temperature information received by the reception unit 22 exceeds 720° C. after the fuel gas flow rate is reduced, the temperature control by the fuel control unit 27 is stopped. The alarm is canceled when the temperature information received by the receiver 22 exceeds 730°C.

燃料ガス流量を低減した後に受信部22で受けた温度情報が720℃以下であった場合、更にバルブVの開度を下げて燃料ガス流量を例えば−1%低減する。燃料制御部27による燃料ガス流量の低減限界は合計で−2%とする。すなわち、受信部22で受けた温度情報が720℃以下であれば、初期燃料ガス流量に対して例えば−1%ずつ低減する場合は、最高2回まで燃料ガス流量の低減を行い、燃料ガス入口側発電部108aの温度を制御する。 When the temperature information received by the receiving unit 22 is 720° C. or less after reducing the fuel gas flow rate, the opening degree of the valve V 3 is further reduced to reduce the fuel gas flow rate by, for example, −1%. The total limit of reduction of the fuel gas flow rate by the fuel control unit 27 is -2%. That is, if the temperature information received by the receiving unit 22 is 720° C. or less, the fuel gas flow rate is reduced up to twice when the temperature is reduced by −1% with respect to the initial fuel gas flow rate. The temperature of the side power generation unit 108a is controlled.

720℃以下は、740℃以下および750℃以下の範囲に含まれる。よって、受信部22で受けた温度情報が720℃以下であった場合、再循環制御部25および水蒸気制御部26による温度制御も同時に実施される。ただし、再循環制御部25による再循環流量の低減は、低減限界内で行われる。水蒸気制御部26による水蒸気流量の増加は、増加限界内で行われる。 720°C or lower is included in the range of 740°C or lower and 750°C or lower. Therefore, when the temperature information received by the reception unit 22 is 720° C. or lower, the temperature control by the recirculation control unit 25 and the steam control unit 26 is also performed at the same time. However, the reduction of the recirculation flow rate by the recirculation control unit 25 is performed within the reduction limit. The increase of the steam flow rate by the steam control unit 26 is performed within the increase limit.

燃料制御部27によって燃料ガス流量を低減限界まで低減しても、受信部22で受けた温度情報が720℃以下となるような場合、水素製造モードから発電モードに切換え、ワンパス利用率を上げるようバルブV3、4の開度を調整する。 Even if the fuel gas flow rate is reduced to the lower limit by the fuel control unit 27, if the temperature information received by the reception unit 22 is 720° C. or less, the hydrogen production mode is switched to the power generation mode to increase the one-pass utilization rate. adjusting the opening of the valve V 3, V 4.

SOFCカートリッジ203を用いた試験によれば、システム燃料利用率を例えば82%から例えば75%以下に下げる場合、上記温度制御部24により発電部108の温度制御を行わないと、ワンパス燃料利用率は51%から41%に低下し、発電部108の温度が下がって発電出力を維持できなかった。一方、上記温度制御部24により発電部108の温度制御を行い、ワンパス利用率を例えば45%以上とすることによって、発電部108の温度および発電出力を維持できた。 According to the test using the SOFC cartridge 203, when the system fuel utilization rate is reduced from 82% to, for example, 75% or less, the one-pass fuel utilization rate will be reduced unless the temperature control section 24 controls the temperature of the power generation section 108. It decreased from 51% to 41%, and the temperature of the power generation section 108 dropped, so that the power generation output could not be maintained. On the other hand, by controlling the temperature of the power generation unit 108 by the temperature control unit 24 and setting the one-pass utilization rate to, for example, 45% or more, the temperature of the power generation unit 108 and the power generation output could be maintained.

図7では第1所定温度が第2所定温度よりも高いが、これらは逆であってもよい。すなわち、受信部22で受けた温度情報が750℃以下であった場合に水蒸気制御部26での制御が行われ、受信部22で受けた温度情報が740℃以下であった場合に再循環制御部25での制御が行われるようにしてもよい。ただし、水蒸気の生成にはエネルギーを要するため、再循環制御部25での制御を優先させることで、効率よく発電部108の温度を制御できる。 Although the first predetermined temperature is higher than the second predetermined temperature in FIG. 7, these may be reversed. That is, when the temperature information received by the receiver 22 is 750° C. or lower, the control by the water vapor controller 26 is performed, and when the temperature information received by the receiver 22 is 740° C. or lower, the recirculation control is performed. The control in the unit 25 may be performed. However, since the generation of water vapor requires energy, the temperature of the power generation unit 108 can be efficiently controlled by giving priority to the control by the recirculation control unit 25.

図7では第1所定温度が第2所定温度よりも高いが、これらは逆であってもよい。すなわち、受信部22で受けた温度情報が750℃以下であった場合に水蒸気制御部26での制御が行われ、受信部22で受けた温度情報が740℃以下であった場合に再循環制御部25での制御が行われるようにしてもよい。 Although the first predetermined temperature is higher than the second predetermined temperature in FIG. 7, these may be reversed. That is, when the temperature information received by the reception unit 22 is 750° C. or lower, the control by the water vapor control unit 26 is performed, and when the temperature information received by the reception unit 22 is 740° C. or lower, the recirculation control is performed. The control in the unit 25 may be performed.

図8の(a)〜(e)は、燃料電池−水素製造システムの水素製造モード時の運転条件を説明するグラフである。図8の(a)は、発電出力の推移を示すグラフである。同図において、縦軸は発電出力、横軸は水素製造流量を示す。図8の(b)は、燃料ガス流量の推移を示すグラフである。同図において、縦軸は燃料ガス流量、横軸は水素製造流量を示す。図8の(c)は、排燃料ガスの再循環流量の推移を示すグラフである。同図において、縦軸は再循環流量、横軸は水素製造流量を示す。図8の(d)は、蒸気流量の推移を示すグラフである。同図において、縦軸は蒸気流量、横軸は水素製造流量を示す。図8の(e)は、燃料ガス入口側発電部108aに供給されるガスにおけるS/Cの推移を示すグラフである。同図において、縦軸はS/C、横軸は水素製造流量を示す。 8A to 8E are graphs for explaining operating conditions in the hydrogen production mode of the fuel cell-hydrogen production system. FIG. 8A is a graph showing the transition of power generation output. In the figure, the vertical axis represents the power generation output, and the horizontal axis represents the hydrogen production flow rate. FIG. 8B is a graph showing the transition of the fuel gas flow rate. In the figure, the vertical axis represents the fuel gas flow rate, and the horizontal axis represents the hydrogen production flow rate. FIG. 8C is a graph showing the transition of the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas. In the figure, the vertical axis represents the recirculation flow rate, and the horizontal axis represents the hydrogen production flow rate. FIG. 8D is a graph showing the transition of the steam flow rate. In the figure, the vertical axis represents the steam flow rate and the horizontal axis represents the hydrogen production flow rate. FIG. 8E is a graph showing the transition of S/C in the gas supplied to the fuel gas inlet side power generation unit 108a. In the figure, the vertical axis represents S/C and the horizontal axis represents hydrogen production flow rate.

図8の(a)〜(e)で横軸の水素製造流量の紙面左端は、水素製造流量=0を示しており、発電モードにある場合に相当する。水素製造モードへ切り替えて横軸の水素製造流量を増加させても、(a)の発電出力を低下させることがない。これには図8の(b)の燃料ガス流量、(c)の排燃料ガスの再循環流量、(d)の水蒸気流量、および(e)のS/Cを調整することで、セルスタック101の燃料ガス入口側温度が所定温度より低下してセルスタック101の温度分布が増加しないように制御することが可能となる。 In FIGS. 8A to 8E, the left end of the horizontal axis of the hydrogen production flow rate on the paper shows the hydrogen production flow rate=0, which corresponds to the case of the power generation mode. Even when switching to the hydrogen production mode and increasing the hydrogen production flow rate on the horizontal axis, the power generation output of (a) is not reduced. To this end, the cell stack 101 is adjusted by adjusting the fuel gas flow rate in FIG. 8B, the exhaust fuel gas recirculation flow rate in FIG. 8C, the water vapor flow rate in FIG. 8D, and the S/C in FIG. 8E. It is possible to control so that the temperature of the fuel gas inlet side does not decrease below a predetermined temperature and the temperature distribution of the cell stack 101 increases.

図8の(a)〜(e)における矢印(↓)は、バルブV及びバルブVが流量調整量弁の場合は、徐々に開度を上げていき所定の開度となったタイミングであり、バルブV及びバルブVが遮断弁の場合は、運転モード制御部23がバルブVを開き、バルブVを閉じたタイミングである。排燃料ガス(FG3)の流路が切り替わると、排燃料中に水素、一酸化炭素、水蒸気が含まれ、一酸化炭素と水蒸気がシフト反応器18で反応し、水素が製造される。よって、燃料ガス流量を増加させなくても、水素製造流量はある程度増加する。 The arrows (↓) in (a) to (e) of FIG. 8 indicate the timing when the valve V 1 and the valve V 2 are the flow rate adjustment amount valves and the opening degree is gradually increased to reach a predetermined opening degree. There, in the case of valve V 1 and valve V 2 is shut-off valve, the operation mode control unit 23 opens the valve V 2, a timing of closing the valve V 1. When the flow path of the exhaust fuel gas (FG3) is switched, hydrogen, carbon monoxide, and steam are contained in the exhaust fuel, and carbon monoxide and steam react in the shift reactor 18 to produce hydrogen. Therefore, the hydrogen production flow rate increases to some extent without increasing the fuel gas flow rate.

更に水素製造流量を増やすためには、燃料ガス流量を増やしてワンパス燃料利用率を下げる。燃料ガス流量を増加させると、水素製造流量も増えるが、排燃料ガス中の炭化水素濃度が高くなり、燃料ガス入口側発電部108aでの改質吸熱量が増え、燃料ガス入口側発電部108aや発電部108の温度を低下させることになる。これらを防止するため、再循環流量を減らすとともに、水蒸気流量を増やす。燃料ガス流量を増加させると、S/Cが低下する。S/Cを下げすぎると発電部108で炭素が析出する恐れがある。またS/Cを下げると排燃料ガス中の炭化水素濃度が増加し、改質吸熱量が増え、発電部108での温度分布が大きくなる。そのためS/Cは下げ過ぎないように略一定とするとよい。 In order to further increase the hydrogen production flow rate, the fuel gas flow rate is increased to reduce the one-pass fuel utilization rate. When the fuel gas flow rate is increased, the hydrogen production flow rate is also increased, but the hydrocarbon concentration in the exhaust fuel gas is increased, the reforming endothermic amount in the fuel gas inlet side power generation section 108a is increased, and the fuel gas inlet side power generation section 108a is increased. Therefore, the temperature of the power generation unit 108 is lowered. To prevent these, the recirculation flow rate is reduced and the steam flow rate is increased. When the fuel gas flow rate is increased, the S/C decreases. If S/C is lowered too much, carbon may precipitate in the power generation unit 108. Further, if S/C is lowered, the hydrocarbon concentration in the exhaust fuel gas increases, the reforming endothermic amount increases, and the temperature distribution in the power generation unit 108 becomes wider. Therefore, it is advisable to keep the S/C substantially constant so as not to lower it too much.

図8の(b)〜(e)のように燃料ガス流量、再循環流量、水蒸気流量を制御することで、図8の(a)のように発電出力を一定にしながら、水素を製造できる。 By controlling the fuel gas flow rate, the recirculation flow rate, and the steam flow rate as shown in (b) to (e) of FIG. 8, hydrogen can be produced while keeping the power generation output constant as shown in (a) of FIG.

1 複合発電システム
2 燃料電池−水素製造システム
3 ガスタービンシステム
4 排熱回収部
11a 燃料ガス供給源
11b 燃料ガス供給経路
12 酸化性ガス供給経路
13 排燃料ガス経路
14 排酸化性ガス経路
15a 再循環ブロワ
15b 再循環経路
16a 水蒸気供給源
16b 水蒸気供給経路
17 制御装置
18 シフト反応器
19 水分離器
20 水素精製装置
21 燃料電池自動車
22 受信部
23 運転モード制御部
24 温度制御部
25 再循環制御部
26 水蒸気制御部
27 燃料制御部
31 空気圧縮機
32 燃焼器
33 マイクロガスタービン
34 再生熱交換器
35 発電機
101 セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
108 発電部
108a 燃料ガス入口側発電部
109 燃料極
111 固体電解質
113 空気極
115 リード膜
201 SOFCモジュール
203 SOFCカートリッジ
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
207a 燃料ガス供給枝管
209 燃料ガス排出管
209a 燃料ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給室
219 燃料ガス排出室
225a 上部管板
225b 下部管板
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 燃料ガス供給孔
231b 燃料ガス排出孔

1 Integrated Power Generation System 2 Fuel Cell-Hydrogen Production System 3 Gas Turbine System 4 Exhaust Heat Recovery Section 11a Fuel Gas Supply Source 11b Fuel Gas Supply Path 12 Oxidizing Gas Supply Path 13 Exhaust Fuel Gas Path 14 Exhaust Oxidizing Gas Path 15a Recirculation Blower 15b Recirculation path 16a Steam supply source 16b Steam supply path 17 Controller 18 Shift reactor 19 Water separator 20 Hydrogen purifier 21 Fuel cell vehicle 22 Receiver 23 Operating mode controller 24 Temperature controller 25 Recirculation controller 26 Water vapor control unit 27 Fuel control unit 31 Air compressor 32 Combustor 33 Micro gas turbine 34 Regenerative heat exchanger 35 Generator 101 Cell stack 103 Base tube 105 Fuel cell 107 Interconnector 108 Power generation unit 108a Fuel gas inlet side power generation unit 109 Fuel electrode 111 Solid electrolyte 113 Air electrode 115 Lead film 201 SOFC module 203 SOFC cartridge 205 Pressure vessel 207 Fuel gas supply pipe 207a Fuel gas supply branch pipe 209 Fuel gas discharge pipe 209a Fuel gas discharge branch pipe 215 Power generation chamber 217 Fuel gas supply chamber 219 Fuel gas discharge chamber 225a Upper tube plate 225b Lower tube plate 229a Upper casing 229b Lower casing 231a Fuel gas supply hole 231b Fuel gas discharge hole

Claims (14)

燃料ガスと酸化性ガスとの反応により発電するセルを有する発電部と、
前記燃料ガスを前記発電部に供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する温度計測部と、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する温度制御部と、
水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる運転モード制御部と、
前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料ガス供給部に再循環させる再循環部と、
を備え、
前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する再循環制御部を含み、
前記再循環制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させる機能を備えている燃料電池−水素製造システム。
A power generation unit having a cell that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas,
A fuel gas supply unit for supplying the fuel gas to the power generation unit;
An oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas to the power generation unit,
A steam supply unit for supplying steam to the fuel gas supply unit;
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating unit installed on the fuel gas inlet side of the power generating unit,
A temperature control unit for controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit,
In response to a hydrogen production command, an operation mode control unit that increases the flow rate of the fuel gas,
A recirculation unit for recirculating at least a part of the exhaust fuel gas discharged from the power generation unit to the fuel gas supply unit;
Equipped with
It said temperature control unit comprises a recirculation control unit for controlling the recirculation flow of the exhaust fuel gas in accordance with the temperature of the fuel gas inlet-side power generation section measured by the temperature measuring section,
The recirculation control unit has a function of reducing the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than a predetermined temperature. system.
燃料ガスと酸化性ガスとの反応により発電するセルを有する発電部と、
前記燃料ガスを前記発電部に供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する温度計測部と、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する温度制御部と、
水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる運転モード制御部と、
を備え、
前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する水蒸気制御部を含み、
前記水蒸気制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記水蒸気の流量を設定流量分、増加させる機能を備えている燃料電池−水素製造システム。
A power generation unit having a cell that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas,
A fuel gas supply unit for supplying the fuel gas to the power generation unit;
An oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas to the power generation unit,
A steam supply unit for supplying steam to the fuel gas supply unit;
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating unit installed on the fuel gas inlet side of the power generating unit,
A temperature control unit for controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit,
In response to a hydrogen production command, an operation mode control unit that increases the flow rate of the fuel gas,
Equipped with
The temperature control unit includes a steam control unit that controls the flow rate of the steam according to the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit measured by the temperature measurement unit,
The steam control unit, wherein when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation part is a predetermined temperature or less, the flow rate set flow amount of the steam, fuel cells that have the ability to increase - hydrogen production system.
燃料ガスと酸化性ガスとの反応により発電するセルを有する発電部と、
前記燃料ガスを前記発電部に供給する燃料ガス供給部と、
前記発電部に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給部と、
前記燃料ガス供給部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する温度計測部と、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する温度制御部と、
水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる運転モード制御部と、
前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記燃料ガス供給部に再循環させる再循環部と、
を備え、
前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する再循環制御部、および、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する水蒸気制御部を含み、
前記再循環制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が第1所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させる機能を備え、
前記水蒸気制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が第2所定温度以下である場合に、前記水蒸気の流量を設定流量分、増加させる機能を備え、
前記第1所定温度は第2所定温度と異なる温度である燃料電池−水素製造システム。
A power generation unit having a cell that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidizing gas,
A fuel gas supply unit for supplying the fuel gas to the power generation unit;
An oxidizing gas supply unit that supplies the oxidizing gas to the power generation unit,
A steam supply unit for supplying steam to the fuel gas supply unit;
A temperature measuring unit that measures the temperature of the fuel gas inlet side power generating unit installed on the fuel gas inlet side of the power generating unit,
A temperature control unit for controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit,
In response to a hydrogen production command, an operation mode control unit that increases the flow rate of the fuel gas,
A recirculation unit for recirculating at least a part of the exhaust fuel gas discharged from the power generation unit to the fuel gas supply unit;
Equipped with
The temperature control unit controls the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas according to the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit measured by the temperature measurement unit, and the temperature measurement unit measures the temperature. A steam control unit that controls the flow rate of the steam according to the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit;
The recirculation control unit has a function of reducing the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than a first predetermined temperature,
The water vapor control unit has a function of increasing the flow rate of the water vapor by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit is equal to or lower than a second predetermined temperature,
Wherein the first predetermined temperature is a temperature der Ru fuel cell different from the second predetermined temperature - hydrogen production system.
前記第1所定温度が、前記第2所定温度よりも高い温度である請求項に記載の燃料電池−水素製造システム。 The fuel cell-hydrogen production system according to claim 3 , wherein the first predetermined temperature is higher than the second predetermined temperature. 前記温度制御部が、前記温度計測部で計測した前記燃料ガス入口側発電部の温度が第3所定温度以下である場合に、前記燃料ガスの流量の増加を停止するよう制御する燃料制御部を含み、前記第3所定温度は、前記第1所定温度および前記第2所定温度よりも低い温度である請求項または請求項に記載の燃料電池−水素製造システム。 A fuel control unit that controls the temperature control unit to stop increasing the flow rate of the fuel gas when the temperature of the fuel gas inlet side power generation unit measured by the temperature measurement unit is equal to or lower than a third predetermined temperature. wherein said third predetermined temperature, the fuel cell according to claim 3 or claim 4 wherein the first is a predetermined temperature and said second temperature lower than the predetermined temperature - hydrogen production system. 前記燃料制御部は、前記燃料ガス入口側発電部の温度が第4所定温度以下である場合に、前記燃料ガスの流量を設定流量分、低減させる機能を備え、前記第4所定温度が前記第3所定温度よりも低い温度である請求項に記載の燃料電池−水素製造システム。 The fuel control unit has a function of reducing the flow rate of the fuel gas by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation section is equal to or lower than a fourth predetermined temperature, and the fourth predetermined temperature is equal to the fourth predetermined temperature. 3. The fuel cell-hydrogen production system according to claim 5 , wherein the temperature is lower than a predetermined temperature. 警告を発する警告部を有し、
前記燃料制御部が、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第4所定温度以下である場合に前記警告を発し、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第3所定温度を超えると該警告を解除するよう前記警告部を制御する機能を備えている請求項に記載の燃料電池−水素製造システム。
Has a warning part that issues a warning,
The fuel control unit, the warning issued when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit is equal to or less than the fourth predetermined temperature, the temperature of the fuel gas inlet-side power generation part exceeds the third predetermined temperature the The fuel cell-hydrogen production system according to claim 6 , further comprising a function of controlling the warning unit to cancel a warning.
発電部に炭化水素と水蒸気とを供給して吸熱反応させ、水素と一酸化炭素を生成する工程と、
前記発電部に該水素と該一酸化炭素を含む燃料ガスと酸化性ガスとを供給して発電させる工程と、
前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する工程と、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程と、
水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる工程と、
前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記発電部の上流側に再循環させる工程と、
を備え、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程が、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する制御工程Aを含み、
前記制御工程Aでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させる燃料電池−水素製造システムの運転方法。
A step of supplying hydrocarbon and steam to the power generation section to cause an endothermic reaction to generate hydrogen and carbon monoxide;
Supplying a fuel gas containing the hydrogen and the carbon monoxide and an oxidizing gas to the power generation unit to generate power;
A step of measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating section installed on the fuel gas inlet side of the power generating section;
Controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section,
Receiving a command for hydrogen production, increasing the flow rate of the fuel gas,
Recirculating at least a part of the exhausted fuel gas discharged from the power generation unit to the upstream side of the power generation unit;
Equipped with
Step of controlling the temperature of said fuel gas inlet-side power generation unit comprises a control step A for controlling the recirculation flow of the exhaust fuel gas in accordance with the measured temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit,
In the control step A, a method of operating a fuel cell-hydrogen production system , which reduces the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas by a set flow rate when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than a predetermined temperature .
発電部に炭化水素と水蒸気とを供給して吸熱反応させ、水素と一酸化炭素を生成する工程と、
前記発電部に該水素と該一酸化炭素を含む燃料ガスと酸化性ガスとを供給して発電させる工程と、
前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する工程と、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程と、
水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる工程と、
を備え、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程が、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する制御工程Bを含み、 前記制御工程Bでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が所定温度以下である場合に、前記水蒸気の流量を設定流量分、増加させる燃料電池−水素製造システムの運転方法。
A step of supplying hydrocarbon and steam to the power generation section to cause an endothermic reaction to generate hydrogen and carbon monoxide;
Supplying a fuel gas containing the hydrogen and the carbon monoxide and an oxidizing gas to the power generation unit to generate power;
A step of measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating section installed on the fuel gas inlet side of the power generating section;
Controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section,
Receiving a command for hydrogen production, increasing the flow rate of the fuel gas,
Equipped with
The step of controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section includes a control step B of controlling the flow rate of the water vapor according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation section, and in the control step B, the fuel gas when the temperature of the inlet-side power generation part is a predetermined temperature or less, the flow rate set flow amount of the steam, fuel cell Ru increases - the method of operating the hydrogen manufacturing system.
発電部に炭化水素と水蒸気とを供給して吸熱反応させ、水素と一酸化炭素を生成する工程と、
前記発電部に該水素と該一酸化炭素を含む燃料ガスと酸化性ガスとを供給して発電させる工程と、
前記発電部のうちで燃料ガス入口側に設置される燃料ガス入口側発電部の温度を計測する工程と、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程と、
水素製造の指令を受けて、前記燃料ガスの流量を増加させる工程と、
前記発電部から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を前記発電部の上流側に再循環させる工程と、
を備え、
前記燃料ガス入口側発電部の温度を制御する工程が、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記排燃料ガスの再循環流量を制御する制御工程A、および、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度に応じて前記水蒸気の流量を制御する制御工程Bを含み、 第1所定温度と、前記第1所定温度とは異なる温度である第2所定温度を設定し、
前記制御工程Aでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第1所定温度以下である場合に、前記排燃料ガスの再循環流量を設定流量分、低減させ、
前記制御工程Bでは、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第2所定温度以下である場合に、前記水蒸気の流量を設定流量分、増加させる燃料電池−水素製造システムの運転方法。
A step of supplying hydrocarbon and steam to the power generation section to cause an endothermic reaction to generate hydrogen and carbon monoxide;
Supplying a fuel gas containing the hydrogen and the carbon monoxide and an oxidizing gas to the power generation unit to generate power;
A step of measuring the temperature of the fuel gas inlet side power generating section installed on the fuel gas inlet side of the power generating section;
Controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section,
Receiving a command for hydrogen production, increasing the flow rate of the fuel gas,
Recirculating at least a part of the exhausted fuel gas discharged from the power generation unit to the upstream side of the power generation unit;
Equipped with
The step of controlling the temperature of the fuel gas inlet side power generation section controls the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas according to the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation section, and the fuel gas inlet side Including a control step B for controlling the flow rate of the water vapor according to the measured temperature of the power generation unit, and setting a first predetermined temperature and a second predetermined temperature which is a temperature different from the first predetermined temperature,
In the control step A, when the temperature of the fuel gas inlet side power generation part is equal to or lower than the first predetermined temperature, the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas is reduced by a set flow rate,
In the control step B, wherein when the temperature of the fuel gas inlet-side power generation unit is equal to or less than the second predetermined temperature, the flow rate set flow amount of the steam, fuel cell Ru increases - the method of operating the hydrogen manufacturing system.
前記第1所定温度を、前記第2所定温度よりも高い温度とする請求項10に記載の燃料電池−水素製造システムの運転方法。 The method for operating a fuel cell-hydrogen production system according to claim 10 , wherein the first predetermined temperature is higher than the second predetermined temperature. 前記第1所定温度および前記第2所定温度よりも低い温度である第3所定温度を設定し、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度が前記第3所定温度以下である場合に、前記燃料ガスの流量の増加を停止するよう制御する工程を含む請求項10または請求項11に記載の燃料電池−水素製造システムの運転方法。 When a third predetermined temperature that is lower than the first predetermined temperature and the second predetermined temperature is set and the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation unit is equal to or lower than the third predetermined temperature, the fuel gas The method for operating the fuel cell-hydrogen production system according to claim 10 or 11 , further comprising the step of controlling to stop the increase of the flow rate of the fuel cell. 前記第3所定温度よりも低い温度である第4所定温度を設定し、前記燃料ガス入口側発電部の計測温度が第4所定温度以下である場合に、前記燃料ガス流量を設定流量分、低減させる請求項12に記載の燃料電池−水素製造システムの運転方法。 When a fourth predetermined temperature which is lower than the third predetermined temperature is set and the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation part is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, the flow rate of the fuel gas is set by a set flow rate, The method for operating a fuel cell-hydrogen production system according to claim 12 , wherein the fuel cell is reduced. 前記燃料ガス入口側発電部の計測温度が前記第4所定温度以下である場合に警告を発し、前記燃料ガス入口側発電部の温度が前記第3所定温度を超えると該警告を解除する請求項13に記載の燃料電池−水素製造システムの運転方法。 A warning is issued when the measured temperature of the fuel gas inlet side power generation section is equal to or lower than the fourth predetermined temperature, and the warning is canceled when the temperature of the fuel gas inlet side power generation section exceeds the third predetermined temperature. 13. The method for operating the fuel cell-hydrogen production system according to item 13 .
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