JP7116651B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、原燃料を改質した改質燃料ガス及び酸化材ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system having a cell stack that generates power by oxidation and reduction of a reformed fuel gas obtained by reforming a raw fuel and an oxidant gas.

従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを収納容器内に収納した固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気(酸化材ガス)中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この燃料電池セルの作動温度は約700~1000℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス(改質燃料ガス)中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。 2. Description of the Related Art Conventionally, solid oxide fuel cell systems in which a solid oxide cell stack using a solid electrolyte as a membrane that conducts oxide ions is housed in a container have been known. In this solid oxide fuel cell system, the cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cells, and a fuel electrode for oxidizing fuel gas is provided on one side of the solid electrolyte in each fuel cell, An oxygen electrode for reducing oxygen in the air (oxidant gas) is provided on the other side. The operating temperature of this fuel cell is relatively high, about 700 to 1000°C. Electricity is generated by causing an electrochemical reaction.

家庭用の小型燃料電池システムとしては、代表的なものとして固体酸化物形燃料電池システム(所謂、SOFC)、固体高分子形燃料電池システム(所謂、PEFC)などがある。この固体高分子形燃料電池システム(PEFC)では、家庭の温水需要に対して、燃料電池システムからの回収熱(換言すると、貯湯タンクに蓄えられる温水)のバランスを監視して、燃料電池システムの運転を停止させたり、その発電出力を絞ったりする運転制御が行われる。また、固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)では、システムの発電効率が高く、熱と発電出力との比が小さいことから、熱需要の多寡にかかわらず電気需要に追従するように運転制御が行われる。そして、このような運転制御は、セルスタックの発電温度(所謂、作動温度)が高いために、頻繁な起動停止に向いていないことにも起因している。 Typical small fuel cell systems for domestic use include a solid oxide fuel cell system (so-called SOFC) and a polymer electrolyte fuel cell system (so-called PEFC). In this polymer electrolyte fuel cell system (PEFC), the balance of the heat recovered from the fuel cell system (in other words, hot water stored in the hot water tank) is monitored with respect to the domestic hot water demand, and the fuel cell system Operation control is performed to stop the operation or restrict the power generation output. In addition, the solid oxide fuel cell system (SOFC) has high power generation efficiency and a small ratio of heat to power output. done. This type of operation control is also not suitable for frequent starting and stopping due to the high power generation temperature (so-called operating temperature) of the cell stack.

この固体酸化物形燃料電池システムでは、基本的に昼夜連続運転が行われ、熱利用に関しては、貯湯タンクが活用され、貯湯タンクに貯湯された温水を熱需要に対応させることにより、高い運転効率を保っている。現状の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、700W程度の発電出力規模でも高い発電効率を得ることができ、2018年時点で市販されている家庭用の固体酸化物形燃料電池システムでは、定格発電効率が52%程度(AC送電端、低位発熱量基準)となっている。発電効率が高いと、熱需要の少ない住宅に設置しても設置者は経済的メリットが得られ対象市場の拡大が見込めるので、発電効率の向上が貯湯タンクの小型化とセットで市場拡大策として推進されている。今後、さらに発電向上が向上すれば、熱利用なし、もしくは貯湯タンクなしの簡易な熱利用形態で、設置者は経済的メリット、環境性が得られることになり、発電効率の一層の向上が重要となっている。 This solid oxide fuel cell system basically operates continuously day and night, and with regard to heat utilization, a hot water storage tank is used. keeps In the current solid oxide fuel cell system, high power generation efficiency can be obtained even at a power generation output scale of about 700 W. The efficiency is about 52% (AC sending end, lower heating value standard). If the power generation efficiency is high, the installer will be able to obtain economic benefits even if it is installed in a house with little heat demand, and the target market can be expected to expand. being promoted. In the future, if the power generation is further improved, the installer will be able to obtain economic benefits and environmental friendliness with a simple heat utilization form that does not use heat or does not require a hot water storage tank, so it is important to further improve power generation efficiency. It has become.

家庭用システムとしても適した固体酸化物形燃料電池システムとして、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極(空気極)側に酸化材ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温空間に収容されているものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A solid oxide fuel cell system suitable for home use includes a reformer for steam reforming the raw fuel gas, and oxidation of the reformed fuel gas reformed by the reformer and the oxidant gas. and a cell stack for generating power by reduction, an air supply means for supplying air as an oxidant gas to the oxygen electrode (air electrode) side of the cell stack, and a fuel for supplying raw fuel gas to the reformer A gas supply means is provided, and a cell stack and a reformer are housed in a high-temperature space in which a high temperature is maintained (see, for example, Patent Document 1).

この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側に燃焼域が設けられ、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。そして、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの空気極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応により発電が行われる。セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)及び空気極側からの空気オフガス(即ち、カソードオフガス)は燃焼域に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。 In this solid oxide fuel cell system, a combustion zone is provided above the cell stack, and a reformer is arranged above this combustion zone. The reformed fuel gas from the reformer is supplied to the fuel electrode side of the cell stack, the air from the air supply means is supplied to the air electrode side of the cell stack, and the electrochemical reaction in the cell stack generates electricity. is done. Fuel off-gas from the fuel electrode side of the cell stack (that is, anode off-gas) and air off-gas from the air electrode side (that is, cathode off-gas) are fed to the combustion zone and burned, and the combustion heat is used to create a high-temperature space. is maintained at a high temperature, and the reformer and the like are heated.

固体酸化物形燃料電池システムとして、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、専用の燃焼器を備えたものも提案されている(例えば、特許文献2参照)。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス(アノードオフガス)が燃料オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの空気極側からの空気オフガス(カソードオフガス)が空気オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器において燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。 As a solid oxide fuel cell system, instead of providing a combustion zone on the upper side of the cell stack, there has also been proposed a system provided with a dedicated combustor (see, for example, Patent Document 2). In this solid oxide fuel cell system, fuel off-gas (anode off-gas) from the fuel electrode side of the cell stack is supplied to the combustor through the fuel off-gas supply channel, and air off-gas from the air electrode side of the cell stack is supplied to the combustor. (Cathode off-gas) is fed to the combustor through the air off-gas feeding channel, where the fuel off-gas is combusted by the air off-gas, and the combustion heat is used to keep the high-temperature space at a high temperature, The reformer and the like are heated.

このような固体酸化物燃料電池システムの発電効率は、燃料電池セルの平均発電電圧と燃料利用率との積にほぼ比例しており、この燃料利用率を高めていくと、燃料電池セルの燃料極側ガス中の水素(H)が消費されて水(HO)が生成されていく。一般的に、固体酸化物形の燃料電池セルの燃料極は、金属ニッケル粒子がセラミックス粒子とともに存在するサーメット(金属ニッケルとセラミックスの混合物)が用いられており、それ故に、燃料利用率を高めて水に対する水素の比率(H/HO)が高まっていくと、金属ニッケル粒子が酸化しはじめることになる。燃料電池セルの燃料極側の金属ニッケル粒子が酸化すると、その電気抵抗が増大するので、燃料電池セルの燃料極側出口付近では発電が行われなくなり、これにより、燃料電池セルの燃料極側のニッケル粒子が酸化する領域が広がり、発電が困難な領域が拡大していくことになる。 The power generation efficiency of such a solid oxide fuel cell system is approximately proportional to the product of the average generated voltage of the fuel cell and the fuel utilization rate. Hydrogen (H 2 ) in the pole-side gas is consumed to produce water (H 2 O). In general, the fuel electrode of a solid oxide fuel cell uses a cermet (a mixture of metallic nickel and ceramics) in which metallic nickel particles are present together with ceramic particles. As the hydrogen to water ratio (H 2 /H 2 O) increases, the metallic nickel particles will begin to oxidize. When the metal nickel particles on the fuel electrode side of the fuel cell are oxidized, their electrical resistance increases, so that no power is generated in the vicinity of the fuel electrode side exit of the fuel cell. The area where nickel particles are oxidized will expand, and the area where power generation will be difficult will expand.

一方、このように酸化した燃料極は、発電時の他の条件(部分負荷運転状態、起動状態、停止状態など)において還元されて再びニッケル状態に戻り、このニッケル粒子の酸化及び還元が繰り返し行われ、この繰返し回数が多くなると、燃料電池セルの燃料極側材料に寸法変化が生じるおそれがある。この燃料極側材料に寸法変化が生じると、この燃料極と接合されている固体電解質に割れが生じ、その割れが原因となって剥離が起こり、セルスタックが破損に至るおそれが生じる。このようなことから、固体酸化物燃料電池システムの燃料利用率を高めることは、システムの発電効率を高めるためには必要であるが、高すぎるとセルスタックのダメージを招くおそれが生じる。 On the other hand, the fuel electrode thus oxidized is reduced under other conditions during power generation (partial load operation state, start state, stop state, etc.) and returns to the nickel state, and the nickel particles are repeatedly oxidized and reduced. However, if the number of repetitions increases, there is a risk that the material on the fuel electrode side of the fuel cell will undergo dimensional changes. If the material on the fuel electrode side undergoes a dimensional change, cracks will occur in the solid electrolyte that is joined to the fuel electrode. For this reason, it is necessary to increase the fuel utilization rate of the solid oxide fuel cell system in order to increase the power generation efficiency of the system, but if it is too high, the cell stack may be damaged.

また、反応平衡上、固体酸化物形の燃料電池セル(セルスタック)の作動温度範囲においては、水素(H):水(H0)が5:95より水素(H)が少ないと酸化することが知られている。実際には、燃料電池セルの電解質/燃料極界面で発電によって水蒸気が生成されるので、バルク(ガス流路)よりも電解質/燃料極界面ではH/H0の値が下がる傾向にある。更に、燃料ガスの各燃料電池セルへの分配状態、燃料電池セル内での燃料ガス分配状態といったものも加わって、実際に使える燃料利用率の上限は、水素(H):水(H0)が5:95になるよりもかなり低い燃料利用率に制限されている。 In addition, in terms of reaction equilibrium, in the operating temperature range of the solid oxide fuel cell (cell stack), if hydrogen (H 2 ):water (H 2 0) is less than 5:95, hydrogen (H 2 ) is known to oxidize. In fact, since water vapor is generated by power generation at the electrolyte/anode interface of the fuel cell, the H 2 /H 2 0 value tends to be lower at the electrolyte/anode interface than in the bulk (gas flow path). . In addition, the distribution state of the fuel gas to each fuel cell and the distribution state of the fuel gas within the fuel cell are also added, and the upper limit of the fuel utilization rate that can actually be used is hydrogen (H 2 ):water (H 2 0) is limited to much lower fuel utilization than 5:95.

固体酸化物形燃料電池システムの燃料利用率を向上させる方法としては、セルスタックで発電に使われた燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)の一部をセルスタックの供給側に戻し、この戻した燃料オフガスを燃料ガスに混合させて再びセルスタックに供給することがよく知られている。この場合、燃料オフガスに含まれる二酸化炭素(CO2)や水(H2O)を除去することにより、更に燃料電池システムの燃料利用率を高くすることができることが知られている(例えば、特許文献3参照)。 As a method for improving the fuel utilization rate of a solid oxide fuel cell system, part of the fuel offgas (that is, anode offgas) used for power generation in the cell stack is returned to the supply side of the cell stack, and this returned fuel is It is well known to mix the off-gas with the fuel gas and feed it back to the cell stack. In this case, it is known that the fuel utilization rate of the fuel cell system can be further increased by removing carbon dioxide (CO2) and water (H2O) contained in the fuel off-gas (see, for example, Patent Document 3). ).

特開2005-285340号公報JP-A-2005-285340 特開2008-21596号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2008-21596 特許第2981571号公報Japanese Patent No. 2981571

しかしながら、特許文献3の燃料電池システムは、数十KW以上の発電出力を想定した構成であって、家庭用コージェネレーションシステムなどに用いる数百W程度の燃料電池システムでは、どのようにして燃料オフガス(アノードオフガス)を燃料ガスの供給側に戻すか、燃料オフガスのリサイクル率をどのように把握するかなどが課題となる。尚、この明細書全体を通して、リサイクル率とは、セルスタックの燃料極側は流出する燃料オフガスのうち燃料ガスの供給側に戻される比率であり、例えば、セルスタックから流出するアノードオフガスの30%が燃料供給側に戻され、残りの70%が下流に流れるように配分される場合、リサイクル率30%と表現している。 However, the fuel cell system of Patent Document 3 is configured assuming a power generation output of several tens of KW or more. (Anode off-gas) is returned to the fuel gas supply side, and how to grasp the recycling rate of the fuel off-gas. Throughout this specification, the recycling rate is the ratio of the fuel off-gas flowing out of the fuel electrode side of the cell stack that is returned to the fuel gas supply side. is returned to the fuel supply side, and the remaining 70% is distributed so as to flow downstream, the recycling rate is expressed as 30%.

このリサイクル率は、リサイクル流路、気化器・改質器からセルスタックまでの流路及びセルスタックから大気排出に至る流路などの流路の圧力損失特性並びに燃料ガス供給手段(例えば、燃料ガスポンプ)の作動により生じる上流側の負圧などによって決定され、このリサイクル率が高いと燃料利用率を高く設定することが可能となる。しかし、リサイクル率が低い状態であるのに、セルスタックの燃料利用率を高く設定すると、燃料利用率が高くなり過ぎ、このことが原因となって、セルスタックの寿命短縮につながるおそれがある。 This recycling rate is determined by the pressure loss characteristics of the flow path such as the recycling flow path, the flow path from the vaporizer/reformer to the cell stack, and the flow path from the cell stack to the atmosphere, and the fuel gas supply means (e.g., fuel gas pump). ), and the higher the recycling rate, the higher the fuel utilization rate can be set. However, if the fuel utilization rate of the cell stack is set high while the recycling rate is low, the fuel utilization rate becomes too high, which may lead to a shortened life of the cell stack.

家庭用コージェネレーションシステムなどに用いられる小型の燃料電池システムは一台あたりの発電出力は小さいが、多くの家庭に採用されるとその設置台数が多くなるため、メンテナンスフリーであることが商品力のためには重要とされている。2016年時点での家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、固体高分子形燃料電池システム(PEFC)や固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)はほぼ10年間メンテナンスフリーの仕様として国内販売されている。10年にわたる長期間の動作においては、気化器内に改質用水に含まれる微量不純物のスケール析出や、改質器内の触媒割れといったことが起こり、これら原因となって閉塞には至らないが初期状態よりも圧力損失が増大することが往々にして生じる。このようなことが原因で圧力損失が増大すると、燃料オフガスのリサイクル率が初期よりも低下することになる。また、固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの温度、空気流量といった状態量や操作条件によっても変化するので、これらもリサイクル率に影響を与える。このようなことから、燃料オフガスを燃料ガス供給手段の上流側に戻すようにした固体酸化物形燃料電池システムでは、適正な燃料利用率を保ちながら燃料オフガスをリサイクルするようにすることが望まれ、そのために簡易に燃料オフガスのリサイクル率を把握する方法の実現が望まれている。 Small fuel cell systems used in household cogeneration systems have a small power output per unit, but when used in many households, the number of units installed increases, so maintenance-free is one of the strengths of the product. is considered important for As of 2016, among domestic fuel cell cogeneration systems, polymer electrolyte fuel cell systems (PEFC) and solid oxide fuel cell systems (SOFC) have been sold domestically as maintenance-free specifications for about 10 years. During long-term operation over 10 years, scale deposition of trace impurities contained in the reforming water in the vaporizer and cracking of the catalyst in the reformer occur, and these causes do not lead to blockage. It often happens that the pressure loss increases from the initial state. If the pressure loss increases due to such factors, the recycling rate of the fuel off-gas will decrease from the initial level. In addition, in the solid oxide fuel cell system, the recycling rate is also affected by state variables such as cell stack temperature and air flow rate and operating conditions. For this reason, in a solid oxide fuel cell system in which the fuel off-gas is returned to the upstream side of the fuel gas supply means, it is desirable to recycle the fuel off-gas while maintaining an appropriate fuel utilization rate. For this reason, it is desired to realize a method for easily grasping the recycling rate of fuel off-gas.

本発明の目的は、圧力損失の変動に伴う燃料オフガスのリサイクル率の変動を把握し、このリサイクル率に合った燃料利用率に設定することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system that can grasp fluctuations in the recycling rate of fuel off-gas due to fluctuations in pressure loss and set a fuel utilization rate that matches this recycling rate. be.

本発明の請求項1記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、原燃料ガスの流量を計測するための燃料流量計測手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスを冷却するための冷却器と、前記冷却器にて冷却された後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記冷却器にて冷却された後の燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に配設されたリサイクル弁と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、燃料利用率を設定する燃料利用率設定手段及び前記燃料利用率を補正する燃料利用率補正手段を含み、前記燃料利用率補正手段は、前記リサイクル弁の開状態又は開度大状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デュ-ティ比及び前記リサイクル弁の閉状態又は開度小状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比に基づいて燃料利用率の補正を行うことを特徴とする。
A solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention comprises: a reformer for steam reforming raw fuel gas; a vaporizer for generating steam used for steam reforming; a cell stack for generating electricity by oxidation and reduction of the reformed fuel gas reformed in the reformer and oxygen in the air; fuel gas supply means for supplying the raw fuel gas to the reformer; and the cell stack an air supply means for supplying air to the cell stack, a fuel flow rate measuring means for measuring the flow rate of the raw fuel gas, a cooler for cooling the fuel off-gas after the power generation reaction in the cell stack, and the cooling a combustor for combusting the fuel off-gas after being cooled by the combustor and the air off-gas after the power generation reaction of the cell stack; A solid oxidizer comprising: a recycle channel for leading to an upstream side of a supply means; a recycle valve disposed in the recycle channel; and a controller for controlling operations of the fuel gas supply means and the air supply means. A physical fuel cell system,
The controller includes fuel utilization rate setting means for setting a fuel utilization rate and fuel utilization rate correcting means for correcting the fuel utilization rate. and the driving duty ratio of the fuel gas supply means in the closed state or the small opening state of the recycle valve.

また、本発明の請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、原燃料ガスの流量を計測するための燃料流量計測手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスを冷却するための冷却器と、前記リサイクル流路に配設されたリサイクル弁と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、燃料利用率を設定する燃料利用率設定手段及び前記燃料利用率を補正する燃料利用率補正手段を含み、前記燃料利用率補正手段は、前記リサイクル弁の開状態又は開度大状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デュ-ティ比及び前記リサイクル弁の閉状態又は開度小状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比に基づいて燃料利用率の補正を行うことを特徴とする。
Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention, a reformer for steam reforming raw fuel gas, a vaporizer for generating steam used for steam reforming, a cell stack that generates electricity by oxidation and reduction of the reformed fuel gas reformed by the reformer and oxygen in the air; a fuel gas supply means for supplying the raw fuel gas to the reformer; air supply means for supplying air to the cell stack; fuel flow rate measurement means for measuring the flow rate of the raw fuel gas; a combustor, a recycling passage for guiding part of the fuel off-gas to the upstream side of the fuel gas supply means, a cooler for cooling the fuel off-gas flowing through the recycling passage, and the recycling passage A solid oxide fuel cell system comprising a recycle valve disposed in and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means,
The controller includes fuel utilization rate setting means for setting a fuel utilization rate and fuel utilization rate correcting means for correcting the fuel utilization rate. and the driving duty ratio of the fuel gas supply means in the closed state or the small opening state of the recycle valve.

また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料利用率補正手段は、前記リサイクル弁の開閉前後又は開度大小前後における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より大きいときには燃料オフガスのリサイクル率が増加側に変動していると判定し、燃料利用率が大きくなるように補正し、また前記リサイクル弁の開閉前後又は開度大小前後における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比差が前記基準デューティ比差値より小さいときには燃料オフガスのリサイクル率が減少側に変動していると判定し、燃料利用率が小さくなるように補正することを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the fuel utilization rate correcting means corrects the driving duty ratio difference of the fuel gas supply means before and after opening and closing of the recycle valve or before and after the degree of opening of the recycle valve. is greater than the reference duty ratio difference value, it is determined that the fuel off-gas recycling rate is fluctuating on the increasing side, and the fuel utilization rate is corrected to increase. When the driving duty ratio difference of the fuel gas supply means is smaller than the reference duty ratio difference value, it is determined that the fuel off-gas recycling rate is fluctuating toward the decreasing side, and correction is made so that the fuel utilization rate becomes smaller. and

また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記リサイクル弁は、前記リサイクル流路を開閉するための弁体を備えた開閉弁から構成され、前記開閉弁の前記弁体をバイパスしてバイパス流路が設けられており、前記リサイクル流路に流れる燃料オフガスの一部が前記バイパス流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に流れることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 4 of the present invention, the recycle valve is composed of an on-off valve having a valve body for opening and closing the recycle flow path, and the on-off valve has the A bypass passage is provided to bypass the valve body, and part of the fuel off-gas flowing in the recycling passage flows upstream of the fuel gas supply means through the bypass passage.

また、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記リサイクル弁は、前記リサイクル流路を開閉するための弁体を備えた開閉弁から構成され、前記開閉弁の前記弁体に貫通孔が設けられており、前記リサイクル流路に流れる燃料オフガスの一部が前記弁体の前記貫通孔を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に流れることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the recycle valve is composed of an on-off valve having a valve body for opening and closing the recycle flow path, and the A through hole is provided in the valve body, and part of the fuel off-gas flowing in the recycling passage flows through the through hole of the valve body to the upstream side of the fuel gas supply means.

また、本発明の請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記リサイクル弁は、前記リサイクル流路を開閉制御するための弁体を備えた比例弁から構成され、前記弁体の開度小状態のときには、前記リサイクル流路に流れる燃料オフガスの一部が前記比例弁を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に流れることを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 6 of the present invention, the recycle valve is composed of a proportional valve provided with a valve body for controlling opening and closing of the recycle flow path, and the valve body A part of the fuel off-gas flowing through the recycle flow path flows upstream of the fuel gas supply means through the proportional valve when the opening is small.

更に、本発明の請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると、前記コントローラは、前記温度検知手段からの検知信号に基づいて前記リサイクル弁を開状態又は開度大状態とする制御を許容することを特徴とする。 Further, in the solid oxide fuel cell system according to claim 7 of the present invention, temperature detection means is provided in relation to the fuel gas supply means, and the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature. Further, the controller permits control of opening or large opening of the recycle valve based on a detection signal from the temperature detection means.

本発明の請求項1及び2に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの燃料極側に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段及びセルスタックの空気極側に酸化材としての空気を供給するための空気供給手段の作動を制御するためのコントローラを備え、コントローラは、燃料利用率を設定する燃料利用率設定手段及び燃料利用率を補正する燃料利用率補正手段を含んでおり、この燃料利用率補正手段は、リサイクル弁の開状態(又は開度大状態)における燃料ガス供給手段の駆動デュ-ティ比及びリサイクル弁の閉状態(又は開度小状態)における燃料ガス供給手段の駆動デューティ比に基づいて燃料利用率を補正するので、燃料オフガスのリサイクル率の変動に合った燃料利用率に補正し、システムに適合した高燃料利用率で運転を行うことができる。 According to the solid oxide fuel cell system according to claims 1 and 2 of the present invention, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode side of the cell stack and oxidant to the air electrode side of the cell stack are provided. A controller for controlling the operation of the air supply means for supplying air as a The fuel utilization rate correcting means determines the drive duty ratio of the fuel gas supply means when the recycle valve is open (or when the degree of opening is large) and the fuel gas when the recycle valve is closed (or when the degree of opening is small). Since the fuel utilization rate is corrected based on the drive duty ratio of the supply means, the fuel utilization rate can be corrected to match fluctuations in the fuel off-gas recycling rate, and operation can be performed at a high fuel utilization rate suitable for the system.

また、本発明の請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料利用率補正手段は、リサイクル弁の開閉前後(又は開度大小前後)における燃料ガス供給手段の駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より大きいときには燃料利用率が大きくなるように補正し、またリサイクル弁の開閉前後(又は開度大小前後)における燃料ガス供給手段の駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より小さいときには燃料利用率が小さくなるように補正するので、燃料オフガスのリサイクル率の変動に合った燃料利用率に補正し、システムに適合した高燃料利用率で運転を行うことができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention, the fuel utilization rate correcting means determines the drive duty ratio of the fuel gas supply means before and after opening and closing (or before and after the degree of opening) of the recycle valve. When the difference is greater than the reference duty ratio difference value, the fuel utilization rate is corrected to increase, and the driving duty ratio difference of the fuel gas supply means before and after opening and closing the recycle valve (or before and after the degree of opening) is the reference duty ratio difference value. Since the fuel utilization rate is corrected to be smaller when it is smaller, the fuel utilization rate is corrected to match the fluctuation of the fuel off-gas recycling rate, and operation can be performed at a high fuel utilization rate suitable for the system.

また、本発明の請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、リサイクル弁は、リサイクル流路を開閉するための弁体を備えた開閉弁から構成され、この弁体をバイパスしてバイパス流路が設けられているので、弁体が閉状態のときにも燃料オフガスの一部がこのバイパス流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に流れ、この燃料オフガスを原燃料ガスに混合させて改質器に向けて供給することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 4 of the present invention, the recycle valve is composed of an on-off valve having a valve body for opening and closing the recycle flow path, and the valve body is bypassed. Since the bypass flow path is provided, a part of the fuel off-gas flows to the upstream side of the fuel gas supply means through the bypass flow path even when the valve body is in the closed state, and the fuel off-gas is converted into the raw fuel gas. It can be mixed and fed to the reformer.

また、本発明の請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、リサイクル弁は、リサイクル流路を開閉するための弁体を備えた開閉弁から構成され、この開閉弁の弁体に貫通孔が設けられているので、弁体が閉状態のときにも燃料オフガスの一部が弁体の貫通孔を通して燃料ガス供給手段の上流側に流れ、この燃料オフガスを原燃料ガスに混合させて改質器に向けて供給することができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 5 of the present invention, the recycle valve is composed of an on-off valve having a valve body for opening and closing the recycle flow path, and the valve of the on-off valve Since the body is provided with a through-hole, part of the fuel off-gas flows through the through-hole of the valve body to the upstream side of the fuel gas supply means even when the valve body is closed, and this fuel off-gas is converted into the raw fuel gas. It can be mixed and fed to the reformer.

また、本発明の請求項6に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、リサイクル弁は、リサイクル流路を開閉制御するための弁体を備えた比例弁から構成されているので、弁体の開度小状態のときにも燃料オフガスの一部が比例弁を通して燃料ガス供給手段の上流側に流れ、この燃料オフガスを原燃料ガスに混合させて改質器に向けて供給することができる。 According to the solid oxide fuel cell system of claim 6 of the present invention, the recycle valve is composed of a proportional valve having a valve body for controlling opening and closing of the recycle flow path. Part of the fuel off-gas flows through the proportional valve to the upstream side of the fuel gas supply means even when the opening of the body is small, and this fuel off-gas can be mixed with the raw fuel gas and supplied to the reformer. can.

更に、本発明の請求項7に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設され、この温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると、コントローラは、リサイクル弁を開状態(又は開度大状態)とする制御を許容するので、燃料ガス供給手段の温度状態が低いときにリサイクル弁が開状態(又は開度大状態)となって燃料オフガスがリサイクル流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に流れることはなく、その結果、燃料ガス供給手段における結露発生を抑えることができる。 Furthermore, according to the solid oxide fuel cell system according to claim 7 of the present invention, the temperature detection means is arranged in relation to the fuel gas supply means, and the temperature detected by the temperature detection means exceeds the predetermined set temperature. If it exceeds, the controller permits the control of opening the recycle valve (or large opening state). As a result, the fuel off-gas does not flow to the upstream side of the fuel gas supply means through the recycle flow path, and as a result, dew condensation in the fuel gas supply means can be suppressed.

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第1の実施形態の全体を示す簡略図。1 is a simplified diagram showing the entirety of a first embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention; FIG. 図1の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram schematically showing a control system of the solid oxide fuel cell system of FIG. 1; 図2の制御系による制御の流れを示すフローチャート。FIG. 3 is a flow chart showing the flow of control by the control system in FIG. 2; FIG. 燃料ガス供給手段のデューティ比、燃料ガス流量、空気流量及びリサイクル率との関係を予め求めるための試験用燃料電池システム。A test fuel cell system for determining in advance the relationship between the duty ratio of the fuel gas supply means, the fuel gas flow rate, the air flow rate, and the recycling rate. 図4に示す試験用燃料電池システムを用いて所定関係を予め求めるための流れを示すフローチャート。FIG. 5 is a flow chart showing a flow for obtaining a predetermined relationship in advance using the test fuel cell system shown in FIG. 4; FIG. 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第2の実施形態の全体を示す簡略図。FIG. 2 is a simplified diagram showing the entirety of a second embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention;

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物桁燃料電池システムの各種実施形態について説明する。まず、図1~図3を参照して、第1の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。 Various embodiments of the solid oxide girder fuel cell system according to the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. First, a solid oxide fuel cell system of a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG.

図1において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、原燃料ガス(例えば、都市ガス、LPガスなど)を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器4と、この改質器4にて改質された燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック6と、を備えている。 In FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 consumes raw fuel gas (for example, city gas, LP gas, etc.) to generate power. and a solid oxide cell stack 6 that generates electricity by oxidation and reduction of the fuel gas reformed in the reformer 4 and air as an oxidant.

セルスタック6は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた空気極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。 The cell stack 6 is configured by stacking a plurality of solid oxide fuel cells for generating power through a fuel cell reaction via current collecting members, and conducts oxygen ions (not shown). It comprises a solid electrolyte, a fuel electrode provided on one side of the solid electrolyte, and an air electrode provided on the other side of the solid electrolyte, and zirconia doped with yttria, for example, is used as the solid electrolyte.

このセルスタック6の燃料極側8は、改質燃料ガス送給流路10介して改質器4に接続され、この形態では、改質器4は、改質用水を気化するための気化器12と一体的に構成されている。尚、気化器12は、改質器4と別体に構成し、気化器12にて気化された水蒸気を水蒸気送給流路(図示せず)を介して改質器4に送給するようにしてもよい。 The fuel electrode side 8 of this cell stack 6 is connected to the reformer 4 through a reformed fuel gas supply channel 10. In this embodiment, the reformer 4 is a vaporizer for vaporizing reforming water. 12 and integrally configured. The vaporizer 12 is configured separately from the reformer 4 so that the vapor vaporized by the vaporizer 12 is fed to the reformer 4 through a vapor feed passage (not shown). can be

気化器12は、燃料ガス供給流路14を介して原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源(図示せず)(例えば、埋設管や貯蔵タンクなどから構成される)に接続され、燃料ガス供給源からの原燃料ガスが燃料ガス供給流路14を通して気化器12に供給される。尚、この燃料ガス供給流路14を改質器4に接続し、燃料ガス供給源からの原燃料ガスを改質器4に直接的に供給するようにしてもよい。 The vaporizer 12 is connected to a fuel gas supply source (not shown) for supplying raw fuel gas through a fuel gas supply passage 14 (consisting of, for example, an embedded pipe, a storage tank, etc.). Raw fuel gas from a gas supply source is supplied to the vaporizer 12 through a fuel gas supply passage 14 . The fuel gas supply passage 14 may be connected to the reformer 4 to directly supply the raw fuel gas from the fuel gas supply source to the reformer 4 .

また、この気化器12は、水供給流路18を介して水供給源(図示せず)(例えば、水タンクや水回収タンクなどから構成される)に接続され、水供給源からの改質用水が水供給流路18を通して気化器12に供給される。改質器4には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給流路14を通して供給される燃料ガスが気化器12にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。 The vaporizer 12 is also connected to a water supply source (not shown) (consisting of, for example, a water tank, a water recovery tank, etc.) through a water supply channel 18, and reforming from the water supply source is performed. Service water is supplied to vaporizer 12 through water supply channel 18 . A reforming catalyst is housed in the reformer 4. For example, a reforming catalyst in which ruthenium is supported on alumina is used, and the fuel gas supplied through the fuel gas supply passage 14 is vaporized by this reforming catalyst. Steam reforming is performed with the steam vaporized in the vessel 12 .

燃料ガス供給流路14には、気化器12から上流側に向けて順に脱硫器20、第1絞り部材22、燃料ガスポンプ24(燃料ガス供給手段を構成する)、第2絞り部材26、圧力調整部材としてのゼロガバナ28、燃料流量センサ30(燃料流量計測手段を構成する)及び遮断弁32が配設されている。脱硫器20は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分(付臭剤中の硫黄成分)を除去し、燃料ガスポンプ24は、燃料ガス供給流路14を流れる原燃料ガスを昇圧して気化器12に供給する。 In the fuel gas supply passage 14, from the carburetor 12 toward the upstream side, a desulfurizer 20, a first throttle member 22, a fuel gas pump 24 (constituting fuel gas supply means), a second throttle member 26, and a pressure regulator are arranged in this order. A zero governor 28, a fuel flow rate sensor 30 (constituting fuel flow rate measuring means) and a shutoff valve 32 are provided as members. The desulfurizer 20 removes the sulfur component contained in the raw fuel gas (the sulfur component in the odorant), and the fuel gas pump 24 pressurizes the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 14 and supplies it to the vaporizer 12. supply.

また、ゼロガバナ28は、燃料ガス供給源(図示せず)から燃料ガス供給流路14を通して供給される原燃料ガスを所定圧力(即ち、大気圧)に調整し、燃料ガス流量センサ30は、燃料ガス供給流路14を通して供給される原燃料ガスの流量を測定し、遮断弁32は、閉状態になると燃料ガス供給流路14を遮断して燃料ガスの供給を停止する。また、燃料ガスポンプ24の両側に位置する第1及び第2絞り部材22,26は、燃料ガス供給流路14を流れる原燃料ガスの流量を安定させるために設けられ、第1絞り部材22は例えばキャピラリー管から構成され、第2絞り部材26は、例えば小さいオリフィスを有する絞り部材から構成される。また、燃料ガス流量センサ30は、例えば熱式流量センサから構成することができ、この熱式流量センサを用いることにより、原燃料ガスの流量を瞬時に計測することができる。 Further, the zero governor 28 adjusts the raw fuel gas supplied from the fuel gas supply source (not shown) through the fuel gas supply passage 14 to a predetermined pressure (that is, atmospheric pressure), and the fuel gas flow rate sensor 30 The flow rate of the raw fuel gas supplied through the gas supply passage 14 is measured, and when the cutoff valve 32 is closed, it shuts off the fuel gas supply passage 14 to stop the supply of fuel gas. Further, the first and second throttle members 22 and 26 located on both sides of the fuel gas pump 24 are provided to stabilize the flow rate of the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 14. The first throttle member 22 is, for example, Constructed from a capillary tube, the second throttle member 26 is constructed from, for example, a throttle member having a small orifice. Further, the fuel gas flow sensor 30 can be composed of, for example, a thermal flow sensor, and by using this thermal flow sensor, the flow rate of the raw fuel gas can be instantaneously measured.

更に、水供給流路18には水ポンプ34が配設され、この水ポンプ34によって、水供給源(図示せず)からの改質用水が水供給流路18を通して気化器12に供給される。尚、原燃料ガスを安定的して供給することができるときには、第1絞り部材22を省略するようにしてもよく、また第2絞り部材26に代えてバッファ-タンクを用いるようにしてもよい。 Further, a water pump 34 is provided in the water supply channel 18, and the water pump 34 supplies reforming water from a water supply source (not shown) through the water supply channel 18 to the vaporizer 12. . When the raw fuel gas can be stably supplied, the first throttle member 22 may be omitted, or the second throttle member 26 may be replaced by a buffer tank. .

このセルスタック6の空気極側36は、空気供給流路38を介して空気供給手段としての空気ブロア40に接続され、この空気供給流路38に空気流量センサ42(空気流量計測手段を構成する)が配設されている。空気ブロア40は、空気(酸化材)を空気供給流路38を通してセルスタック6の空気極側36に供給し、空気流量センサ42は、空気供給流路38を流れる空気の流量を計測する。 The air electrode side 36 of the cell stack 6 is connected through an air supply passage 38 to an air blower 40 as air supply means. ) are provided. The air blower 40 supplies air (oxidant) through the air supply channel 38 to the air electrode side 36 of the cell stack 6 , and the air flow rate sensor 42 measures the flow rate of the air flowing through the air supply channel 38 .

この実施形態では、燃料ガスポンプ24(及び水ポンプ34、空気ブロア40)の回転制御は、駆動電流のデューティ比(所謂、駆動デューティ比)でもって制御され、駆動デューティ比が大きくなると、燃料ガスポンプ24(及び水ポンプ34、空気ブロア40)の回転数が大きくなって原燃料ガス(及び改質用水、空気)の供給流量が増え、一方駆動デューティ比が小さくなると、燃料ガスポンプ24(及び水ポンプ34、空気ブロア40)の回転数が小さくなって原燃料ガス(及び改質用水、空気)の供給流量が少し、このようにして原燃料ガス(及び改質用水、空気)の供給流量が制御される。 In this embodiment, the rotation control of the fuel gas pump 24 (and the water pump 34 and the air blower 40) is controlled by the duty ratio of the drive current (so-called drive duty ratio). (and water pump 34, air blower 40) increases, the supply flow rate of raw fuel gas (and reforming water, air) increases, while the drive duty ratio decreases, fuel gas pump 24 (and water pump 34) , the rotation speed of the air blower 40) becomes small, and the supply flow rate of the raw fuel gas (and reforming water and air) is small. be.

セルスタック6の燃料極側8から排出される燃料オフガス(即ち、アノードオフガス)は、後に詳述するように、燃料オフガス送給流路44を通して燃焼器46に送給され、またセルスタック6の空気極側36から排出される空気オフガス(即ち、カソードオフガス)は、空気オフガス送給流路48を通して燃焼器46に送給され、この燃焼器46において、セルスタック6の燃料極側8からの燃料オフガス(燃料ガスを含んでいる)と空気極側36からの空気オフガス(酸素を含んでいる)とが燃焼され、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して気化器12及び改質器4が加熱される。燃焼器46からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路50を通して大気に排出される。 Fuel off-gas (that is, anode off-gas) discharged from the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 is supplied to the combustor 46 through the fuel off-gas supply passage 44, as will be described in detail later. Air off-gas discharged from the cathode side 36 (that is, cathode off-gas) is fed through an air off-gas feed channel 48 to a combustor 46 where it is fed from the fuel electrode side 8 of the cell stack 6. The fuel off-gas (containing fuel gas) and the air off-gas (containing oxygen) from the air electrode side 36 are combusted, and the combustion heat of this fuel off-gas is used to drive the vaporizer 12 and reformer 4. heated. Combustion exhaust gas from the combustor 46 is discharged to the atmosphere through an exhaust gas discharge passage 50 .

この実施形態では、燃料オフガス送給流路44に関連して第1熱交換器52が配設され、この第1熱交換器52は、セルスタック6から燃料オフガス送給流路44の上流側部(後述する高温ハウジング52内の部分)を流れる燃料オフガスと燃料オフガス送給流路44の下流側部(高温ハウジング54外に導かれた後に再び高温ハウジング54内に位置する部分)を流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行う。 In this embodiment, a first heat exchanger 52 is disposed in association with the fuel offgas feed channel 44 , the first heat exchanger 52 being upstream of the fuel offgas feed channel 44 from the cell stack 6 . fuel offgas flowing through a portion (a portion inside the high temperature housing 52 to be described later) and a fuel flowing through a downstream portion of the fuel offgas delivery channel 44 (a portion located inside the high temperature housing 54 again after being introduced outside the high temperature housing 54) It exchanges heat with the off-gas.

また、空気供給流路38及び排気ガス排出流路50に関連して第2熱交換器56が配設され、この第2熱交換器56は、排気ガス排出流路50を通して排出される燃焼排気ガスと空気供給流路38を流れる空気との間で熱交換を行う。 A second heat exchanger 56 is also disposed in association with the air supply passage 38 and the exhaust gas discharge passage 50 , and the second heat exchanger 56 is adapted for the combustion exhaust discharged through the exhaust gas discharge passage 50 . Heat is exchanged between the gas and the air flowing through the air supply channel 38 .

この実施形態では、改質器4、セルスタック6、気化器12、燃焼器38、第1熱交換器52及び第2熱交換器56が高温ハウジング54に収容されている。この高温ハウジング54は、金属製(例えば、ステンレス鋼製)であり、その内面は断熱部材(図示せず)で覆われており、その内側に高温空間58を規定し、改質器4、セルスタック6、気化器12、燃焼器30、第1熱交換器52及び第2熱交換器56がこの高温空間58内で高温状態に保たれる。 In this embodiment, reformer 4 , cell stack 6 , vaporizer 12 , combustor 38 , first heat exchanger 52 and second heat exchanger 56 are housed in high temperature housing 54 . The high-temperature housing 54 is made of metal (for example, stainless steel), the inner surface of which is covered with a heat insulating member (not shown), and defines a high-temperature space 58 inside thereof, the reformer 4 and the cells The stack 6 , evaporator 12 , combustor 30 , first heat exchanger 52 and second heat exchanger 56 are kept hot in this hot space 58 .

この固体酸化物形燃料電池システム2では、更に、セルスタック6の燃料極側8からの燃料オフガスを一次的に冷却するために、燃料オフガス送給流路44の一部が高温ハウジング54外に導出された後に再び高温ハウジング54内に導入されて燃焼器46に導かれている。そして、このことに関連して、更に、燃料オフガス送給流路44の中間部(具体的には、高温ハウジング54外に位置する部分)に第3熱交換器60が配設されている。この第3熱交換器60は、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ-ジェネレーションシステム用の貯湯装置(図示せず)の循環流路62と組み合わせて用いられ、燃料ガスオフ送給流路44を流れる燃料オフガスと貯湯装置からの水との間で熱交換を行い、第3熱交換器60は、燃料オフガスを冷却するための冷却器として機能する。 Further, in this solid oxide fuel cell system 2, a part of the fuel off-gas supply channel 44 is outside the high temperature housing 54 in order to temporarily cool the fuel off-gas from the fuel electrode side 8 of the cell stack 6. After being led out, it is again introduced into the high-temperature housing 54 and led to the combustor 46 . Further, in relation to this, a third heat exchanger 60 is further arranged in the middle portion of the fuel offgas supply channel 44 (specifically, the portion located outside the high temperature housing 54). This third heat exchanger 60 is used, for example, in combination with a circulation flow path 62 of a hot water storage device (not shown) for a co-generation system for storing the heat of the fuel off-gas as hot water, and supplying the fuel gas off-gas. Heat is exchanged between the fuel off-gas flowing through the flow path 44 and water from the hot water storage device, and the third heat exchanger 60 functions as a cooler for cooling the fuel off-gas.

この第3熱交換器60の下流側にはドレインセパレータ64が配設され、第3熱交換器60による熱交換によって冷却された燃料オフガスに含まれた水蒸気は凝縮されて水となり、この凝縮水がドレインセパレータ64において燃料オフガスと分離されて外部に排水され、水分が除去された燃料オフガスが燃料オフガス送給流路44を通して燃焼器46に送給される。尚、この凝縮水を外部に排出するのではなく、水回収タンク(図示せず)に回収し、この回収した凝縮水を改質用水として利用するようにしてもよい。 A drain separator 64 is disposed downstream of the third heat exchanger 60, and water vapor contained in the fuel off-gas cooled by heat exchange by the third heat exchanger 60 is condensed into water. is separated from the fuel off-gas at the drain separator 64 and drained to the outside, and the fuel off-gas from which moisture has been removed is fed to the combustor 46 through the fuel off-gas feed channel 44 . Instead of discharging the condensed water to the outside, the condensed water may be recovered in a water recovery tank (not shown), and the recovered condensed water may be used as reforming water.

この固体酸化物形燃料電池システムでは、更に、燃料オフガスの一部を燃料ガス供給流路14に戻してリサイクルするように構成されている。更に説明すると、燃料オフガス送給流路44(具体的には、高温ハウジング54の外側に露出している部分であって、ドレインセパレータ64の下流側部位)と燃料ガス供給流路14(具体的には、燃料ガスポンプ24と第2絞り部材26との間の部位)とを接続するようにリサイクル流路66が設けられ、このリサイクル流路66にリサイクル弁68が配設されている。 This solid oxide fuel cell system is further configured to return part of the fuel off-gas to the fuel gas supply channel 14 for recycling. More specifically, the fuel off-gas supply channel 44 (specifically, the portion exposed to the outside of the high temperature housing 54 and downstream of the drain separator 64) and the fuel gas supply channel 14 (specifically, is provided with a recycle flow path 66 so as to connect the portion between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26 , and a recycle valve 68 is disposed in the recycle flow path 66 .

このように構成されているので、リサイクル弁68が開状態になると、燃料オフガス送給流路44を流れる燃料オフガス(この形態では、第3熱交換器60にて冷却された後に水分が除去された後の燃料オフガス)の一部がリサイクル流路66を通して燃料ガス供給流路14に戻され、この戻された燃料オフガスが原燃料ガスに混合されて脱硫器20を通して気化器12に送給される。また、リサイクル弁68が閉状態になると、リサイクル流路66が閉状態になり、燃料オフガスが燃料ガス供給流路14へリサイクルされることはない。 With this configuration, when the recycle valve 68 is opened, the fuel offgas flowing through the fuel offgas supply passage 44 (in this form, the water is removed after being cooled in the third heat exchanger 60). A part of the fuel off-gas (after the fuel off-gas) is returned to the fuel gas supply channel 14 through the recycle channel 66, and this returned fuel off-gas is mixed with the raw fuel gas and sent to the carburetor 12 through the desulfurizer 20. be. Also, when the recycle valve 68 is closed, the recycle flow path 66 is closed and the fuel off-gas is not recycled to the fuel gas supply flow path 14 .

この実施形態では、ゼロガバナ28の下流側に配設された第2絞り部材26と燃料ガスポンプ24との間にリサイクル流路66の下流側が接続されているので、燃料ガスポンプ24が作動して原燃料ガスが供給されると、燃料ガス供給流路14におけるリサイクル流路66との接続部位が幾分負圧になり、この負圧を利用して燃料オフガスのリサイクル流路66を通してのリサイクルが行われる。 In this embodiment, since the downstream side of the recycle flow path 66 is connected between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26 disposed downstream of the zero governor 28, the fuel gas pump 24 operates to recycle the raw fuel. When the gas is supplied, the connection portion of the fuel gas supply channel 14 with the recycle channel 66 becomes somewhat negative pressure, and this negative pressure is used to recycle the fuel off-gas through the recycle channel 66. .

この実施形態では、脱硫器20に用いる脱硫剤として、脱硫作用の高い超高次脱硫剤が用いられており、このような脱硫剤としては、例えば銅-亜鉛系脱硫剤、銅-亜鉛-ニッケル系脱硫剤などが用いられる。そして、このような脱硫剤を用いることに関連して、次のように構成するのが好ましい。 In this embodiment, as a desulfurizing agent used in the desulfurizer 20 , an ultra-high-order desulfurizing agent having a high desulfurizing action is used. system desulfurization agents are used. In connection with the use of such a desulfurizing agent, it is preferable to configure as follows.

このリサイクル弁68については、例えば、リサイクル流路66を開閉するための弁体(図示せず)を備えた開閉弁から構成し、この開閉弁の弁体をバイパスしてバイパス流路(図示せず)を設けるようにしてもよい。このような開閉弁を用いた場合、リサイクル弁68(この場合、開閉弁)が閉状態のときにもリサイクル流路66に流れる燃料オフガスの少量がこのバイパス流路を通して燃料ガス供給流路14(具体的には、燃料ガスポンプ24の上流側)に流れ、水素を含む燃料オフガスが原燃料ガスに混合されて燃料ガス供給流路14を通して脱硫器20内の脱硫剤に送給され、このような水素の使用条件下において脱硫剤の使用が可能となる。 The recycle valve 68 is composed of, for example, an on-off valve having a valve element (not shown) for opening and closing the recycle flow path 66. Bypassing the valve element of the on-off valve ) may be provided. When such an on-off valve is used, even when the recycle valve 68 (in this case, on-off valve) is in a closed state, a small amount of the fuel off-gas flowing through the recycle flow path 66 passes through the bypass flow path to the fuel gas supply flow path 14 ( Specifically, the fuel off-gas containing hydrogen is mixed with the raw fuel gas and fed to the desulfurizing agent in the desulfurizer 20 through the fuel gas supply passage 14. A desulfurizing agent can be used under hydrogen usage conditions.

このリサイクル弁68については、例えば、リサイクル流路66を開閉するための弁体(図示せず)を備えた開閉弁から構成し、この開閉弁の弁体に貫通孔(図示せず)を設けるようにしてもよい。このような開閉弁を用いた場合、リサイクル弁68(この場合、開閉弁)が閉状態のときにもリサイクル流路66に流れる燃料オフガスの少量が弁体の貫通孔を通して燃料ガス供給流路14(燃料ガスポンプ24の上流側)に流れ、このように構成しても水素を含む燃料オフガスを原燃料ガスに混合することができる。 The recycle valve 68 is composed of, for example, an on-off valve having a valve body (not shown) for opening and closing the recycle flow path 66, and a through hole (not shown) is provided in the valve body of the on-off valve. You may do so. When such an on-off valve is used, even when the recycle valve 68 (in this case, on-off valve) is in a closed state, a small amount of the fuel off-gas flowing through the recycle passage 66 passes through the through-hole of the valve body to the fuel gas supply passage 14. (Upstream side of the fuel gas pump 24), even with this configuration, the fuel off-gas containing hydrogen can be mixed with the raw fuel gas.

このリサイクル弁68については、例えば、リサイクル流路66を開閉制御するための弁体(図示せず)を備えた比例弁から構成し、この弁体を開度大状態と開度小状態の間を開閉制御するようにしてもよい。このような比例弁を用いた場合、リサイクル弁68が開度小状態のときにもリサイクル流路66に流れる燃料オフガスの一部がこの比例弁を通して燃料ガス供給流路(燃料ガスポンプ24の上流側)に流れ、このように構成しても水素ガスを含む燃料オフガスを原燃料ガスに混合することができる。 The recycle valve 68 is composed of, for example, a proportional valve having a valve element (not shown) for controlling the opening and closing of the recycle flow path 66. may be controlled to open and close. When such a proportional valve is used, even when the recycle valve 68 is in the small opening state, part of the fuel off-gas flowing in the recycle passage 66 passes through the proportional valve to the fuel gas supply passage (upstream side of the fuel gas pump 24). ), and even with this configuration, the fuel off-gas containing hydrogen gas can be mixed with the raw fuel gas.

次に、この固体酸化物形燃料電池システム2の発電運転について説明する。発電運転のときには、燃料ガス供給源(図示せず)からの原燃料ガスが、燃料ガスポンプ24によって燃料ガス供給流路14を通して供給され、かく供給される原燃料ガスには、上述したようにしてリサイクル流路66を通してリサイクルされる燃料オフガスが混合され、混合された混合燃料ガスが燃料ガスポンプ24に送給され、燃料ガスポンプ24により昇圧された混合燃料ガスが燃料ガス供給流路14を通して脱硫器20に送給される。 Next, the power generation operation of this solid oxide fuel cell system 2 will be described. During power generation operation, raw fuel gas from a fuel gas supply source (not shown) is supplied through the fuel gas supply passage 14 by the fuel gas pump 24, and the raw fuel gas thus supplied is supplied in the manner described above. The fuel off-gas to be recycled through the recycle passage 66 is mixed, the mixed fuel gas is fed to the fuel gas pump 24, and the mixed fuel gas pressurized by the fuel gas pump 24 is sent through the fuel gas supply passage 14 to the desulfurizer 20. sent to

脱硫器20においては、脱硫剤によって混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分が除去される。脱硫すべき混合燃料ガス中には水素が含まれているので、脱硫剤は優れた脱硫作用を安定して発揮し、混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分を所望の通りに除去することができる。 In the desulfurizer 20 , the sulfur component contained in the mixed fuel gas is removed by the desulfurizing agent. Since the mixed fuel gas to be desulfurized contains hydrogen, the desulfurizing agent stably exerts an excellent desulfurization action and can remove sulfur components contained in the mixed fuel gas as desired. can.

脱硫器20にて脱硫された原燃料ガス(混合燃料ガス)は、燃料ガス供給流路14を通して気化器12に送給される。この気化器12には、また、水供給流路18を通して改質水が供給され、かかる気化器12にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び原燃料ガス(混合燃料ガス)が混合されて改質器4に送給される。 The raw fuel gas (mixed fuel gas) desulfurized by the desulfurizer 20 is supplied to the vaporizer 12 through the fuel gas supply passage 14 . The vaporizer 12 is also supplied with reformed water through a water supply passage 18, vaporized by the vaporizer 12 into steam, and the generated steam and raw fuel gas (mixed fuel gas) are mixed. It is sent to the reformer 4 .

改質器4においては、原燃料ガス(混合燃料ガス)が水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された原燃料ガスが改質燃料ガス送給流路10を通してセルスタック6の燃料極側8に送給される。また、このセルスタック6の空気極側36には、空気供給流路38を通して空気が送給される。 In the reformer 4 , the raw fuel gas (mixed fuel gas) is steam-reformed by steam, and the steam-reformed raw fuel gas passes through the reformed fuel gas feed passage 10 to the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 . sent to Air is supplied to the air electrode side 36 of the cell stack 6 through an air supply channel 38 .

セルスタック6においては、燃料極側8を流れる改質燃料ガス及び空気極側36を流れる空気(空気中の酸素)の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた直流の電力は、図示していないが、パワーコンディショナーを通して交流電力に変換されて家庭用の需要端に供給される。 In the cell stack 6, power is generated by oxidation and reduction of the reformed fuel gas flowing on the fuel electrode side 8 and the air (oxygen in the air) flowing on the air electrode side 36, and the DC power obtained by the power generation is Although not shown, the AC power is converted into AC power through a power conditioner and supplied to a household demand end.

セルスタック6の燃料極側8からの燃料オフガス(燃料ガスを含んでいる)は燃料オフガス送給流路44を通して燃焼器46に送給され、また空気極側36からの空気オフガスは空気オフガス送給流路48を通して燃焼器46に送給され、この燃焼器46にて燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、燃焼器46からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路50を通して大気に排出される。 Fuel off-gas (which contains fuel gas) from the anode side 8 of the cell stack 6 is delivered to the combustor 46 through the fuel off-gas delivery passage 44, and air off-gas from the cathode side 36 is delivered to the air off-gas delivery. The combustion exhaust gas from the combustor 46 is discharged to the atmosphere through an exhaust gas discharge channel 50.

この発電運転中においては、第1熱交換器52において、セルスタック6から燃料オフガス送給流路44の上流側部を通してその中間部(高温ハウジング54外に位置する部分)に流れる燃料オフガスとこの中間部から燃料オフガス送給流路44の下流側部を通して燃焼器66に流れる燃料オフガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された燃料オフガスが燃焼器46に送給される。 During this power generation operation, in the first heat exchanger 52, the fuel offgas flowing from the cell stack 6 through the upstream portion of the fuel offgas feed passage 44 to its intermediate portion (the portion located outside the high temperature housing 54) and this Heat exchange is performed between the intermediate portion and the fuel off-gas flowing to the combustor 66 through the downstream portion of the fuel off-gas supply channel 44 , and the fuel off-gas heated by this heat exchange is supplied to the combustor 46 . .

また、第2熱交換器56において、排気ガス排出流路50を流れる燃焼排気ガスと空気供給流路38を流れる空気との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック6の空気極側36に送給される。 In the second heat exchanger 56, heat is exchanged between the combustion exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge passage 50 and the air flowing through the air supply passage 38, and the air heated by this heat exchange is converted into a cell. It is fed to cathode side 36 of stack 6 .

更に、第3熱交換器60において、燃料オフガス送給流路44を流れる燃料オフガスと例えば貯湯装置の循環流路62を流れる水との間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された温水が貯湯装置の貯湯タンク(図示せず)に貯えられる。 Furthermore, in the third heat exchanger 60, heat is exchanged between the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas supply passage 44 and the water flowing through, for example, the circulation passage 62 of the hot water storage device. The warm water is stored in a hot water storage tank (not shown) of the hot water storage device.

また、このような発電運転中にリサイクル弁68が開状態になると、燃料オフガス送給流路44を流れる燃料オフガスの一部がリサイクル流路66を通して燃料ガス供給流路14にリサイクルされ、このリサイクルされた燃料オフガスが燃料ガス供給流路14を流れる原燃料ガスに混合される。また、リサイクル弁68が閉状態になると、燃料オフガスの少量がリサイクル流路66及びリサイクル弁68のバイパス流路(図示せず)を通してリサイクルされ、この少量の燃料オフガスが燃料ガス供給流路14を流れる原燃料ガスに混合される。 Further, when the recycle valve 68 is opened during such power generation operation, part of the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas supply passage 44 is recycled to the fuel gas supply passage 14 through the recycle passage 66. The resulting fuel off-gas is mixed with the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 14 . Further, when the recycle valve 68 is closed, a small amount of the fuel off-gas is recycled through the recycle passage 66 and a bypass passage (not shown) of the recycle valve 68, and this small amount of fuel off-gas flows through the fuel gas supply passage 14. It is mixed with the flowing raw fuel gas.

この固体酸化物形燃料電池システムは、図2に示す制御系により、その燃料利用率が補正される。図1とともに図2を参照して、図示の固体酸化物形燃料電池システム2は、システムを運転制御するためのコントローラ72を備え、このコントローラ72により、後述する如く制御される。 In this solid oxide fuel cell system, the fuel utilization rate is corrected by the control system shown in FIG. 2 together with FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 includes a controller 72 for controlling the operation of the system, and is controlled by this controller 72 as described later.

更に説明すると、空気流量センサ42(空気流量計測手段)及び燃料ガス流量センサ30(燃料流量計測手段)からの検知信号はコントローラ72に送給され、コントローラ72は、燃料ガスポンプ24、空気ブロア40及びリサイクル弁68を後述する如くして制御する。 More specifically, detection signals from the air flow rate sensor 42 (air flow rate measuring means) and the fuel gas flow rate sensor 30 (fuel flow rate measuring means) are sent to the controller 72, which controls the fuel gas pump 24, air blower 40 and Recycle valve 68 is controlled as described below.

図示のコントローラ72は、例えばマイクロプロセッサなどから構成され、作動制御手段74、燃料利用率設定手段76、流量安定判定手段78、燃料利用率降下設定手段80、デューティ比差演算手段82、燃料利用率判定手段84、燃料利用率補正手段86及びメモリ手段88を含んでいる。作動制御手段74は、燃料ガスポンプ24、空気ブロア40及びリサイクル弁68などを後述する如く作動制御し、燃料利用率設定手段76は、システムの燃料利用率を設定する。ここでの燃料利用率とは、原燃料ガスの供給流量のうちセルスタック6における発電で消費される割合をいい、この固体酸化物形燃料電池システム2において例えば燃料利用率80%とは、供給される原燃料ガスの80%が発電で消費され、残りの20%が燃焼器46で燃焼され、この燃焼熱でもって高温ハウジング54内が高温状態に保たれる。 The illustrated controller 72 is composed of, for example, a microprocessor, and includes operation control means 74, fuel utilization rate setting means 76, flow rate stability determination means 78, fuel utilization rate drop setting means 80, duty ratio difference calculation means 82, fuel utilization rate It includes determination means 84 , fuel utilization correction means 86 and memory means 88 . The operation control means 74 controls the operation of the fuel gas pump 24, the air blower 40, the recycle valve 68, etc. as will be described later, and the fuel utilization rate setting means 76 sets the fuel utilization rate of the system. The fuel utilization rate here refers to the ratio of the raw fuel gas supply flow rate consumed for power generation in the cell stack 6, and in this solid oxide fuel cell system 2, for example, a fuel utilization rate of 80% means that the supply 80% of the raw fuel gas is consumed for power generation, and the remaining 20% is combusted in the combustor 46, and this combustion heat keeps the inside of the high temperature housing 54 in a high temperature state.

また、流量安定判定手段78は、燃料ガス流量センサ30の検知流量に基づいて原燃料ガスの流量が安定しているかを判定し、燃料利用率降下設定手段80は、燃料利用率を後述する如く例えば、0.5ポイント下げる。例えば、セルスタック6の定格発電状態においては原燃料ガスの消費量は一定となるので、原燃料ガスの供給流量を増大させて燃料利用率を下げるようになる。 Further, the flow rate stability determination means 78 determines whether the flow rate of the raw fuel gas is stable based on the flow rate detected by the fuel gas flow rate sensor 30, and the fuel utilization rate drop setting means 80 determines the fuel utilization rate as described later. For example, lower by 0.5 points. For example, in the rated power generation state of the cell stack 6, the raw fuel gas consumption is constant, so the supply flow rate of the raw fuel gas is increased to lower the fuel utilization rate.

更に、デューティ比差演算手段82は、燃料ガスポンプ24の駆動電流の駆動デューティ比差を後述する如く演算し、燃料利用率判定手段84は、リサイクル弁68の開閉前後における燃料ポンプ24の駆動デューティ比(この形態では、駆動デューティ比差)に基づいて、設定された燃料利用率が適正であるかを判定し、燃料利用率補正手段86は、燃料利用率判定手段84の判定結果に基づいて燃料利用率を後述する如く補正する。尚、メモリ手段88には、設定された燃料利用率が適正であるかの判定基準となる基準マップが予め登録されている。 Furthermore, the duty ratio difference calculation means 82 calculates the drive duty ratio difference of the drive current of the fuel gas pump 24 as described later, and the fuel utilization rate determination means 84 calculates the drive duty ratio of the fuel pump 24 before and after the recycle valve 68 is opened and closed. Based on (in this embodiment, the drive duty ratio difference), it is determined whether the set fuel utilization rate is appropriate. The utilization rate is corrected as described later. A reference map is registered in advance in the memory means 88 as a criterion for judging whether the set fuel utilization rate is appropriate.

ここで、メモリ手段88に登録される基準マップについて説明する。この基準マップを作成するには、図4に示す試験用燃料電池システム(換言すると、各種データ取得用の燃料電池システム)を用いて燃料ガスポンプの駆動デューティ比、燃料ガス流量、空気流量及びリサイクル率と、駆動デューティ比差との関係を予め求め、この関係を用いて基準マップを作成する。尚、図4に示す試験用燃料電池システム2Pの基本的構成は、上述した固体酸化物形燃料電池システムと同様の構成であり、従って、この試験用燃料電池システム2Pにおいて上述の固体酸化物形燃料電池システムと同様の部材については同じ参照番号を付し、その説明を省略する。 Here, the reference map registered in the memory means 88 will be explained. In order to create this reference map, the drive duty ratio of the fuel gas pump, the fuel gas flow rate, the air flow rate, and the recycle rate were calculated using the test fuel cell system (in other words, the fuel cell system for acquiring various data) shown in FIG. , and the drive duty ratio difference is determined in advance, and a reference map is created using this relationship. The basic configuration of the test fuel cell system 2P shown in FIG. 4 is the same as that of the solid oxide fuel cell system described above. The same reference numerals are given to the same members as in the fuel cell system, and the description thereof is omitted.

この試験用燃料電池システム2Pにおいては、燃料ガス供給流路14(具体的には、第1絞り部材22と脱硫器20との間の部位)に分岐流路72が設けられ、この分岐流路72に開閉弁74が設けられている。また、この燃料ガス供給流路14(具体的には、第1絞り部材22と脱硫器20との間の部位であって、図4のように分岐流路72の下流側部位に、或いは分岐流路72の上流側部位でもよい)にニードル弁76が設けられている。この試験用燃料電池システム2Pのその他の構成は、上述の固体酸化物形燃料電池システムと同様である。 In this test fuel cell system 2P, a branched flow path 72 is provided in the fuel gas supply flow path 14 (specifically, a portion between the first throttle member 22 and the desulfurizer 20 ). An on-off valve 74 is provided at 72 . Further, the fuel gas supply channel 14 (specifically, the portion between the first throttle member 22 and the desulfurizer 20 , which is downstream of the branch channel 72 as shown in FIG. A needle valve 76 is provided at the upstream portion of the flow path 72 . Other configurations of this test fuel cell system 2P are the same as those of the solid oxide fuel cell system described above.

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料オフガスのリサイクル率は主として、a)燃料ガス供給流路14とリサイクル流路66との接続部(即ち、燃料オフガスの合流部)からセルスタック6の燃料極側出口までの燃料ガス流路の流路抵抗と、b)セルスタック6の燃料極側出口から排気ガス排出流路50の排出口までの燃料オフガス流路の流路抵抗と、c)リサイクル経路66の流路抵抗と、d)燃料ガスポンプ24の上流側に生成される負圧によって決定される。これらのうち、10年程度のメンテナンスフリーとした場合、変化が大きいのは、a)燃料ガス供給流路14とリサイクル流路66との接続部からセルスタック6の燃料極側出口までの燃料ガス流路(特に、気化器12及び改質器4)の圧力損失と、b)セルスタック6の燃料極側出口から排気ガス排出流路50の排出口までの燃料オフガス流路の圧力損失とである。 In such a solid oxide fuel cell system, the recycling rate of the fuel off-gas is mainly: b) the flow resistance of the fuel off-gas flow path from the fuel electrode side outlet of the cell stack 6 to the discharge port of the exhaust gas discharge flow path 50; and c d) the negative pressure generated upstream of the fuel gas pump 24; Among these, if maintenance-free for about 10 years, the change is large: The pressure loss in the flow path (in particular, the vaporizer 12 and the reformer 4) and b) the pressure loss in the fuel offgas flow path from the fuel electrode side outlet of the cell stack 6 to the exhaust port of the exhaust gas discharge flow path 50. be.

そこで、試験用燃料電池システム2Pの初期状態において、燃料ガスポンプ24と脱硫器20の間にニードルバルブ76を設け、加えて燃料ガス供給流路14を流れる混合燃料ガス(原燃料ガスと燃料オフガスとの混合ガス)を抽出するための分岐流路72を設け、この分岐流路72に開閉弁74を設けたものである。 Therefore, in the initial state of the test fuel cell system 2P, the needle valve 76 is provided between the fuel gas pump 24 and the desulfurizer 20 , and the mixed fuel gas (raw fuel gas and fuel off-gas) flowing through the fuel gas supply passage 14 is A branch flow path 72 is provided for extracting a mixed gas of (1), and an on-off valve 74 is provided in this branch flow path 72 .

このニードルバルブ76により燃料ガス供給流路14の流路抵抗を種々の条件に変ることができ、この流路抵抗の条件を種々に変えながらセルスタック6を定格発電することによって、これら条件のとき(換言すると、流路抵抗の圧力損失が変動したとき)の燃料ガスポンプ24の駆動電流の駆動デューティ比、原燃料ガスの供給流量、空気の供給流量及び燃料オフガスのリサイクル率と開閉弁68の開閉前後における駆動デューティ比差との関係を次のようにして求めることができ、これらの関係が基準マップとしてコントローラ72のメモリ手段88(図2参照)に登録される。 The needle valve 76 can change the flow path resistance of the fuel gas supply flow path 14 under various conditions. In other words, the drive duty ratio of the drive current of the fuel gas pump 24, the supply flow rate of the raw fuel gas, the supply flow rate of air, the recycling rate of the fuel off-gas, and the opening and closing of the on-off valve 68 (when the pressure loss of the flow resistance fluctuates) The relationship between the front and rear driving duty ratio differences can be obtained as follows, and these relationships are registered in the memory means 88 (see FIG. 2) of the controller 72 as a reference map.

これらの関係については、例えば、図5に示す手順を遂行することにより求めることができる。図4とともに図5を参照して、この基準マップを作成するには、セルスタック6を例えば定格でもって発電運転する(ステップS31)。そして、この定格発電運転において、リサイクル弁68を開状態にし(ステップS32)、燃料オフガスの一部をリサイクル流路66を通して燃料ガス供給流路14に戻してリサイクルさせ、次いでニードルバルブ76を開閉操作して燃料ガス供給流路14の流路抵抗条件を設定する(ステップS33)。 These relationships can be obtained by performing the procedure shown in FIG. 5, for example. Referring to FIG. 5 together with FIG. 4, in order to create this reference map, the cell stack 6 is operated to generate power, for example, at rated power (step S31). In this rated power generation operation, the recycle valve 68 is opened (step S32), part of the fuel off-gas is returned to the fuel gas supply channel 14 through the recycle channel 66 and recycled, and then the needle valve 76 is opened and closed. Then, the channel resistance condition of the fuel gas supply channel 14 is set (step S33).

このような運転状態において、セルスタック6の定格発電状態が安定する(換言すると、セルスタック6の発電出力が安定する)と、ステップS34からステップS35に移り、基準マップのための関連データの取得が行われる。まず、システムの燃料利用率を2~5ポイント、例えば3ポイント下げる制御が行われ、この制御は燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比を大きくして原燃料ガスの供給流量を増大させることにより行われる。 In such an operating state, when the rated power generation state of the cell stack 6 stabilizes (in other words, the power generation output of the cell stack 6 stabilizes), the process moves from step S34 to step S35 to acquire relevant data for the reference map. is done. First, control is performed to lower the fuel utilization rate of the system by 2 to 5 points, for example, 3 points. This control is performed by increasing the drive duty ratio of the fuel gas pump 24 to increase the supply flow rate of the raw fuel gas.

このようにして燃料利用率を下げた発電運転が行われ、原燃料ガスの供給流量(即ち、燃料ガス流量センサ30の計測流量)及び空気の供給流量(即ち、空気流量センサ42の計測流量)が安定すると、ステップS36からステップS37に進み、リサイクル弁68が開状態のときの各種情報、具体的には燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比、原燃料ガスの供給流量、空気の供給流量及びリサイクル率の取得が行われ、取得した各種情報が記録される。 In this way, the power generation operation is performed with a reduced fuel utilization rate, and the supply flow rate of the raw fuel gas (that is, the flow rate measured by the fuel gas flow sensor 30) and the supply flow rate of air (that is, the flow rate measured by the air flow sensor 42) is stabilized, the process proceeds from step S36 to step S37, and various information when the recycle valve 68 is open, specifically, the drive duty ratio of the fuel gas pump 24, the supply flow rate of the raw fuel gas, the supply flow rate of air, and the recycling rate is acquired, and the acquired various information is recorded.

このリサイクル率については、開閉弁74を開状態にして燃料ガス供給流路14を通して流れる混合燃料ガスの一部を分岐流路72を通して抽出し、抽出した混合燃料ガスをガスクロマトグラフにて成分分析をし、この成分分析の結果と設定された燃料利用率に基づいて燃料オフガスのリサイクル率を算出することができる。 This recycling rate is obtained by extracting a part of the mixed fuel gas flowing through the fuel gas supply channel 14 through the branch channel 72 with the on-off valve 74 opened, and analyzing the components of the extracted mixed fuel gas with a gas chromatograph. Then, the recycling rate of the fuel off-gas can be calculated based on the result of this component analysis and the set fuel utilization rate.

その後、リサイクル弁68を閉状態にし(ステップS38)、リサイクル流路66を通しての燃料オフガスのリサイクルを終了する。このようにして燃料オフガスのリサイクルが終了した後に、原燃料ガスの供給流量(即ち、燃料ガス流量センサ30の計測流量)及び空気の供給流量(即ち、空気流量センサ42の計測流量)が安定すると、ステップS39からステップS40に進み、リサイクル弁68が閉状態のときの各種情報、具体的には燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比、原燃料ガスの供給流量及び空気の供給流量の取得が行われ、取得した各種情報が記録される。 After that, the recycling valve 68 is closed (step S38), and the recycling of the fuel off-gas through the recycling passage 66 is finished. When the supply flow rate of the raw fuel gas (that is, the flow rate measured by the fuel gas flow sensor 30) and the supply flow rate of air (that is, the flow rate measured by the air flow sensor 42) are stabilized after the recycling of the fuel off-gas is completed in this way, , the process advances from step S39 to step S40 to obtain various information when the recycle valve 68 is closed, specifically the drive duty ratio of the fuel gas pump 24, the supply flow rate of the raw fuel gas, and the supply flow rate of air. Various types of acquired information are recorded.

その後、リサイクル弁68の開閉前後の燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比差(リサイクル弁68の開状態における駆動デューティ比とリサイクル弁68が閉状態における駆動デューティ比との差値)が演算され(ステップS41)、この差値もリサイクル弁68の開閉前後における燃料ガス供給流量との関連で記録される。尚、リサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比の差を演算するのではなく、その開閉前後の駆動デューティ比の比率(例えば、閉状態における駆動デューティ比に対する開状態における駆動デューティ比の比率)を演算するようにしてもよい。 After that, the drive duty ratio difference of the fuel gas pump 24 before and after the recycle valve 68 is opened and closed (difference value between the drive duty ratio when the recycle valve 68 is open and the drive duty ratio when the recycle valve 68 is closed) is calculated (step S41). ), and this difference value is also recorded in relation to the fuel gas supply flow rate before and after the recycle valve 68 is opened and closed. Note that the ratio of the drive duty ratios before and after the opening and closing of the recycling valve 68 (for example, the ratio of the drive duty ratio in the open state to the drive duty ratio in the closed state) is calculated instead of calculating the difference in the drive duty ratio before and after opening and closing the recycle valve 68. You may make it calculate.

このような基準マップを作成するための作業を設定条件が終了するまで行われ、その作業はステップS32に戻って繰り返し行われる。このような測定は、燃料電池システムの初期の空気流量とセルスタック6の経時劣化に伴う空気流量の増大を考慮した流量を含む空気流量範囲に複数条件にわたって行うのが望ましい。 The work for creating such a reference map is performed until the setting conditions are completed, and the work is repeated after returning to step S32. It is desirable that such measurement be performed over a plurality of conditions over a range of air flow rates, including the initial air flow rate of the fuel cell system and a flow rate that takes into consideration an increase in air flow rate due to deterioration of the cell stack 6 over time.

このようにして所要条件についての各種情報(即ち、燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比、原燃料ガスの供給流量、空気の供給流量、リサイクル率及びリサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比差)の取得が終了すると、ステップS42からステップS43に進み、これら取得した各種情報に基づく基準マップが作成され、この作成された基準マップがコントローラ72のメモリ手段88に登録される。 In this way, various types of information about the required conditions (that is, the drive duty ratio of the fuel gas pump 24, the raw fuel gas supply flow rate, the air supply flow rate, the recycling rate, and the drive duty ratio difference before and after opening and closing the recycling valve 68) are acquired. is completed, the process proceeds from step S42 to step S43, a reference map is created based on the acquired various information, and this created reference map is registered in the memory means 88 of the controller 72. FIG.

次に、図1及び図2とともに図3を参照して、上述した固体酸化物形燃料電池システム2の発電運転中においては次のようにして燃料利用率の補正が行われる。例えば、セルスタック6の定格発電中において、まず、リサイクル弁68が開状態に保持されているかの確認が行われ(ステップS1)、開状態に保持されているときにはステップS3に移るが、閉状態に保持されているときにはリサイクル弁68を開状態に切り換えた(ステップS2)後にステップS3に進む。 Next, referring to FIG. 3 together with FIGS. 1 and 2, the fuel utilization rate is corrected as follows during the power generation operation of the solid oxide fuel cell system 2 described above. For example, during rated power generation of the cell stack 6, first, it is checked whether the recycle valve 68 is kept open (step S1). , the recycle valve 68 is switched to the open state (step S2), and then the process proceeds to step S3.

ステップS3では、セルスタック6の出力が定格発電出力でもって安定しているかの判断が行われ、定格発電出力で安定しているときにはステップS4に進み、燃料利用率の補正に関する関連データの取得が行われる。まず、上述の基準マップを作成すると同様の条件でもって、システムの燃料利用率を2~5ポイント、例えば3ポイント下げる制御が行われる(ステップS4)。この制御は、燃料利用率降下設定手段80(図2参照)により行われ、燃料利用率が例えば80%で発電運転されているときには例えば77%になるように設定され、このように燃料利用率を設定すると、燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比が大きくなって原燃料ガスの供給流量が増大する。 In step S3, it is determined whether or not the output of the cell stack 6 is stable at the rated power generation output, and if it is stable at the rated power generation output, the process proceeds to step S4, where related data relating to correction of the fuel utilization rate is acquired. done. First, under the same conditions as when the above reference map is created, control is performed to lower the fuel utilization rate of the system by 2 to 5 points, for example, 3 points (step S4). This control is performed by the fuel utilization rate drop setting means 80 (see FIG. 2), and when the fuel utilization rate is set to 77%, for example, when the power generation operation is performed at a fuel utilization rate of, for example, 80%. is set, the drive duty ratio of the fuel gas pump 24 is increased and the supply flow rate of the raw fuel gas is increased.

このようにして燃料利用率を下げた発電運転において、原燃料ガスの供給流量(即ち、燃料ガス流量センサ30の計測流量)及び空気の供給流量(即ち、空気流量センサ42の計測流量)が安定すると、ステップS5からステップS6に進む。即ち、流量安定判定手段78(図2参照)が原燃料ガスの供給流量及び空気供給流量が安定したと判定すると、リサイクル弁68が開状態のときの各種情報、具体的には燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比、原燃料ガスの供給流量及び空気の供給流量の取得が行われ、取得した各種情報が記録される(ステップS6)。 In the power generation operation with the fuel utilization rate lowered in this way, the supply flow rate of the raw fuel gas (that is, the flow rate measured by the fuel gas flow sensor 30) and the supply flow rate of air (that is, the flow rate measured by the air flow sensor 42) are stable. Then, the process proceeds from step S5 to step S6. That is, when the flow rate stability determination means 78 (see FIG. 2) determines that the supply flow rate of the raw fuel gas and the air supply flow rate have stabilized, various information when the recycle valve 68 is open, specifically the fuel gas pump 24 The drive duty ratio, raw fuel gas supply flow rate, and air supply flow rate are acquired, and the acquired various information is recorded (step S6).

その後、リサイクル弁68を閉状態にし(ステップS7)、これにより、リサイクル流路66を通しての燃料オフガスのリサイクルが終了する。このようにして燃料オフガスのリサイクルが終了して原燃料ガスの供給流量(即ち、燃料ガス流量センサ30の計測流量)及び空気の供給流量(即ち、空気流量センサ42の計測流量)が安定する、即ち流量安定判定手段78(図2参照)が原燃料ガスの供給流量及び空気の供給流量が安定していると判定すると、ステップS8からステップS9に進み、リサイクル弁68が閉状態のときの各種情報、具体的には燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比、原燃料ガスの供給流量及び空気の供給流量の取得が行われ、取得した各種情報が記録される。 After that, the recycling valve 68 is closed (step S7), thereby completing the recycling of the fuel off-gas through the recycling passage 66. FIG. In this way, the recycling of the fuel off-gas is completed, and the supply flow rate of the raw fuel gas (that is, the flow rate measured by the fuel gas flow sensor 30) and the supply flow rate of air (that is, the flow rate measured by the air flow sensor 42) are stabilized. That is, when the flow rate stability determination means 78 (see FIG. 2) determines that the supply flow rate of the raw fuel gas and the supply flow rate of air are stable, the process proceeds from step S8 to step S9, and various operations are performed when the recycle valve 68 is closed. Information, specifically, the drive duty ratio of the fuel gas pump 24, the raw fuel gas supply flow rate, and the air supply flow rate are acquired, and the acquired various information is recorded.

その後、リサイクル弁68の開閉前後の燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比差(リサイクル弁68の開状態における駆動デューティ比とリサイクル弁68が閉状態における駆動デューティ比との差値)が演算され(ステップS41)、この演算された駆動デューティ比差値も記憶される。 After that, the drive duty ratio difference of the fuel gas pump 24 before and after opening and closing the recycle valve 68 (difference value between the drive duty ratio when the recycle valve 68 is open and the drive duty ratio when the recycle valve 68 is closed) is calculated (step S41). ), this calculated drive duty ratio difference value is also stored.

そして、リサイクル弁68の開閉前後におけるこれら情報の変化に基づいてセルスタック6の燃料利用率が適正に設定されているかの判断がなされ、適正に設定されていないときにはこの燃料利用率の補正が次のように行われる。即ち、燃料利用率判定手段84(図2参照)は、リサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比差と基準デューティ比差値(メモリ手段88に登録されている基準マップから読み出す)とを比較する。 Then, it is determined whether the fuel utilization rate of the cell stack 6 is properly set based on the change in the information before and after opening and closing the recycle valve 68. If it is not properly set, the fuel utilization rate is corrected as follows. is done like That is, the fuel utilization rate determining means 84 (see FIG. 2) compares the drive duty ratio difference before and after opening and closing the recycle valve 68 with the reference duty ratio difference value (read out from the reference map registered in the memory means 88). .

この基準デューティ比差値としては、メモリ手段88に登録されている基準マップから対応する駆動デューティ比差値を読み出し、この読み出した駆動デューティ比差値を基準デューティ比差値とし、リサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比差との比較が行われる。このとき、リサイクル弁68の開閉前後の燃料ガスの供給流量と対応する、基準マップにおける燃料ガスの供給流量の駆動デューティ比差値が読み出され、このようにリサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比差の変動を利用してリサイクル率の変動を把握している。 As the reference duty ratio difference value, the corresponding drive duty ratio difference value is read from the reference map registered in the memory means 88, and the read drive duty ratio difference value is used as the reference duty ratio difference value. A comparison is made with the drive duty ratio difference before and after opening and closing. At this time, the drive duty ratio difference value of the fuel gas supply flow rate in the reference map corresponding to the fuel gas supply flow rate before and after the recycle valve 68 is opened and closed is read. Fluctuations in the ratio difference are used to capture fluctuations in the recycling rate.

そして、リサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比差がこの基準デューティ比差値より小さいときには、セルスタック6での燃料利用率が高いと判定する。燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より小さいということは、リサイクル流路66を通しての燃料オフガスのリサイクル量が少なく、燃料オフガスのリサイクル率が減少側に変動している(即ち、リサイクル率が設定値よりも小さくなっている)ということであり、このような場合、燃料利用率判定手段84は、「燃料利用率大」と判定し、ステップS11からステップS12に進み、燃料利用率補正手段86は燃料利用率を下げるように補正し、この実施形態では例えば0.5ポイント下げるように補正し、補正した燃料利用率でもってシステムが発電運転される。 When the drive duty ratio difference before and after opening and closing the recycle valve 68 is smaller than the reference duty ratio difference value, it is determined that the fuel utilization rate in the cell stack 6 is high. If the driving duty ratio difference of the fuel gas pump 24 is smaller than the reference duty ratio difference value, the amount of fuel off-gas recycled through the recycling passage 66 is small, and the fuel off-gas recycling rate fluctuates on the decreasing side (that is, The recycling rate is smaller than the set value), and in such a case, the fuel utilization rate determining means 84 determines that the "fuel utilization rate is high", and proceeds from step S11 to step S12 to reduce the fuel utilization rate. The rate correcting means 86 corrects the fuel utilization rate to lower it, for example, by 0.5 points in this embodiment, and the system is operated to generate power with the corrected fuel utilization rate.

また、燃料利用率判定手段84は、リサイクル弁68の開閉前後の駆動デューティ比差とこの基準デューティ比差値(メモリ手段88に登録されている基準マップから読み出す)とを比較し、この駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より大きいときには、セルスタック6での燃料利用率が低いと判定する。燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より大きいということは、リサイクル流路66を通しての燃料オフガスのリサイクル量が多く、燃料オフガスのリサイクル率が増加側に変動している(即ち、リサイクル率が設定値よりも大きくなっている)ということであり、このような場合、燃料利用率判定手段84は、「燃料利用率小」と判定し、ステップS11からステップS13に移り、燃料利用率補正手段86は燃料利用率を上げるように補正する。 Further, the fuel utilization rate determination means 84 compares the drive duty ratio difference before and after the recycle valve 68 is opened and closed with this reference duty ratio difference value (read out from the reference map registered in the memory means 88), and determines the drive duty ratio. When the ratio difference is larger than the reference duty ratio difference value, it is determined that the fuel utilization rate in the cell stack 6 is low. When the driving duty ratio difference of the fuel gas pump 24 is larger than the reference duty ratio difference value, the amount of fuel off-gas recycled through the recycling passage 66 is large, and the fuel off-gas recycling rate fluctuates on the increasing side (that is, The recycling rate is higher than the set value), and in such a case, the fuel utilization rate determining means 84 determines that the "fuel utilization rate is small" and moves from step S11 to step S13 to reduce the fuel utilization rate. A rate correction means 86 corrects so as to increase the fuel utilization rate.

このとき、セルスタック6での燃料利用率が上限燃料利用率(例えば、85%前後に設定される)に達しているときには、更に燃料利用率を高めることはシステム上好ましくなく、ステップS13からステップS14に移る。一方、この燃料利用率が上限燃料利用率に達していないときには、ステップS14からステップS15に進み、燃料利用率補正手段86は燃料利用率を上げるように補正し、この実施形態では例えば0.5ポイント上げるように補正し、補正した燃料利用率でもってシステムが発電運転される。 At this time, when the fuel utilization rate in the cell stack 6 has reached the upper limit fuel utilization rate (for example, set to around 85%), it is not preferable for the system to further increase the fuel utilization rate. Move to S14. On the other hand, when the fuel utilization rate has not reached the upper limit fuel utilization rate, the process proceeds from step S14 to step S15, and the fuel utilization rate correcting means 86 corrects the fuel utilization rate so as to increase it, for example, 0.5 in this embodiment. Correction is made to raise the points, and the system is operated to generate power with the corrected fuel utilization rate.

上述した実施形態では、リサイクル弁68の開閉前後における原燃料ガスの供給流量(燃料ガス流量センサ30の計測流量)の変化を考慮してこの駆動デューティ比差と基準デューティ比差値とを比較しているが、リサイクル弁68の開閉前後における原燃料ガスの供給流量の変化に加えて、このリサイクル弁68の開閉前後における空気の供給流量の変化をも考慮してこの駆動デューティ比差と基準デューティ比差値とを比較するようにすることもできる。 In the above-described embodiment, the drive duty ratio difference and the reference duty ratio difference value are compared in consideration of changes in the supply flow rate of the raw fuel gas (flow rate measured by the fuel gas flow rate sensor 30) before and after the recycle valve 68 is opened and closed. However, in addition to the change in the supply flow rate of the raw fuel gas before and after opening and closing the recycling valve 68, the change in the supply flow rate of air before and after opening and closing the recycling valve 68 is taken into consideration, and the drive duty ratio difference and the reference duty ratio are calculated. It is also possible to compare with the ratio difference value.

また、上述した実施形態では、リサイクル弁68の開閉前後の燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比差と基準デューティ比差値とを比較しているが、基準デューティ比差値として第1基準デューティ比差値及び第2基準デューティ比差値(第1基準デューティ比差値よりも大きい値)とを比較し、燃料オフガスのリサイクル率が減少側に変動しているかを判定するときには第1基準デューティ比差値を用い、また燃料オフガスのリサイクル率が増加側に変動していると判定するときには第2基準デューティ比差値を用いるようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the drive duty ratio difference of the fuel gas pump 24 before and after opening and closing the recycle valve 68 is compared with the reference duty ratio difference value. and a second reference duty ratio difference value (a value larger than the first reference duty ratio difference value), and when it is determined whether the fuel off-gas recycling rate fluctuates on the decreasing side, the first reference duty ratio difference value and the second reference duty ratio difference value may be used when it is determined that the fuel off-gas recycling rate is increasing.

図1~図3に示す実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2では、セルスタック6からの燃料オフガスを高温ハウジング54外に流し、この高温ハウジング54外にて第3熱交換器60で冷却し、冷却した燃料オフガスを再び高温ハウジング54内に導いて燃焼器46に送給するとともに、この冷却した燃料オフガスの一部をリサイクル流路66を通して燃料ガスポンプ24の上流側に戻しているが、次のような形態の固体酸化物形燃料電池システムにも同様に適用することができる。 In the solid oxide fuel cell system 2 of the embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the fuel off-gas from the cell stack 6 is flowed outside the high temperature housing 54 and cooled by the third heat exchanger 60 outside the high temperature housing 54. Then, the cooled fuel off-gas is introduced again into the high temperature housing 54 and supplied to the combustor 46, and a part of this cooled fuel off-gas is returned to the upstream side of the fuel gas pump 24 through the recycling passage 66. The same can be applied to solid oxide fuel cell systems of the following forms.

図6を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第2の実施形態について説明する。尚、この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、上述の第1の実施形態のものと実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。 A second embodiment of the solid oxide fuel cell system will be described with reference to FIG. In the solid oxide fuel cell system of the second embodiment, members that are substantially the same as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

図6において、図示の固体酸化物形燃料電池システム2Aでは、セルスタック6からの燃料オフガスを燃焼器46に導く燃料オフガス送給流路44Aは、高温ハウジング54内においてセルスタック6の燃料極の排出側と燃焼器46の流入側とを接続している。また、燃料オフガスの一部を燃料ガスポンプ24の上流側に戻すリサイクル流路66Aは、その一端側が高温ハウジング54内にて燃料オフガス送給流路44Aに接続され、その他端側が高温ハウジング54の外側に延びて燃料ガス供給流路14の所定部位(燃料ガスポンプ24と第2絞り部材26との間の部位)に接続されている。そして、リサイクル流路66Aの他端側(高温ハウジング54の外側にて延びる部分)に第3熱交換器60、ドレインセパレータ64及びリサイクル弁68がこの順に配設されている。この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Aのその他の構成は、上述した第1の実施形態のものと実質上同一である。 6, in the illustrated solid oxide fuel cell system 2A, the fuel offgas feed passage 44A for guiding the fuel offgas from the cell stack 6 to the combustor 46 is located inside the high temperature housing 54 of the fuel electrode of the cell stack 6. It connects the discharge side and the inlet side of the combustor 46 . A recycling passage 66A that returns part of the fuel off-gas to the upstream side of the fuel gas pump 24 has one end connected to the fuel off-gas supply passage 44A inside the high temperature housing 54 and the other end outside the high temperature housing 54. and is connected to a predetermined portion of the fuel gas supply passage 14 (a portion between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26). A third heat exchanger 60, a drain separator 64 and a recycle valve 68 are arranged in this order on the other end side of the recycle passage 66A (a portion extending outside the high temperature housing 54). Other configurations of the solid oxide fuel cell system 2A of the second embodiment are substantially the same as those of the first embodiment described above.

この第2の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム2Aにおいては、セルスタック6の燃料極側からの燃料オフガスは、燃料オフガス送給流路44Aを通して燃焼器46に送給され、かく送給された燃料オフガスは、セルスタック6の空気極側から空気オフガス送給流路48を通して送給される空気オフガスにより燃焼される。また、リサイクル弁68が開状態のときには、燃料オフガス送給流路44Aを流れる燃料オフガスの一部はリサイクル流路66Aを通して燃料ガス供給流路14(具体的には、燃料ガスポンプ24の上流側部位)に戻され、燃料ガス供給流路14を流れる原燃料ガスに混合されて下流側に脱硫器20に向けて供給される。 In the solid oxide fuel cell system 2A of the second embodiment, the fuel off-gas from the fuel electrode side of the cell stack 6 is supplied to the combustor 46 through the fuel off-gas supply passage 44A. The fuel off-gas thus produced is combusted by the air off-gas supplied from the air electrode side of the cell stack 6 through the air off-gas supply passage 48 . Further, when the recycle valve 68 is open, part of the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas supply channel 44A passes through the recycle channel 66A to the fuel gas supply channel 14 (specifically, the upstream portion of the fuel gas pump 24). ), mixed with the raw fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 14, and supplied toward the desulfurizer 20 downstream.

リサイクル流路66Aを流れる燃料オフガスは、第3熱交換器60にて熱交換により冷却され、この冷却により燃料オフガス中の水分が凝縮され、ドレインセパレータ64にて凝縮水が燃料オフガスから分離された後に、水分が除去された燃料オフガスが燃料ガス供給流路14に戻される。 The fuel off-gas flowing through the recycle flow path 66A is cooled by heat exchange in the third heat exchanger 60, water in the fuel off-gas is condensed by this cooling, and the condensed water is separated from the fuel off-gas by the drain separator 64. Afterwards, the fuel off-gas from which moisture has been removed is returned to the fuel gas supply channel 14 .

この固体酸化物形燃料電池システム2Aにおいても、セルスタック6の燃料利用率の補正については第1の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムと同様に行うことができ、従って、第1の実施形態のものと同様の作用効果を達成することができる。 Also in this solid oxide fuel cell system 2A, the fuel utilization rate of the cell stack 6 can be corrected in the same manner as in the solid oxide fuel cell system of the first embodiment. It is possible to achieve effects similar to those of the form.

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。 Although various embodiments of the solid oxide fuel cell system according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible.

例えば、上述した固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃料ガスポンプ24(燃料ガス供給手段)における結露発生を抑えるために、例えば、次のように構成するようにしてもよい。即ち、燃料ガスポンプ24(燃料ガス供給手段)に関連して温度検知手段(例えば、温度検知センサ)を設け、この温度検知手段の検知温度が設定所定温度(例えば、30℃)を超えたとき、この温度検知手段からの検知信号に基づいてコントローラ72が作動許容信号を生成し、この作動許容信号に基づいてリサイクル弁68が開状態又は開度大状態に許容されるように構成することができる。このように構成した場合、燃料ガスポンプ24の温度が低いときには燃料オフガスがリサイクル流路66を通して燃料ガスポンプ24の上流側にリサイクルされることはなく、これにより、燃料オフガス中に残留する水蒸気が燃料ガスポンプ24で結露することが防止される。 For example, in the solid oxide fuel cell system described above, in order to suppress the occurrence of dew condensation in the fuel gas pump 24 (fuel gas supply means), the system may be configured as follows. That is, a temperature detection means (for example, a temperature detection sensor) is provided in relation to the fuel gas pump 24 (fuel gas supply means), and when the temperature detected by this temperature detection means exceeds a predetermined set temperature (for example, 30° C.), The controller 72 may generate an operation permission signal based on the detection signal from the temperature detection means, and the recycle valve 68 may be allowed to be open or open greatly based on the operation permission signal. . In this configuration, when the temperature of the fuel gas pump 24 is low, the fuel off-gas is not recycled to the upstream side of the fuel gas pump 24 through the recycle flow path 66, so that water vapor remaining in the fuel off-gas is discharged into the fuel gas pump. Condensation at 24 is prevented.

また、上述した実施形態では、リサイクル弁68として開閉弁を用い、この開閉弁の開状態と閉状態のときの燃料ガスポンプ24の駆動デューティ比に基づいてセルスタック6の燃料利用率の補正を行っているが、このリサイクル弁68として比例弁を用いるようにしてもよく、この場合、比例弁の開度大状態と開度小状態のときの燃料ガスポンプのデューティ比に基づいてセルスタック6の燃料利用率の補正を行うようになる。 Further, in the above-described embodiment, an on-off valve is used as the recycle valve 68, and the fuel utilization rate of the cell stack 6 is corrected based on the driving duty ratio of the fuel gas pump 24 when the on-off valve is in the open state and the closed state. However, a proportional valve may be used as the recycle valve 68. In this case, the fuel in the cell stack 6 is determined based on the duty ratio of the fuel gas pump when the proportional valve is in a large opening state or a small opening state. Utilization rate will be corrected.

2,2A 固体酸化物形燃料電池システム
4 改質器
6 セルスタック
12 気化器
14 燃料ガス供給流路
24 燃料ガスポンプ
30 燃料ガス流量センサ(燃料ガス流力計測手段)
44,44A 燃料オフガス送給流路
46 燃焼器
54 高温ハウジング
66,66A リサイクル流路
68 リサイクル弁
72 コントローラ
82 デューティ比差演算手段
88 燃料利用率補正手段




2, 2A solid oxide fuel cell system 4 reformer 6 cell stack 12 vaporizer 14 fuel gas supply channel 24 fuel gas pump 30 fuel gas flow rate sensor (fuel gas flow force measuring means)
44, 44A fuel offgas supply channel 46 combustor 54 high temperature housing 66, 66A recycle channel 68 recycle valve 72 controller 82 duty ratio difference calculation means 88 fuel utilization rate correction means




Claims (7)

原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、原燃料ガスの流量を計測するための燃料流量計測手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスを冷却するための冷却器と、前記冷却器にて冷却された後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記冷却器にて冷却された後の燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路に配設されたリサイクル弁と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、燃料利用率を設定する燃料利用率設定手段及び前記燃料利用率を補正する燃料利用率補正手段を含み、前記燃料利用率補正手段は、前記リサイクル弁の開状態又は開度大状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デュ-ティ比及び前記リサイクル弁の閉状態又は開度小状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比に基づいて燃料利用率の補正を行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
A reformer for steam reforming the raw fuel gas, a vaporizer for generating steam used for steam reforming, and a reformed fuel gas reformed by the reformer and oxygen in the air. A cell stack that generates electricity by oxidation and reduction, a fuel gas supply means for supplying raw fuel gas to the reformer, an air supply means for supplying air to the cell stack, and a flow rate of the raw fuel gas. a cooler for cooling the fuel off-gas after the power generation reaction in the cell stack; and the fuel off-gas after being cooled by the cooler and the power generation reaction of the cell stack. a combustor for combusting the post-air off-gas; a recycle flow path for guiding a portion of the fuel off-gas after being cooled by the cooler to the upstream side of the fuel gas supply means; and the recycle flow. A solid oxide fuel cell system comprising: a recycle valve disposed in a channel; and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means,
The controller includes fuel utilization rate setting means for setting a fuel utilization rate and fuel utilization rate correcting means for correcting the fuel utilization rate. and correcting the fuel utilization rate based on the drive duty ratio of the fuel gas supply means in the closed state or the small opening state of the recycle valve. Oxide fuel cell system.
原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、原燃料ガスの流量を計測するための燃料流量計測手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスを冷却するための冷却器と、前記リサイクル流路に配設されたリサイクル弁と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
前記コントローラは、燃料利用率を設定する燃料利用率設定手段及び前記燃料利用率を補正する燃料利用率補正手段を含み、前記燃料利用率補正手段は、前記リサイクル弁の開状態又は開度大状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デュ-ティ比及び前記リサイクル弁の閉状態又は開度小状態における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比に基づいて燃料利用率の補正を行うことを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
A reformer for steam reforming the raw fuel gas, a vaporizer for generating steam used for steam reforming, and a reformed fuel gas reformed by the reformer and oxygen in the air. A cell stack that generates electricity by oxidation and reduction, a fuel gas supply means for supplying raw fuel gas to the reformer, an air supply means for supplying air to the cell stack, and a flow rate of the raw fuel gas. a combustor for burning the fuel off-gas and air off-gas after the power generation reaction in the cell stack, and a part of the fuel off-gas on the upstream side of the fuel gas supply means a recycle passage for guiding to the recycle passage, a cooler for cooling the fuel off-gas flowing through the recycle passage, a recycle valve disposed in the recycle passage, the fuel gas supply means and the air supply means A controller for controlling the operation of a solid oxide fuel cell system comprising:
The controller includes fuel utilization rate setting means for setting a fuel utilization rate and fuel utilization rate correcting means for correcting the fuel utilization rate. and correcting the fuel utilization rate based on the drive duty ratio of the fuel gas supply means in the closed state or the small opening state of the recycle valve. Oxide fuel cell system.
前記燃料利用率補正手段は、前記リサイクル弁の開閉前後又は開度大小前後における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比差が基準デューティ比差値より大きいときには燃料オフガスのリサイクル率が増加側に変動していると判定して燃料利用率が大きくなるように補正し、また前記リサイクル弁の開閉前後又は開度大小前後における前記燃料ガス供給手段の駆動デューティ比差が前記基準デューティ比差値より小さいときには燃料オフガスのリサイクル率が減少側に変動していると判定して燃料利用率が小さくなるように補正することを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The fuel utilization rate correcting means increases the recycling rate of the fuel off-gas when the drive duty ratio difference of the fuel gas supply means before and after opening and closing of the recycle valve or before and after the degree of opening is greater than a reference duty ratio difference value. If the difference in drive duty ratio of the fuel gas supply means before and after opening and closing of the recycle valve or before and after the degree of opening of the recycle valve is smaller than the reference duty ratio difference value 3. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein it is determined that the recycling rate of the fuel off-gas is fluctuating to the decreasing side, and the correction is made so that the fuel utilization rate becomes smaller. 前記リサイクル弁は、前記リサイクル流路を開閉するための弁体を備えた開閉弁から構成され、前記開閉弁の前記弁体をバイパスしてバイパス流路が設けられており、前記リサイクル流路に流れる燃料オフガスの一部が前記バイパス流路を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に流れることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The recycling valve is composed of an on-off valve having a valve body for opening and closing the recycling flow path, and a bypass flow path is provided by bypassing the valve body of the on-off valve. 4. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein part of the flowing fuel off-gas flows upstream of said fuel gas supply means through said bypass passage. 前記リサイクル弁は、前記リサイクル流路を開閉するための弁体を備えた開閉弁から構成され、前記開閉弁の前記弁体に貫通孔が設けられており、前記リサイクル流路に流れる燃料オフガスの一部が前記弁体の前記貫通孔を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に流れることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The recycling valve is composed of an on-off valve having a valve body for opening and closing the recycling flow path. 4. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein a part of the fuel gas flows through the through-hole of the valve body to the upstream side of the fuel gas supply means. 前記リサイクル弁は、前記リサイクル流路を開閉制御するための弁体を備えた比例弁から構成され、前記弁体の開度小状態のときには、前記リサイクル流路に流れる燃料オフガスの一部が前記比例弁を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に流れることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 The recycle valve is composed of a proportional valve having a valve body for controlling the opening and closing of the recycle flow path. 4. The solid oxide fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas flows upstream of said fuel gas supply means through a proportional valve. 前記燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設され、前記温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると、前記コントローラは、前記温度検知手段からの検知信号に基づいて前記リサイクル弁を開状態又は開度大状態とする制御を許容することを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。





Temperature detection means is provided in relation to the fuel gas supply means, and when the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature, the controller controls the recycle valve according to a detection signal from the temperature detection means. 4. The solid oxide fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it permits control to set the open state or the large opening state.





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