JP7293466B1 - FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM - Google Patents

FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM Download PDF

Info

Publication number
JP7293466B1
JP7293466B1 JP2022108294A JP2022108294A JP7293466B1 JP 7293466 B1 JP7293466 B1 JP 7293466B1 JP 2022108294 A JP2022108294 A JP 2022108294A JP 2022108294 A JP2022108294 A JP 2022108294A JP 7293466 B1 JP7293466 B1 JP 7293466B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
oxidizing gas
gas
control valve
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022108294A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2024007090A (en
Inventor
優人 三谷
弘行 大澤
康 岩井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2022108294A priority Critical patent/JP7293466B1/en
Priority to JP2023011983A priority patent/JP7408855B1/en
Priority to PCT/JP2023/006931 priority patent/WO2024009552A1/en
Priority to TW112110198A priority patent/TW202404164A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7293466B1 publication Critical patent/JP7293466B1/en
Publication of JP2024007090A publication Critical patent/JP2024007090A/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701Temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

【課題】燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮する。【解決手段】燃料電池313と、ターボチャージャ411と、圧縮機421で圧縮した酸化性ガスを空気極113へ供給する酸化性ガス供給ライン331と、燃料ガスL1を燃料極109へ供給する燃料ガスライン341と、酸化性ガスを加熱する起動用加熱器458と、酸化性ガス供給ライン331に接続される酸化性ガスブローライン444に配置されるブロー弁445と、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際にブロー弁445を開状態とし、燃料電池313の発電室が起動用加熱器458により加熱された酸化性ガスA2により所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁445を閉状態に切り替えるよう制御弁342およびブロー弁445を制御する制御装置20と、を備える燃料電池システム310を提供する。【選択図】図4An object of the present invention is to shorten the start-up time required from the start of supply of fuel gas to a fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state. A fuel cell (313), a turbocharger (411), an oxidizing gas supply line (331) for supplying an oxidizing gas compressed by a compressor (421) to an air electrode (113), and a fuel gas for supplying a fuel gas (L1) to a fuel electrode (109). line 341, starting heater 458 for heating oxidizing gas, blow valve 445 arranged in oxidizing gas blow line 444 connected to oxidizing gas supply line 331, and fuel gas L1 to fuel electrode 109. The blow valve 445 is opened when the supply of the fuel cell 313 is started, and when the power generation chamber of the fuel cell 313 reaches a predetermined heating state by the oxidizing gas A2 heated by the heater 458 for start-up, the blow valve 445 a controller 20 that controls the control valve 342 and the blow valve 445 to switch to a closed state. [Selection drawing] Fig. 4

Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems and methods of operating fuel cell systems.

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」という)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている(例えば、特許文献1参照)。 A fuel cell that generates power by chemically reacting a fuel gas and an oxidizing gas has characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness. Among these, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cells: hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as electrolytes, and hydrogen, city gas, natural gas, petroleum, methanol, and carbon-containing raw materials is supplied as a fuel gas, such as a gasified gas produced by a gasification facility, and reacted in a high-temperature atmosphere of about 700°C to 1000°C to generate power (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1には、SOFCとターボチャージャを組み合わせたSOFCシステムが開示されている。特許文献1では、SOFCから排出される排燃料ガスを燃焼器で燃焼させてタービンに燃焼ガスを供給してタービンを回転駆動する。タービンに連結された圧縮機は、酸化性ガスを圧縮して空気極へ供給する。 Patent Literature 1 discloses an SOFC system in which an SOFC and a turbocharger are combined. In Patent Document 1, exhaust fuel gas discharged from an SOFC is combusted in a combustor, and the combustion gas is supplied to a turbine to rotationally drive the turbine. A compressor coupled to the turbine compresses the oxidizing gas and supplies it to the cathode.

また、特許文献1には、SOFCを起動する際に発電室を高温雰囲気とするために、空気極へ供給される酸化性ガスを起動用加熱器により加熱すること、空気極へ燃料ガスを供給して触媒反応により発電室を昇温させることが開示されている。 Further, in Patent Document 1, in order to make the generation chamber a high-temperature atmosphere when starting the SOFC, the oxidizing gas supplied to the air electrode is heated by a start-up heater, and the fuel gas is supplied to the air electrode. It is disclosed that the temperature of the power generation chamber is raised by catalytic reaction.

特許第6922016号公報Japanese Patent No. 6922016

しかしながら、発電室が低温雰囲気(例えば、400℃~500℃)である場合には燃料電池の触媒の活性が低いため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となる場合がある。この場合、発電室における燃焼が十分に行えず、低温雰囲気から高温雰囲気に至るまでの起動時間が長くなってしまう。 However, when the power generation chamber is in a low-temperature atmosphere (for example, 400° C. to 500° C.), the catalytic activity of the fuel cell is low, so the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode is supplied to the fuel electrode. It may be excessive with respect to the supply amount of fuel gas. In this case, the combustion in the generator chamber cannot be sufficiently performed, and the start-up time from the low temperature atmosphere to the high temperature atmosphere becomes long.

発電室を昇温させるために、空気極へ供給する燃料ガスを増加させて触媒反応を促進する方法が考えられるが、低温雰囲気における触媒反応の能力には限界がある。そのため、空気極へ供給する燃料ガスを増加させても、発電室を十分に昇温させることができない可能性がある。 In order to raise the temperature of the generating chamber, it is possible to increase the amount of fuel gas supplied to the air electrode to promote the catalytic reaction, but there is a limit to the ability of the catalytic reaction in a low-temperature atmosphere. Therefore, even if the amount of fuel gas supplied to the air electrode is increased, there is a possibility that the temperature of the generator chamber cannot be sufficiently raised.

また、空気極へ供給する燃料ガスを増加させて空気極から排出される未反応の排燃料ガスが増加すると、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数と、圧縮機が空気極に供給する酸化性ガスの流量が増加する。そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となってしまい、起動時間が更に長くなってしまう。 In addition, when the fuel gas supplied to the air electrode is increased and the unreacted exhaust fuel gas discharged from the air electrode increases, the number of rotations per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas and the compressor The flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases. As a result, the supply amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode becomes excessive with respect to the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, further lengthening the start-up time.

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of such circumstances, and it is possible to shorten the startup time required from the start of fuel gas supply to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state. An object of the present invention is to provide an efficient fuel cell system and a method of operating the fuel cell system.

上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置と、を備える。
In order to solve the above problems, the present disclosure employs the following means.
A fuel cell system according to the present disclosure is driven by a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and the turbine. a turbocharger having a compressor; an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve disposed; a heating unit for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line; and a blower connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside. a blow valve disposed in the blow line; and the blow valve is opened when the fuel gas control valve is switched from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode. and the fuel gas control valve and the blow valve are switched to a closed state when the generating chamber of the fuel cell reaches a predetermined heated state by the oxidizing gas heated by the heating unit. and a control device for controlling.

本開示に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービンおよび前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、前記ブロー弁を開状態とする工程と、前記ブロー弁が開状態である場合に、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える。 A method of operating a fuel cell system according to the present disclosure is a method of operating a fuel cell system, the fuel cell system comprising: a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode; exhaust fuel gas discharged from the fuel cell; a turbocharger having a turbine to which exhaust oxidizing gas is supplied as combustion gas and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line; a heating unit for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line; a blow line connected to a toxic gas supply line for discharging the oxidizing gas to the outside; and a blow valve disposed in the blow line, the blow valve being opened; is in an open state, switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; a control step of controlling the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state due to the supplied oxidizing gas.

本開示によれば、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。 According to the present disclosure, there is provided a fuel cell system and a method of operating the fuel cell system capable of shortening the start-up time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state. can provide.

本開示の第1実施形態に係るセルスタックの例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a cell stack according to the first embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の第1実施形態に係るSOFCモジュールの例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of an SOFC module according to a first embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の第1実施形態に係るSOFCカートリッジの例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of an SOFC cartridge according to a first embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の第1実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示した図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の第1実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。It is a figure showing an example of hardware constitutions of a control device concerning a 1st embodiment of this indication. 本開示の第1実施形態に係る燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。4 is a flow chart showing a method for starting the fuel cell system according to the first embodiment of the present disclosure; 触媒燃焼器へ供給される燃料ガスの変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in fuel gas supplied to a catalytic combustor; ブロー弁の開度の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in blow valve opening. 燃料極へ供給される燃料ガスの流量の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in the flow rate of fuel gas supplied to the fuel electrode; 発電室の温度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the temperature of a power generation room. タービンの回転数の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in the number of revolutions of a turbine; 発電室へ供給される酸化性ガスの流量の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in the flow rate of oxidizing gas supplied to the power generation chamber; 加熱制御弁の開度の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in the degree of opening of a heating control valve; 酸化性ガス制御弁の開度の変化を示すグラフである。4 is a graph showing changes in the degree of opening of an oxidizing gas control valve; 発電室の温度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the temperature of a power generation room.

〔第1実施形態〕
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその運転方法の第1実施形態について、図面を参照して説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of a fuel cell system and a method of operating the same according to the present disclosure will be described below with reference to the drawings.

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものであり、鉛直方向は厳密ではなく誤差を含むものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。 In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component described using the expressions "upper" and "lower" with respect to the paper surface indicates the vertical upper side and the vertical lower side, respectively. is not precise and contains errors. Further, in this embodiment, the same effect can be obtained in the vertical direction and the horizontal direction. good.

また、以下においては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルスタックとして円筒形(筒状)を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極(燃料極109もしくは空気極113)が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。 In the following description, a cylindrical (cylindrical) cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described as an example, but this is not necessarily the case. good too. Although the fuel cell is formed on the substrate, the electrode (the fuel electrode 109 or the air electrode 113) may be thickly formed instead of the substrate so as to double as the substrate.

まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極109を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒(Flat tubular)等のセルスタックでもよい。 First, a cylindrical cell stack using a substrate tube will be described as an example according to this embodiment with reference to FIG. When the substrate tube is not used, for example, the fuel electrode 109 may be formed thick and used as the substrate tube, and the use of the substrate tube is not limited. Further, although the substrate tube in this embodiment is described as having a cylindrical shape, the substrate tube may be cylindrical, and the cross section is not necessarily limited to a circular shape, and may be an elliptical shape, for example. A cell stack such as a flat tubular in which the peripheral surface of the cylinder is vertically crushed may be used.

ここで、図1は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質膜111と空気極113とが積層して形成されている。 Here, FIG. 1 shows one aspect of the cell stack according to this embodiment. The cell stack 101 includes, for example, a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. . The fuel cell 105 is formed by laminating a fuel electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an air electrode 113. As shown in FIG.

また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。 In addition, the cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at one end of the base tube 103, which is the most end in the axial direction of the base tube 103, among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. , a lead film 115 electrically connected via an interconnector 107, and a lead film 115 electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end of the most end.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAlなどを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。 The substrate tube 103 is made of a porous material, such as CaO-stabilized ZrO2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), or Y2O3 - stabilized ZrO2 (YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 or the like. The substrate tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and also allows the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the substrate tube 103 to pass through the substrate tube 103 through the pores of the substrate tube 103. is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the .

燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50μm~250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。 The fuel electrode 109 is composed of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material, such as Ni/YSZ. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the fuel electrode 109 may be formed by screen printing slurry. In this case, the fuel electrode 109 has Ni, which is a component of the fuel electrode 109, catalyzing the fuel gas. This catalytic action causes the fuel gas supplied through the substrate tube 103, such as a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, to react and reform into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is.

また、燃料極109は、改質により得られる水素(H)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質膜111を介して供給される酸素イオン(O2-)とを固体電解質膜111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)及び二酸化炭素(CO)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。 In addition, the fuel electrode 109 combines hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied through the solid electrolyte membrane 111 with the solid electrolyte membrane 111. are electrochemically reacted near the interface to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electricity by electrons released from the oxygen ions.

固体酸化物形燃料電池の燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。 Fuel gases that can be supplied to and used by the fuel electrode 109 of the solid oxide fuel cell include hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), hydrocarbon gases such as methane (CH 4 ), city gas, and natural gas. In addition, gasification gas produced by gasification equipment from carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal can be used.

固体電解質膜111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質膜111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2-)を燃料極109に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質膜111の膜厚は10μm~100μmであり固体電解質膜111はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。 The solid electrolyte membrane 111 is mainly made of YSZ, which has airtightness and high oxygen ion conductivity at high temperatures. This solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 109 . The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen printing slurry.

空気極113は、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で構成され、空気極113はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極113は、固体電解質膜111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2-)を生成するものである。 The air electrode 113 is made of, for example, LaSrMnO 3 -based oxide or LaCoO 3 -based oxide, and slurry is applied to the air electrode 113 by screen printing or using a dispenser. This air electrode 113 generates oxygen ions (O 2− ) by dissociating oxygen in an oxidizing gas such as supplied air near the interface with the solid electrolyte membrane 111 .

空気極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnOで表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。 The air electrode 113 can also have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (intermediate air electrode layer) on the solid electrolyte membrane 111 side exhibits high ionic conductivity and is composed of a material with excellent catalytic activity. The cathode layer (cathode conductive layer) on the cathode intermediate layer may be composed of a perovskite oxide represented by Sr- and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, power generation performance can be further improved.

酸化性ガスとは,酸素を略15%~30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。 The oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% oxygen, and air is typically suitable, but other than air, mixed gas of combustion exhaust gas and air, mixed gas of oxygen and air is available.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1-xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as SrTiO 3 system, and the slurry is screen-printed. do. The interconnector 107 is a dense film that prevents mixing of the fuel gas and the oxidizing gas.

また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。 In addition, the interconnector 107 has stable durability and electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. This interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel cell 105 in the adjacent fuel cells 105, and connects the adjacent fuel cells 105 to each other. are connected in series.

リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材やSrTiO系などのM1-xLxTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタ107により直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。 The lead film 115 is required to have electronic conductivity and to have a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101. Therefore, the combination of Ni such as Ni/YSZ and the zirconia-based electrolyte material is preferable. It is composed of M1-xLxTiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as a composite material or SrTiO 3 system. This lead film 115 guides the DC power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector 107 to near the end of the cell stack 101 .

燃料極109、固体電解質膜111及びインターコネクタ107のスラリーの膜が形成された基体管103を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に1350℃~1450℃とされる。次に、共焼結された基体管103上に、空気極113のスラリーの膜が形成された基体管103が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に1100℃~1250℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管103~インターコネクタ107を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。 The substrate tube 103 on which the slurry film of the fuel electrode 109, the solid electrolyte membrane 111 and the interconnector 107 is formed is co-sintered in the atmosphere. The sintering temperature is specifically 1350°C to 1450°C. Next, the substrate tube 103 having the slurry film of the air electrode 113 formed on the co-sintered substrate tube 103 is sintered in the air. The sintering temperature is specifically set to 1100.degree. C. to 1250.degree. The sintering temperature here is lower than the co-sintering temperature after forming the base tube 103 to the interconnector 107 .

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

SOFCモジュール(燃料電池モジュール)201は、図2に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図2には円筒形のSOFCのセルスタック101を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。 The SOFC module (fuel cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (fuel cell cartridges) 203 and a pressure vessel 205 that houses the plurality of SOFC cartridges 203, as shown in FIG. Although the cylindrical SOFC cell stack 101 is illustrated in FIG. 2, it is not necessarily limited to this, and may be, for example, a flat cell stack.

また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)及び酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。 The SOFC module 201 also includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 also includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), an oxidizing gas supply branch pipe (not shown), an oxidizing gas discharge pipe (not shown), and a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes (not shown). and

燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205 and is connected to a fuel gas supply unit that supplies fuel gas with a predetermined gas composition and a predetermined flow rate corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201. It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. The fuel gas supply pipe 207 branches and guides a predetermined flow rate of fuel gas supplied from the above-described fuel gas supply section to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a.

また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。 Further, the fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and also to the plurality of SOFC cartridges 203 . The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially uniform flow rate, thereby substantially uniforming the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203. .

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

圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa~約3MPa、内部の温度が大気温度~約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。 Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to approximately 3 MPa and an internal temperature of from atmospheric temperature to approximately 550° C., it has durability and corrosion resistance to oxidants such as oxygen contained in the oxidizing gas. The materials we have are used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

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

SOFCカートリッジ203は、図3に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給ヘッダ217と、燃料ガス排出ヘッダ219と、酸化性ガス供給ヘッダ(空気供給ヘッダ)221と、酸化性ガス排出ヘッダ223とを備える。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。 As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply header 217, a fuel gas discharge header 219, an oxidizing gas supply header (air supply header) 221, and an oxidizing gas discharge header 223 . The SOFC cartridge 203 also includes an upper tube sheet 225a, a lower tube sheet 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b.

なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給ヘッダ217と燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221と酸化性ガス排出ヘッダ223とが図3のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック101の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック101の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 has the fuel gas supply header 217, the fuel gas discharge header 219, the oxidizing gas supply header 221, and the oxidizing gas discharge header 223 arranged as shown in FIG. , the fuel gas and the oxidizing gas flow inside and outside the cell stack 101 facing each other. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101 .

発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部(温度センサや熱電対など)で監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃~1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is a region formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is a region in which the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and is a region in which the fuel gas and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate power. Further, the temperature near the center of the cell stack 101 in the longitudinal direction of the power generation chamber 215 is monitored by a temperature measurement unit (temperature sensor, thermocouple, etc.) becomes a high-temperature atmosphere.

燃料ガス供給ヘッダ217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203. The fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper part of the upper casing 229a. is communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined to the upper tube plate 225a and the sealing member 237a. is introduced into the substrate tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate to substantially uniform the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 .

燃料ガス排出ヘッダ219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、図示しない燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。 The fuel gas discharge header 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203. The fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) is opened by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. is communicated with. In addition, the plurality of cell stacks 101 are joined to the lower tube plate 225b and the sealing member 237b, and the fuel gas discharge header 219 passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 to the fuel gas discharge header 219. The exhaust fuel gas supplied to is collected and led to the fuel gas discharge branch pipe 209a through the fuel gas discharge hole 231b.

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

酸化性ガス排出ヘッダ223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出ヘッダ223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。 The oxidizing gas discharge header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper heat insulator 227a of the SOFC cartridge 203, and is discharged by the oxidizing gas discharge holes 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. , is communicated with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown). The oxidizing gas discharge header 223 discharges the exhaust oxidizing gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas discharge header 223 through an oxidizing gas discharge gap 235b, which will be described later, through the oxidizing gas discharge hole 233b. It leads to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).

上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材237a及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ217と酸化性ガス排出ヘッダ223とを隔離するものである。 The upper tube sheet 225a is positioned between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a so that the upper tube sheet 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper heat insulator 227a are substantially parallel to each other. is fixed to the side plate of the The upper tube plate 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes. The upper tube plate 225a airtightly supports one end of each of the plurality of cell stacks 101 via one or both of a sealing member 237a and an adhesive member, and also includes a fuel gas supply header 217 and an oxidizing gas discharge header. 223.

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

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

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

下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材237b及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ219と酸化性ガス供給ヘッダ221とを隔離するものである。 The lower tube sheet 225b is placed between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b, and on the side plate of the lower casing 229b so that the bottom plate of the lower tube sheet 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel to each other. Fixed. The lower tube plate 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes. The lower tube sheet 225b airtightly supports the other ends of the plurality of cell stacks 101 via one or both of the sealing member 237b and the adhesive member, and also includes the fuel gas discharge header 219 and the oxidizing gas supply header. 221.

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

この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給ヘッダ221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給ヘッダ221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。 The lower heat insulator 227b partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply header 221. When the atmosphere around the lower tube sheet 225b becomes hot, its strength decreases and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas occurs. suppress the increase. The lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material such as Inconel that is resistant to high temperatures. It prevents. The lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

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

発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead films 115 made of Ni/YSZ or the like provided in the plurality of fuel cells 105, and then is supplied to the collector rod (non-contact) of the SOFC cartridge 203. ) through a current collecting plate (not shown) and taken out of each SOFC cartridge 203 .

前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。 The DC power led to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collecting rod is connected to the power generated by each SOFC cartridge 203 in a predetermined series number and parallel number, and is led out to the outside of the SOFC module 201, A power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown) converts the AC power into predetermined AC power, which is supplied to a power supply destination (for example, a load facility or a power system).

本開示の一実施形態に係る燃料電池システム310の概略構成について説明する。
図4は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム310の概略構成を示した概略構成図である。図4に示すように、燃料電池システム310は、ターボチャージャ411、及びSOFC313を備えている。SOFC313は、図示しないSOFCモジュールが1つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「SOFC」と記載する。この燃料電池システム310は、SOFC313により発電を行っている。そして、燃料電池システム310は、制御装置20によって制御が行われている。
A schematic configuration of a fuel cell system 310 according to an embodiment of the present disclosure will be described.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 310 according to one embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 4 , the fuel cell system 310 has a turbocharger 411 and an SOFC 313 . The SOFC 313 is configured by combining one or more SOFC modules (not shown), and is hereinafter simply referred to as "SOFC". This fuel cell system 310 generates power using an SOFC 313 . The fuel cell system 310 is controlled by the controller 20 .

ターボチャージャ411は、圧縮機421、及びタービン423を備えており、圧縮機421とタービン423とは回転軸424により一体回転可能に連結されている。後述するタービン423が回転することで圧縮機421が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機421は、空気取り込みライン325から取り込んだ空気Aを圧縮する。 The turbocharger 411 includes a compressor 421 and a turbine 423, and the compressor 421 and the turbine 423 are connected by a rotating shaft 424 so as to rotate integrally. The compressor 421 is rotationally driven by the rotation of a turbine 423 which will be described later. This embodiment is an example using air as the oxidizing gas, and the compressor 421 compresses the air A taken in from the air intake line 325 .

ターボチャージャ411を構成する圧縮機421に空気Aを取り込んで圧縮し、圧縮された空気Aを酸化性ガスA2としてSOFCの空気極113へと供給する。SOFCで発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスA3は、排酸化性ガスライン333を介して触媒燃焼器(燃焼器)422へ送られ、及びSOFCで発電のための化学反応に用いられた後の排燃料ガスL3は再循環ブロワ348で昇圧して、一部は燃料ガス再循環ライン349を介して燃料ガスライン341に再循環して供給するが、他部は排燃料ガスライン343を介して触媒燃焼器422へ送られる。 Compressor 421 constituting turbocharger 411 takes in air A and compresses it, and supplies compressed air A as oxidizing gas A2 to air electrode 113 of the SOFC. The exhaust oxidizing gas A3 after being used in the chemical reaction for power generation in the SOFC is sent to the catalytic combustor (combustor) 422 via the exhaust oxidizing gas line 333, and is used in the SOFC for chemical reaction for power generation. The exhaust fuel gas L3 after being used for the reaction is pressurized by the recirculation blower 348, and part of it is recirculated and supplied to the fuel gas line 341 through the fuel gas recirculation line 349, while the other part is exhausted. It is sent to catalytic combustor 422 via fuel gas line 343 .

このように、触媒燃焼器422には、排酸化性ガスA3及び排燃料ガスL3の一部とが供給されて図示しない触媒燃焼部において燃焼触媒を用いて比較的低温でも安定に燃焼させ(後述参照)、燃焼ガスGを生成する。 In this way, the exhaust oxidizing gas A3 and part of the exhaust fuel gas L3 are supplied to the catalytic combustor 422, and are stably burned at a relatively low temperature using a combustion catalyst in a catalytic combustion section (not shown) (described later). ), generating combustion gas G.

触媒燃焼器422は、排燃料ガスL3、排酸化性ガスA3、及び必要に応じて燃料ガスL1を混合して触媒燃焼部において燃焼させ、燃焼ガスGを生成する。触媒燃焼部には、例えばプラチナやパラジウムを主成分とする燃焼触媒が充填されており、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼が可能となっている。燃焼ガスGは燃焼ガス供給ライン328を通じてタービン423に供給される。タービン423は、燃焼ガスGが断熱膨張することにより回転駆動し、燃焼ガスGが燃焼排ガスライン329から排出される。 The catalytic combustor 422 mixes the exhaust fuel gas L3, the exhaust oxidizing gas A3, and, if necessary, the fuel gas L1, and combusts them in the catalytic combustion section to generate the combustion gas G. The catalytic combustion section is filled with a combustion catalyst containing, for example, platinum or palladium as a main component, enabling stable combustion at a relatively low temperature and low oxygen concentration. Combustion gas G is supplied to turbine 423 through combustion gas supply line 328 . The turbine 423 is rotationally driven by adiabatic expansion of the combustion gas G, and the combustion gas G is discharged from the flue gas line 329 .

触媒燃焼器422へは、制御弁352で流量を制御されて燃料ガスL1が供給される。燃料ガスL1は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス(LNG)を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素(H)及び一酸化炭素(CO)、メタン(CH)等の炭化水素ガス、及び炭素質原料(石油や石炭等)のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。 The fuel gas L1 is supplied to the catalytic combustor 422 with the flow rate controlled by the control valve 352 . The fuel gas L1 is a combustible gas, such as gas obtained by vaporizing liquefied natural gas (LNG), natural gas, city gas, hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), and the like. Hydrocarbon gas and gas produced by a gasification facility for carbonaceous raw materials (petroleum, coal, etc.) are used. The fuel gas means a fuel gas whose calorific value is adjusted to be substantially constant in advance.

触媒燃焼器422で燃焼により高温化した燃焼ガスGは、燃焼ガス供給ライン328を通じてターボチャージャ411を構成するタービン423に送られ、タービン423を回転駆動させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機421を駆動することで、空気取り込みライン325から取り込んだ空気Aを圧縮して圧縮空気が発生する。酸化性ガス(空気)を圧縮して送風する回転機器の動力をターボチャージャ411で発生させることができるため、所要動力を低減して発電システムの発電効率を向上できる。 The combustion gas G heated by combustion in the catalytic combustor 422 is sent to the turbine 423 constituting the turbocharger 411 through the combustion gas supply line 328, and rotates the turbine 423 to generate rotational power. By driving the compressor 421 with this rotational power, the air A taken in from the air intake line 325 is compressed to generate compressed air. Since the turbocharger 411 can generate the power of the rotary device that compresses and blows the oxidizing gas (air), the required power can be reduced and the power generation efficiency of the power generation system can be improved.

熱交換器(再生熱交換器)430は、タービン423から排出された排ガスと圧縮機421から供給される酸化性ガスA2との間で熱交換を行う。排ガスは、酸化性ガスA2との熱交換で冷却された後に、例えば排熱回収装置442を介して、煙突(不図示)を通して外部に放出される。 A heat exchanger (regenerative heat exchanger) 430 exchanges heat between the exhaust gas discharged from the turbine 423 and the oxidizing gas A2 supplied from the compressor 421 . After being cooled by heat exchange with the oxidizing gas A2, the exhaust gas is discharged to the outside through a chimney (not shown) via an exhaust heat recovery device 442, for example.

SOFC313は、還元剤として燃料ガスL1と、酸化剤として酸化性ガスA2とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。SOFC313は、図示しないSOFCモジュールから構成され、SOFCモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極109と空気極113と固体電解質膜111を備えている。 The SOFC 313 is supplied with the fuel gas L1 as a reducing agent and the oxidizing gas A2 as an oxidizing agent, and reacts at a predetermined operating temperature to generate power. The SOFC 313 is composed of an SOFC module (not shown) and accommodates an assembly of a plurality of cell stacks provided in a pressure vessel of the SOFC module. A membrane 111 is provided.

SOFC313は、空気極113に酸化性ガスA2が供給され、燃料極109に燃料ガスL1が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の電力へと変換されて、電力需要先へ供給される。 The SOFC 313 generates power when the air electrode 113 is supplied with the oxidizing gas A2 and the fuel electrode 109 is supplied with the fuel gas L1. and supplied to power demand destinations.

SOFC313には、圧縮機421で圧縮した酸化性ガスA2を空気極113へ供給する酸化性ガス供給ライン331が接続されている。酸化性ガス供給ライン331を通じて酸化性ガスA2が空気極113の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この酸化性ガス供給ライン331には、供給する酸化性ガスA2の流量を調整するための制御弁(酸化性ガス制御弁)335が設けられている。熱交換器430において、酸化性ガスA2は、燃焼排ガスライン329から排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温される。 The SOFC 313 is connected to an oxidizing gas supply line 331 that supplies the oxidizing gas A2 compressed by the compressor 421 to the air electrode 113 . An oxidizing gas A2 is supplied to an oxidizing gas introduction portion (not shown) of the air electrode 113 through the oxidizing gas supply line 331 . The oxidizing gas supply line 331 is provided with a control valve (oxidizing gas control valve) 335 for adjusting the flow rate of the supplied oxidizing gas A2. In the heat exchanger 430, the oxidizing gas A2 is heat-exchanged with the combustion gas discharged from the flue gas line 329 to raise its temperature.

更に、酸化性ガス供給ライン331には、熱交換器430の伝熱部分をバイパスする熱交換器バイパスライン332が設けられている。熱交換器バイパスライン332には、制御弁336が設けられ、酸化性ガスのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁335及び制御弁336の開度が制御されることで、熱交換器430を通過する酸化性ガスと熱交換器430をバイパスする酸化性ガスとの流量割合が調整され、SOFC313に供給される酸化性ガスA2の温度が調整される。 Furthermore, the oxidizing gas supply line 331 is provided with a heat exchanger bypass line 332 that bypasses the heat transfer portion of the heat exchanger 430 . A control valve 336 is provided in the heat exchanger bypass line 332 so that the bypass flow rate of the oxidizing gas can be adjusted. By controlling the opening degrees of the control valve 335 and the control valve 336, the flow ratio of the oxidizing gas passing through the heat exchanger 430 and the oxidizing gas bypassing the heat exchanger 430 is adjusted, and supplied to the SOFC 313. The temperature of the oxidizing gas A2 is adjusted.

SOFC313に供給される酸化性ガスA2の温度は、SOFC313の燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う温度を維持するとともに、SOFC313を構成する図示しないSOFCモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。 The temperature of the oxidizing gas A2 supplied to the SOFC 313 maintains the temperature at which the fuel gas of the SOFC 313 and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate power, and the temperature of each of the SOFC modules (not shown) constituting the SOFC 313 is maintained. The upper temperature limit is limited so as not to damage the material of the components.

SOFC313には、空気極113で用いられて排出された排酸化性ガスA3を触媒燃焼器422を介してタービン423へ供給する排酸化性ガスライン333が接続されている。排酸化性ガスライン333は、排空気冷却器351が設けられている。具体的には、排酸化性ガスライン333において、後述するオリフィス441よりも上流側に排空気冷却器351が設けられており、酸化性ガス供給ライン331を流れる酸化性ガスA2との熱交換によって排酸化性ガスA3を冷却する。 The SOFC 313 is connected to an exhaust oxidizing gas line 333 that supplies the exhaust oxidizing gas A3 exhausted from the air electrode 113 to the turbine 423 via the catalytic combustor 422 . The exhaust oxidizing gas line 333 is provided with an exhaust air cooler 351 . Specifically, in the exhaust oxidizing gas line 333, an exhaust air cooler 351 is provided upstream of an orifice 441, which will be described later. The exhaust oxidizing gas A3 is cooled.

また、排酸化性ガスライン333には、圧損部が設けられている。本実施形態では、圧損部として、オリフィス441が設けられている。オリフィス441は、排酸化性ガスライン333を流通する排酸化性ガスA3に対して圧損を付加する。なお、圧損部としては、オリフィス441に限らず、例えばベンチュリ管など絞り部を設けてもよく、排酸化性ガスA3に圧力損失を付加することが可能な手段であれば用いることが可能である。 Further, the exhaust oxidizing gas line 333 is provided with a pressure loss portion. In this embodiment, an orifice 441 is provided as a pressure loss portion. The orifice 441 applies pressure loss to the exhaust oxidizing gas A3 flowing through the exhaust oxidizing gas line 333 . Note that the pressure loss portion is not limited to the orifice 441, and for example, a throttle portion such as a venturi tube may be provided, and any means capable of adding pressure loss to the exhaust oxidizing gas A3 can be used. .

また、圧損部としては例えば、追設バーナを設けることでもよい。追設バーナにより排酸化性ガスに圧力損出を発生させるとともに、触媒燃焼器422での燃焼容量を超える燃焼が必要になった際に追加燃料分を燃焼させることができるので、排酸化性ガスに充分な熱量を供給可能となる。 Further, as the pressure loss portion, for example, an additional burner may be provided. The additional burner generates a pressure loss in the exhaust oxidizing gas, and when combustion exceeding the combustion capacity of the catalytic combustor 422 is required, the additional fuel can be burned, so the exhaust oxidizing gas It is possible to supply a sufficient amount of heat to

燃料電池システム310では空気極113側と燃料極109側の圧力差が所定の範囲内となるように排燃料ガスライン343に設けた調整弁347によって制御するため、排燃料ガスライン343と合流する排酸化性ガスライン333に対して圧力損失を付加することで、排燃料ガスライン343に設けた調整弁347を安定的に制御するのに必要な動作差圧を確保することができる。 In the fuel cell system 310, the pressure difference between the air electrode 113 side and the fuel electrode 109 side is controlled by a control valve 347 provided in the exhaust fuel gas line 343 so that the pressure difference is within a predetermined range. By adding a pressure loss to the exhaust oxidizing gas line 333, it is possible to ensure an operating differential pressure necessary for stably controlling the regulating valve 347 provided in the exhaust fuel gas line 343.

また、排酸化性ガスライン333に対しては、排酸化性ガスA3を大気(系外)へ放出するベント系統およびベント弁は設けられていない。例えば、SOFCと空気極113から排出される排酸化性ガスA3と燃料極109から排出される排燃料ガスL3を燃焼させるガスタービン(例えばマイクロガスタービン)とを組み合わせる発電システムの場合には、起動時や停止時などに、マイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極113へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化する場合がある。 Further, the exhaust oxidizing gas line 333 is not provided with a vent system and a vent valve for discharging the exhaust oxidizing gas A3 to the atmosphere (outside the system). For example, in the case of a power generation system that combines an SOFC, an exhaust oxidizing gas A3 discharged from the air electrode 113, and a gas turbine (for example, a micro gas turbine) that burns the exhaust fuel gas L3 discharged from the fuel electrode 109, starting The pressure state of the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 may change in response to changes in the state of the micro gas turbine, such as when the micro gas turbine is on or off.

更には圧力の急変動により燃料極109と空気極113の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスA3を大気など系外へ放出するベント系統およびベント弁が必要となる。 Furthermore, there is a possibility that differential pressure control between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 will be out of order due to sudden pressure fluctuations. As a result, protective measures for the micro gas turbine may be required. Therefore, a vent system and a vent valve are required to release the exhaust oxidizing gas A3 to the outside of the system such as the atmosphere.

本実施形態では、ターボチャージャ411を用いており、回転軸に連通した発電機がなく負荷を負っていないので、トリップ時に負荷が消失して過回転となり急激に圧力が上昇するということもなく、調整弁347によって差圧状態を安定的に制御することが可能であるため、排酸化性ガスA3を大気放出する機構(べント系統およびベント弁)を省略することができる。 In this embodiment, the turbocharger 411 is used, and since there is no generator connected to the rotating shaft and no load is borne, there is no possibility that the load will disappear at the time of a trip, resulting in excessive rotation and a sudden increase in pressure. Since the differential pressure state can be stably controlled by the regulating valve 347, a mechanism (vent system and vent valve) for releasing the exhaust oxidizing gas A3 to the atmosphere can be omitted.

SOFC313には、更に、燃料ガスL1を燃料極109の図示しない燃料ガス導入部に供給する燃料ガスライン341と、燃料極109で反応に用いられて排出された排燃料ガスL3とを、触媒燃焼器422を介してタービン423へ供給する排燃料ガスライン343とが接続されている。燃料ガスライン341には、燃料極109に供給する燃料ガスL1の流量を調整するための制御弁(燃料ガス制御弁)342が設けられている。 The SOFC 313 further includes a fuel gas line 341 that supplies the fuel gas L1 to a fuel gas introduction portion (not shown) of the fuel electrode 109, and an exhaust fuel gas L3 that has been used in the reaction at the fuel electrode 109 and discharged. An exhaust fuel gas line 343 that supplies a turbine 423 is connected via a container 422 . The fuel gas line 341 is provided with a control valve (fuel gas control valve) 342 for adjusting the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 .

排燃料ガスライン343には、再循環ブロワ348が設けられている。また、排燃料ガスライン343には、触媒燃焼器422に供給する排燃料ガスL3の一部の流量を調整するための調整弁347が設けられている。換言すると調整弁347は、排燃料ガスL3の圧力状態を調整していることとなる。このため、後述するように、制御装置20によって、調整弁347を制御することにより、燃料極109と空気極113の差圧を調整することができる。 A recirculation blower 348 is provided in the exhaust fuel gas line 343 . Further, the exhaust fuel gas line 343 is provided with a regulating valve 347 for adjusting the flow rate of part of the exhaust fuel gas L3 supplied to the catalytic combustor 422 . In other words, the regulating valve 347 adjusts the pressure state of the exhaust fuel gas L3. Therefore, as will be described later, the differential pressure between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 can be adjusted by controlling the regulating valve 347 with the controller 20 .

排燃料ガスライン343には、再循環ブロワ348の下流側に、排燃料ガスL3を大気(系外)へ放出する排燃料ガス放出ライン350が接続されている。そして、排燃料ガス放出ライン350には遮断弁(燃料ベント弁)346が設けられている。すなわち、遮断弁346を開とすることによって、排燃料ガスライン343の排燃料ガスL3の一部を排燃料ガス放出ライン350から放出することができる。 The exhaust fuel gas line 343 is connected downstream of the recirculation blower 348 with an exhaust fuel gas release line 350 for releasing the exhaust fuel gas L3 to the atmosphere (outside the system). A cutoff valve (fuel vent valve) 346 is provided in the exhaust fuel gas release line 350 . That is, by opening the shutoff valve 346, part of the exhaust fuel gas L3 in the exhaust fuel gas line 343 can be released from the exhaust fuel gas release line 350.

排燃料ガスL3を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、排燃料ガスライン343には、排燃料ガスL3をSOFC313の燃料極109の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン349が燃料ガスライン341に接続されている。 Excessive pressure can be quickly adjusted by discharging the exhaust fuel gas L3 to the outside of the system. A fuel gas recirculation line 349 for recirculating the exhaust fuel gas L3 to the fuel gas introduction portion of the fuel electrode 109 of the SOFC 313 is connected to the fuel gas line 343 .

更に、燃料ガス再循環ライン349には、燃料極109に燃料ガスL1を改質するための純水を供給する純水供給ライン361が設けられている。純水供給ライン361にはポンプ362が設けられている。ポンプ362の吐出流量が制御されることにより、燃料極109に供給される純水量が調整される。発電中には燃料極にて水蒸気が生成されるので排燃料ガスライン343の排燃料ガスL3には水蒸気が含まれるので、燃料ガス再循環ライン349で水蒸気を再循環して供給することによって、純水供給ライン361で供給する純水流量を低減もしくは遮断することができる。 Furthermore, the fuel gas recirculation line 349 is provided with a pure water supply line 361 for supplying pure water for reforming the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 . A pump 362 is provided in the pure water supply line 361 . The amount of pure water supplied to the fuel electrode 109 is adjusted by controlling the discharge flow rate of the pump 362 . Since water vapor is generated at the fuel electrode during power generation, the exhaust fuel gas L3 in the exhaust fuel gas line 343 contains water vapor. The flow rate of pure water supplied through the pure water supply line 361 can be reduced or cut off.

次に、圧縮機421から吐出された酸化性ガスを放出する構成について説明する。具体的には、圧縮機421の下流側における酸化性ガス供給ライン331において、酸化性ガスが熱交換器430をバイパスして系外(外部)へ排出するように流通可能な酸化性ガスブローライン444が設けられている。酸化性ガスブローライン444は、一端が酸化性ガス供給ライン331の熱交換器430の上流側に接続されており、他端は、タービン423の後流側となる燃焼排ガスライン329の熱交換器430の下流側に接続されている。 Next, a configuration for releasing the oxidizing gas discharged from the compressor 421 will be described. Specifically, in the oxidizing gas supply line 331 on the downstream side of the compressor 421, an oxidizing gas blow line through which the oxidizing gas bypasses the heat exchanger 430 and is discharged outside the system (outside). 444 is provided. The oxidizing gas blow line 444 has one end connected to the upstream side of the heat exchanger 430 of the oxidizing gas supply line 331 and the other end connected to the heat exchanger of the flue gas line 329 downstream of the turbine 423 . 430 downstream.

そして、酸化性ガスブローライン444には、ブロー弁(制御弁)445が設けられている。すなわち、ブロー弁445を開とすることによって、圧縮機421から吐出された酸化性ガスの一部が、酸化性ガスブローライン444を介して煙突(不図示)を通して系外部の大気などに放出される。 A blow valve (control valve) 445 is provided in the oxidizing gas blow line 444 . That is, by opening the blow valve 445, part of the oxidizing gas discharged from the compressor 421 is discharged to the atmosphere outside the system through a chimney (not shown) via the oxidizing gas blow line 444. be.

次に、燃料電池システム310の起動に用いる構成について説明する。酸化性ガス供給ライン331には、酸化性ガスブローライン444との接続点の下流側に制御弁451が設けられており、制御弁451の下流側(熱交換器430の上流側)に、起動用空気を供給するブロワ(送風機)452及び制御弁453を有する起動用空気ライン454が接続されている。燃料電池システム310の起動を行う場合に、ブロワ452により起動用空気を酸化性ガス供給ライン331へ供給しつつ、制御弁451及び制御弁453によって圧縮機421からの酸化性ガスと切り替えを行う。 Next, a configuration used for starting up the fuel cell system 310 will be described. The oxidizing gas supply line 331 is provided with a control valve 451 on the downstream side of the connection point with the oxidizing gas blow line 444. On the downstream side of the control valve 451 (upstream side of the heat exchanger 430), a starting A starter air line 454 having a blower 452 for supplying starter air and a control valve 453 is connected. When starting up the fuel cell system 310 , while the blower 452 supplies start-up air to the oxidizing gas supply line 331 , the oxidizing gas from the compressor 421 is switched by the control valves 451 and 453 .

また、酸化性ガス供給ライン331において、熱交換器430の下流側(制御弁335の上流側)には起動用空気加熱ライン(酸化性ガス加熱ライン)455が接続されており、制御弁456を介して排空気冷却器351の下流側の排酸化性ガスライン333へ接続されると共に、制御弁(加熱制御弁)457を介して酸化性ガス供給ライン331(空気極113の入口側)へ接続されている。 In the oxidizing gas supply line 331, a starting air heating line (oxidizing gas heating line) 455 is connected downstream of the heat exchanger 430 (upstream of the control valve 335). It is connected to the exhaust oxidizing gas line 333 on the downstream side of the exhaust air cooler 351 via a control valve (heating control valve) 457 and is connected to the oxidizing gas supply line 331 (inlet side of the air electrode 113) via a control valve (heating control valve) 457. It is

また、起動用空気加熱ライン455には、起動用加熱器458が設けられており、燃料ガスL1が制御弁459を介して供給され、起動用空気加熱ライン455を流通する酸化性ガスの加熱が行われる。なお、制御弁457は、起動用加熱器458へ供給する酸化性ガスの流量を調整し、SOFC313へ供給する酸化性ガスの温度を制御する。このように、起動用空気加熱ライン455と、制御弁457と、起動用加熱器458とは、酸化性ガス供給ライン331を流通する酸化性ガスを加熱する加熱部として機能する。 In addition, the starting air heating line 455 is provided with a starting heater 458, the fuel gas L1 is supplied via a control valve 459, and the oxidizing gas flowing through the starting air heating line 455 is heated. done. Note that the control valve 457 adjusts the flow rate of the oxidizing gas supplied to the start-up heater 458 and controls the temperature of the oxidizing gas supplied to the SOFC 313 . Thus, the starting air heating line 455 , the control valve 457 , and the starting heater 458 function as a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line 331 .

また、燃料ガスL1は、制御弁460を介して空気極113へも供給される。制御弁460は、例えばSOFC313の起動時に起動用空気加熱ライン455における制御弁457の下流側から空気極113へ燃料ガスL1が供給され、触媒燃焼により発電室温度が昇温される際の、空気極113へ供給する燃料ガスL1の流量を制御する。 The fuel gas L1 is also supplied to the air electrode 113 via the control valve 460 . For example, when the SOFC 313 is started, the fuel gas L1 is supplied from the downstream side of the control valve 457 in the starting air heating line 455 to the air electrode 113, and the temperature of the power generation chamber is increased by catalytic combustion. The flow rate of the fuel gas L1 supplied to the pole 113 is controlled.

制御装置20は、燃料電池システム310に対する起動制御を行う。SOFCとターボチャージャ411とを組み合わせた燃料電池システムにおいて、ターボチャージャ411は例えばマイクロガスタービンと異なり単独で起動することができない。このため、外部から起動用空気を供給する必要がある。このため、起動の際には、SOFCへ供給する酸化性ガスの供給を、起動用空気から、ターボチャージャ411の圧縮機421で圧縮した酸化性ガスへと切り替えを行う必要がある。このため制御装置20では、制御弁451と、ブロー弁445とを制御する。 The control device 20 performs start-up control for the fuel cell system 310 . In a fuel cell system in which an SOFC and a turbocharger 411 are combined, the turbocharger 411 cannot be started independently unlike, for example, a micro gas turbine. Therefore, it is necessary to supply start-up air from the outside. Therefore, at the time of start-up, it is necessary to switch the supply of the oxidizing gas to the SOFC from the starting air to the oxidizing gas compressed by the compressor 421 of the turbocharger 411 . Therefore, the control device 20 controls the control valve 451 and the blow valve 445 .

図5は、本実施形態に係る制御装置20のハードウェア構成の一例を示した図である。
図5に示すように、制御装置20は、コンピュータシステム(計算機システム)であり、例えば、CPU11と、CPU11が実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)12と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)13と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)14と、ネットワーク等に接続するための通信部15とを備えている。なお、大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ(SSD)を用いることとしてもよい。これら各部は、バス18を介して接続されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the control device 20 according to this embodiment.
As shown in FIG. 5, the control device 20 is a computer system (computer system). A RAM (Random Access Memory) 13 functioning as a work area, a hard disk drive (HDD) 14 as a large-capacity storage device, and a communication unit 15 for connecting to a network or the like. A solid state drive (SSD) may be used as the mass storage device. These units are connected via a bus 18 .

また、制御装置20は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。なお、CPU11が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ROM12に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。 Further, the control device 20 may include an input section such as a keyboard and a mouse, and a display section such as a liquid crystal display device for displaying data. Note that the storage medium for storing programs and the like executed by the CPU 11 is not limited to the ROM 12 . For example, other auxiliary storage devices such as magnetic disks, magneto-optical disks, and semiconductor memories may be used.

後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でハードディスクドライブ14等に記録されており、このプログラムをCPU11がRAM13等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROM12やその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体には、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等がある。 A series of processes for realizing various functions to be described later is recorded in the hard disk drive 14 or the like in the form of a program. As a result, various functions to be described later are realized. In addition, the program is pre-installed in the ROM 12 or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. etc. may be applied. Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, semiconductor memories, and the like.

次に、燃料電池システム310の起動方法について図面を参照して説明する。図6は、本実施形態の燃料電池システム310の起動方法を示すフローチャートである。図6に示す各処理は、制御装置20が燃料電池システム310の各部を制御することにより実行される。 Next, a method for starting the fuel cell system 310 will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a flowchart showing a method for starting the fuel cell system 310 of this embodiment. Each process shown in FIG. 6 is executed by control device 20 controlling each part of fuel cell system 310 .

図7は、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスL1の変化を示すグラフである。図8は、ブロー弁445の開度の変化を示すグラフである。図9は、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量の変化を示すグラフである。図10は、発電室215の温度の変化を示すグラフである。図11は、タービン423の回転数の変化を示すグラフである。図12は、発電室215へ供給される酸化性ガスの流量の変化を示すグラフである。 FIG. 7 is a graph showing changes in the fuel gas L1 supplied to the catalytic combustor 422. As shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing changes in the degree of opening of the blow valve 445. As shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing changes in the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109. As shown in FIG. FIG. 10 is a graph showing changes in the temperature of the generator chamber 215. As shown in FIG. FIG. 11 is a graph showing changes in the rotational speed of turbine 423. As shown in FIG. FIG. 12 is a graph showing changes in the flow rate of the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215. As shown in FIG.

ステップS101において、制御装置20は、系統パージを実行する。制御装置20は、制御弁443、制御弁453、ブロー弁445、制御弁335、制御弁456、及び調整弁347を開状態とし、他の弁を閉状態とする。燃料極109側には、制御弁443を介して窒素が通気される。そして、ブロワ452が起動され、起動用空気が制御弁453と制御弁335が開にあることで空気極113側へ供給されて通気される。これによってSOFC313がパージされる。 In step S101, the control device 20 executes a system purge. The control device 20 opens the control valve 443, the control valve 453, the blow valve 445, the control valve 335, the control valve 456, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. Nitrogen is vented through the control valve 443 to the fuel electrode 109 side. Then, the blower 452 is activated, and the control valve 453 and the control valve 335 are open, so that the activation air is supplied to the air electrode 113 side and ventilated. This purges SOFC 313 .

制御弁456が開となることによって、起動用空気がSOFC313をバイパスして起動用加熱器458を介して触媒燃焼器422へ通気される。これによって、タービン423が起動用空気によって回転を開始する。タービン423の回転に伴い同軸で接続された圧縮機421が回転を開始する。 By opening control valve 456 , start-up air bypasses SOFC 313 and is vented to catalytic combustor 422 via start-up heater 458 . This causes the turbine 423 to start rotating with the starting air. As the turbine 423 rotates, the coaxially connected compressor 421 starts rotating.

圧縮機421では酸化性ガスを圧縮し、圧縮された酸化性ガスはブロー弁445が開にあることで酸化性ガスブローライン444を通じて系外へ排出される。系外へ排出されることによって圧縮機421のサージングが防止される。サージングとは、圧縮機421の出口の圧力が上昇して圧縮機421が失速したり、圧縮空気が逆流したりする等の異常状態である。なお、燃料極109と空気極113との差圧制御は調整弁347によって行われる。 The compressor 421 compresses the oxidizing gas, and the compressed oxidizing gas is discharged out of the system through the oxidizing gas blow line 444 by opening the blow valve 445 . Surging of the compressor 421 is prevented by discharging to the outside of the system. Surging is an abnormal state in which the pressure at the outlet of the compressor 421 rises and the compressor 421 stalls, compressed air flows backward, or the like. Note that differential pressure control between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 is performed by a regulating valve 347 .

ステップS102で、制御装置20は、起動用加熱器458の着火を行う。制御装置20は、制御弁453、ブロー弁445、制御弁335、制御弁456、制御弁459、及び調整弁347を開状態とし、他の弁を閉状態とする。また、制御弁457は状況に応じて開状態としてもよい。すなわち、パージ完了後、制御弁456を絞り、制御弁335を開くことによって、SOFC313をバイパスして触媒燃焼器422へ供給する起動用空気の流量を減少させ、SOFC313へ供給する起動用空気を増加させる。 In step S<b>102 , the control device 20 ignites the start-up heater 458 . The control device 20 opens the control valve 453, the blow valve 445, the control valve 335, the control valve 456, the control valve 459, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. Also, the control valve 457 may be opened depending on the situation. That is, after the purge is completed, the control valve 456 is throttled and the control valve 335 is opened to bypass the SOFC 313 and reduce the flow rate of the start-up air supplied to the catalytic combustor 422, thereby increasing the start-up air supplied to the SOFC 313. Let

燃料極109と空気極113との差圧制御は調整弁347によって行われる。そして、制御弁459から燃料ガスL1の一部を供給して起動用加熱器458を着火し、起動用空気を昇温する。これによって、タービン423の入口温度が上昇し、系内圧力が上昇する。 Differential pressure control between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 is performed by the regulating valve 347 . Then, a part of the fuel gas L1 is supplied from the control valve 459 to ignite the starting heater 458, thereby raising the temperature of the starting air. As a result, the inlet temperature of the turbine 423 rises and the system internal pressure rises.

ステップS103で、制御装置20は、触媒燃焼器422の着火を行う。制御装置20は、制御弁453、ブロー弁445、制御弁335、制御弁456、制御弁459、制御弁352、及び調整弁347を開状態とし、他の弁は閉状態とする。触媒燃焼器422へは、制御弁456を少し開いた状態(起動用空気量の約20%)で送られる約400℃~500℃程度の起動用空気と、制御弁457を経由してSOFC313から送られる起動用空気とが混合して供給される。これによって触媒燃焼器422の温度が上昇する。 In step S<b>103 , the control device 20 ignites the catalytic combustor 422 . The control device 20 opens the control valve 453, the blow valve 445, the control valve 335, the control valve 456, the control valve 459, the control valve 352, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. To the catalytic combustor 422, starting air of about 400° C. to 500° C. sent with the control valve 456 slightly opened (about 20% of the amount of starting air) and the SOFC 313 via the control valve 457 It is supplied by being mixed with the sent starting air. This increases the temperature of the catalytic combustor 422 .

触媒燃焼器422の入口温度が規定温度(例えば300℃~400℃)に達すると、触媒燃焼器422へ制御弁352を介して燃料ガスL1が供給される。なお、燃料ガスL1を投入する際には、制御弁352は規定開度で一旦保持し、触媒燃焼器422の出口温度の上昇をみることで着火が確認される。そして、制御弁352は、触媒燃焼器422の出口温度に応じて開度制御(燃料ガスL1の流量制御)が行われる。 When the inlet temperature of catalytic combustor 422 reaches a specified temperature (eg, 300° C. to 400° C.), fuel gas L 1 is supplied to catalytic combustor 422 through control valve 352 . Note that when the fuel gas L1 is introduced, the control valve 352 is temporarily held at a specified opening, and ignition is confirmed by observing the temperature rise at the outlet of the catalytic combustor 422 . Then, the control valve 352 is subjected to opening degree control (flow rate control of the fuel gas L1) according to the outlet temperature of the catalytic combustor 422 .

ステップS104で、制御装置20は、ターボチャージャ411の自立を行う。制御装置20は、制御弁342、制御弁453、制御弁335、制御弁456、制御弁459、制御弁352、及び調整弁347を開状態とし、他の弁を閉状態とする。時刻T1において、制御装置20は、燃料ガス供給用の制御弁342を開いて燃料ガスL1を燃料極109に供給し、純水供給ライン361のポンプ362を駆動することで純水を燃料極109に供給する。ブロー弁445は閉方向へ制御され、制御弁451は開方向に制御がされる。すなわち、ターボチャージャ411の自立可能要件が満たされる場合に、ブロー弁445を徐々に閉としていき、制御弁451を徐々に開としていく。 In step S<b>104 , the control device 20 causes the turbocharger 411 to become independent. The control device 20 opens the control valve 342, the control valve 453, the control valve 335, the control valve 456, the control valve 459, the control valve 352, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. At time T1, the controller 20 opens the fuel gas supply control valve 342 to supply the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, and drives the pump 362 of the pure water supply line 361 to supply pure water to the fuel electrode 109. supply to The blow valve 445 is controlled to close, and the control valve 451 is controlled to open. That is, when the self-sustainability requirement of the turbocharger 411 is satisfied, the blow valve 445 is gradually closed and the control valve 451 is gradually opened.

自立可能要件とは、ターボチャージャ411の回転数が所定値以上となり、タービン423へ供給される燃焼ガスGの温度(触媒燃焼器422の出口温度)が所定温度以上となった場合である。ブロー弁445を徐々に閉とすることにより、系外へ排出する酸化性ガスの流量を減少させる。ブロー弁445が全閉となり、制御弁451が所定開度(例えば全開)となると、制御弁453が閉となり、ブロワ452が停止されて起動用空気の供給が終了する。 The independence requirement is when the rotation speed of the turbocharger 411 reaches a predetermined value or more and the temperature of the combustion gas G supplied to the turbine 423 (the temperature at the outlet of the catalytic combustor 422) reaches a predetermined temperature or more. By gradually closing the blow valve 445, the flow rate of the oxidizing gas discharged to the outside of the system is reduced. When the blow valve 445 is fully closed and the control valve 451 reaches a predetermined degree of opening (for example, fully open), the control valve 453 is closed, the blower 452 is stopped, and the supply of starting air is terminated.

なお、ターボチャージャ411の回転数の上昇と、触媒燃焼器422の出口温度の上昇とに合わせて起動用空気の供給量が増加されることが好ましい。これによって、圧縮機421で圧縮した酸化性ガスによってタービン423が回って圧縮機421が回転駆動されるため、ターボチャージャ411は自立運転状態となる。 It is preferable that the supply amount of the starting air is increased in accordance with the increase in the rotation speed of the turbocharger 411 and the increase in the outlet temperature of the catalytic combustor 422 . As a result, the turbine 423 is rotated by the oxidizing gas compressed by the compressor 421, and the compressor 421 is rotationally driven, so that the turbocharger 411 enters a self-sustaining state.

制御装置20は、ターボチャージャ411の自立後に、各弁を制御して昇温を継続する。制御装置20は、制御弁456によって酸化性ガスの温度を調整することにより、触媒燃焼器422の入口温度を制御する。また、制御装置20は、制御弁352によって燃料ガスL1の流量を調整することにより、触媒燃焼器422の出口温度を制御する。 After turbocharger 411 becomes independent, controller 20 controls each valve to continue raising the temperature. Controller 20 controls the inlet temperature of catalytic combustor 422 by adjusting the temperature of the oxidizing gas with control valve 456 . The control device 20 also controls the outlet temperature of the catalytic combustor 422 by adjusting the flow rate of the fuel gas L1 with the control valve 352 .

また、制御装置20は、制御弁457によって起動用加熱器458を通過する酸化性ガスの流量を制御する。また、制御装置20は、制御弁459によって、起動用加熱器458へ供給する燃料ガスL1流量を調整して起動用加熱器458の出口温度を制御する。また、制御装置20は、制御弁335の開度を、ターボチャージャ411の回転数や入口温度に応じて設定する。 The control device 20 also controls the flow rate of the oxidizing gas passing through the start-up heater 458 using the control valve 457 . The control device 20 also controls the outlet temperature of the heater 458 for startup by adjusting the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the heater 458 for startup by the control valve 459 . In addition, the control device 20 sets the degree of opening of the control valve 335 according to the rotational speed of the turbocharger 411 and the inlet temperature.

また、空気極113側の入口の酸化性ガスの温度が規定温度に到達することで(または発電室215の温度が規定温度に達することで)、制御弁457の開度が閉方向に制御されて、起動用加熱器458へ供給される空気流量が起動用加熱器458の使用下限に到達まで減少した場合に、起動用加熱器458を停止させる。すなわち、ターボチャージャの自立後において、空気極113へ供給される酸化性ガスの温度または発電室215の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器458で加熱した空気がSOFC313へ供給されて昇温が行われる。 When the temperature of the oxidizing gas at the inlet of the air electrode 113 reaches a specified temperature (or when the temperature of the power generation chamber 215 reaches a specified temperature), the opening of the control valve 457 is controlled in the closing direction. Then, when the flow rate of air supplied to the start-up heater 458 decreases to reach the lower limit of use of the start-up heater 458, the start-up heater 458 is stopped. That is, after the turbocharger becomes self-sustaining, the air heated by the start-up heater 458 is supplied to the SOFC 313 until the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 or the temperature of the power generation chamber 215 reaches a specified temperature. temperature is performed.

ステップS105で、制御装置20は、制御弁352を閉状態とし、触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を停止する。触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を停止するのは、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始することにより排燃料ガスが触媒燃焼器422へ導かれてタービン423の回転数が増加するのを抑制するためである。図7に実線で示すように、燃料極109への燃料ガスL1の供給が開始される時刻T1に先立って、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスの流量がFL1から0に変化する。 In step S<b>105 , the control device 20 closes the control valve 352 to stop the supply of the fuel gas L<b>1 to the catalytic combustor 422 . The reason why the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 is stopped is that by starting the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, the exhaust fuel gas is led to the catalytic combustor 422 and the rotation speed of the turbine 423 is increased. This is for suppressing the increase. As indicated by the solid line in FIG. 7, the flow rate of the fuel gas supplied to the catalytic combustor 422 changes from FL1 to 0 before time T1 at which the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started.

ステップS106で、制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えて燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始したことに応じて、ブロー弁445を開状態とする。図8に示すように、制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替える時刻T1の後に、ブロー弁445の開度を0からOP1となるように制御する。 In step S106, the control device 20 opens the blow valve 445 in response to switching the control valve 342 from the closed state to the open state and starting the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109. FIG. As shown in FIG. 8, the control device 20 controls the opening degree of the blow valve 445 from 0 to OP1 after the time T1 at which the control valve 342 is switched from the closed state to the open state.

ブロー弁445を開状態とするのは、空気極113へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極109へ供給される燃料ガスL1の供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止するためである。制御装置20は、ブロー弁445の開度OP1を、タービン423の回転数が所定の回転数で一定となるように調整する。 The reason why the blow valve 445 is opened is that the supply amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 is excessive with respect to the supply amount of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109, and the startup time becomes long. This is to prevent The control device 20 adjusts the opening degree OP1 of the blow valve 445 so that the rotational speed of the turbine 423 is constant at a predetermined rotational speed.

ステップS106において、制御装置20は、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1の後に、ブロー弁445を閉状態から開状態に切り替えるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、ターボチャージャ411の自立を行った後であれば、時刻T1と同時にブロー弁445を閉状態から開状態に切り替えてもよい。また、時刻T1よりも前にブロー弁445を閉状態から開状態に切り替えてもよい。 In step S106, the controller 20 switches the blow valve 445 from the closed state to the open state after the time T1 at which the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. good. For example, after the turbocharger 411 becomes independent, the blow valve 445 may be switched from the closed state to the open state at the same time as the time T1. Also, the blow valve 445 may be switched from the closed state to the open state before time T1.

ステップS107で、制御装置20は、発電室215の温度(例えば、複数の計測箇所のうち最高温度)が規定温度に到達した場合、制御弁460を開き小流量の燃料ガスL1を空気極113へ供給し、SOFC313の発電室215を更に昇温する。空気と燃料ガスL1とが流入した空気極113では、空気極113の触媒作用によって燃料ガスL1が空気極113で触媒燃焼し、この発熱を用いて発電室215の温度を上昇させる。 In step S107, when the temperature of the power generation chamber 215 (for example, the highest temperature among the plurality of measurement points) reaches a specified temperature, the control device 20 opens the control valve 460 to allow a small flow rate of the fuel gas L1 to flow to the air electrode 113. The temperature of the power generation chamber 215 of the SOFC 313 is further increased. At the air electrode 113 into which the air and the fuel gas L1 flowed, the catalytic action of the air electrode 113 causes the fuel gas L1 to be catalytically combusted at the air electrode 113, and the generated heat is used to raise the temperature of the power generating chamber 215.

ステップS108で、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態であるかどうかを判断し、YESであればステップS109に処理を進める。所定の予熱状態とは、例えば、発電室215の温度が規定温度Te2(例えば、700℃;図10参照)以上となった状態をいう。 In step S108, the control device 20 determines whether or not the power generation chamber 215 is in a predetermined preheating state, and if YES, the process proceeds to step S109. The predetermined preheating state is, for example, a state in which the temperature of the power generation chamber 215 has reached a specified temperature Te2 (for example, 700° C.; see FIG. 10) or higher.

ステップS109で、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態となったことに応じて、ブロー弁445を閉状態に切り替えるよう制御する。図8に示すように、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態となった時刻T2において、ブロー弁445を閉状態に切り替える。 In step S109, the control device 20 controls the blow valve 445 to switch to the closed state in response to the power generation chamber 215 reaching a predetermined preheated state. As shown in FIG. 8, the control device 20 switches the blow valve 445 to the closed state at time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined preheated state.

ステップS110で、制御装置20は、発電室215が所定の予熱状態となったことに応じて、制御弁352を開状態とし、触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を再開する。触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を再開するのは、発電室215が所定の予熱状態となって触媒燃焼器422へ導かれる排燃料ガスL3が減少したためである。図7に実線で示すように、発電室215が所定の予熱状態となった時刻T2の後に、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスの流量が0からFL1に変化する。 In step S110, the control device 20 opens the control valve 352 and restarts the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 in response to the generation chamber 215 reaching the predetermined preheating state. The reason why the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 is restarted is that the exhaust fuel gas L3 led to the catalytic combustor 422 is reduced as the power generation chamber 215 reaches a predetermined preheated state. As indicated by the solid line in FIG. 7, the flow rate of the fuel gas supplied to the catalytic combustor 422 changes from 0 to FL1 after time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined preheated state.

ステップS111で、制御装置20は、SOFC313で生成される電力を電力変換装置(例えば、インバータ装置)により所定の交流電力へと変換し、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)への電力供給を開始するよう制御する。制御装置20は、発電室215の温度(例えば、複数の計測箇所のうち最低温度)が規定温度Te2(例えば700℃)に到達し、燃料極109および空気極113の運転状態が所定条件に到達した後、SOFC313の発電を開始させる。空気極113に燃料ガスL1を添加供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室215の温度を上昇させる。 In step S111, the control device 20 converts the power generated by the SOFC 313 into predetermined AC power by a power conversion device (eg, inverter device), and supplies the power to the power supply destination (eg, load equipment or power system). Control to start supply. The control device 20 detects that the temperature of the generator chamber 215 (for example, the lowest temperature among the plurality of measurement points) reaches a specified temperature Te2 (for example, 700° C.) and the operating states of the fuel electrode 109 and the air electrode 113 reach predetermined conditions. After that, the power generation of the SOFC 313 is started. The temperature of the power generation chamber 215 is raised by the heat generated by both the catalytic combustion due to the addition and supply of the fuel gas L1 to the air electrode 113 and the heat generated by the power generation.

ステップS112で、制御装置20は、発電室215が所定の加熱状態であるかどうかを判断し、YESであればステップS113に処理を進める。所定の加熱状態とは、例えば、発電室215の温度が発電による自己発熱で温度維持ができる所定温度Te3(例えば、750℃)以上となった状態をいう。制御装置20は、発電室215の温度が所定温度以上に上昇をした後は、空気極113へ添加供給される燃料ガスL1の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極113への燃料ガスL1の添加供給がゼロになるように制御する。 In step S112, control device 20 determines whether power generation chamber 215 is in a predetermined heating state, and if YES, proceeds to step S113. The predetermined heating state is, for example, a state in which the temperature of the power generation chamber 215 reaches or exceeds a predetermined temperature Te3 (for example, 750° C.) at which the temperature can be maintained by self-heating due to power generation. After the temperature of the power generation chamber 215 rises above a predetermined temperature, the controller 20 gradually decreases the supply amount of the fuel gas L1 added to the air electrode 113. For example, when the target load is reached, the air electrode The additional supply of the fuel gas L1 to 113 is controlled to be zero.

ステップS113で、制御装置20は、燃料電池システム310の起動が完了したかを判断し、YESであれば本フローチャートの処理を終了させる。制御装置20は、SOFC313の発電室215の温度が目標温度に到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達したと判断した場合、燃料電池システム310の起動が完了したと判断する。このようにして、燃料電池システム310が起動される。 In step S113, the control device 20 determines whether or not the activation of the fuel cell system 310 is completed, and if YES, terminates the processing of this flowchart. When the controller 20 determines that the temperature of the power generation chamber 215 of the SOFC 313 has reached the target temperature and the load has reached the target load such as the rated load, it determines that the startup of the fuel cell system 310 has been completed. Thus, fuel cell system 310 is activated.

以上のように、本実施形態の燃料電池システム310は、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際にブロー弁445を開状態とすることで、空気極113へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極109へ供給される燃料ガスL1の供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止する。 As described above, the fuel cell system 310 of the present embodiment opens the blow valve 445 when starting to supply the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, whereby the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 To prevent the supply amount of gas from becoming excessive with respect to the supply amount of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109, thereby preventing the start-up time from becoming longer.

以下、図7から図12を参照して、本実施形態の燃料電池システム310と比較例の燃料電池システムとを対比する。比較例の燃料電池システムは、発電室215における発電を開始する際にブロー弁445を閉状態に維持するものである。 Hereinafter, the fuel cell system 310 of this embodiment and the fuel cell system of the comparative example will be compared with each other with reference to FIGS. 7 to 12. FIG. The fuel cell system of the comparative example keeps the blow valve 445 closed when starting power generation in the power generation chamber 215 .

図7に示すように、本実施形態では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1に先立って、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスL1の流量はFL1から0に変化する。一方、比較例では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1に先立って、触媒燃焼器422へ供給される燃料ガスL1の流量はFL1から0より大きい最小流量に変化する。最小流量は、触媒燃焼器422の着火状態を維持するための流量である。 As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the catalytic combustor 422 changes from FL1 to 0 before the time T1 at which the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. do. On the other hand, in the comparative example, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the catalytic combustor 422 changes from FL1 to the minimum flow rate greater than 0 before the time T1 at which the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. The minimum flow rate is the flow rate for maintaining the ignition state of the catalytic combustor 422 .

触媒燃焼器422への燃料ガスL1の供給を再開するタイミングは、本実施形態では時刻T2であるのに対し、比較例では時刻T2よりも遅い時刻T4の経過後である。時刻T4は、比較例の燃料電池システムの発電室が所定の加熱状態となるタイミングである。 The timing at which the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 is resumed is time T2 in the present embodiment, while it is after time T4, which is later than time T2, in the comparative example. Time T4 is the timing at which the power generation chamber of the fuel cell system of the comparative example reaches a predetermined heating state.

図8に示すように、本実施形態では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する時刻T1の後に、ブロー弁445の開度を0からOP1となるように制御する。一方、比較例では、燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際にブロー弁445を閉状態に維持する。 As shown in FIG. 8, in this embodiment, the opening of the blow valve 445 is controlled from 0 to OP1 after the time T1 at which the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. On the other hand, in the comparative example, the blow valve 445 is kept closed when starting to supply the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 .

図9に示すように、本実施形態では、時刻T1で燃料極109への燃料ガスL1の供給が開始される。時刻T1から時刻T5までの期間において、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量はFL2で一定である。時刻T5でSOFC313の発電室が目標温度に到達した後、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量は目標負荷に応じて増減する。図9は、時刻T5から目標負荷が漸次増加する例を示している。なお、比較例において、燃料極109へ供給される燃料ガスL1の流量は、本実施形態と同様である。 As shown in FIG. 9, in this embodiment, the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started at time T1. During the period from time T1 to time T5, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 is constant at FL2. After the generation chamber of the SOFC 313 reaches the target temperature at time T5, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 increases or decreases according to the target load. FIG. 9 shows an example in which the target load gradually increases from time T5. In addition, in the comparative example, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 is the same as that of the present embodiment.

図10に示すように、本実施形態では、時刻T1から発電室215の温度がTe1から漸次増加し、時刻T2においてTe2に到達し、時刻T3において目標温度であるTe3に到達する。一方、比較例では、時刻T1から発電室215の温度がTe1から漸次増加し、時刻T2よりも後にTe2に到達し、時刻T3よりも遅い時刻T5において目標温度であるTe3に到達する。 As shown in FIG. 10, in the present embodiment, the temperature of the generator chamber 215 gradually increases from Te1 from time T1, reaches Te2 at time T2, and reaches Te3, which is the target temperature, at time T3. On the other hand, in the comparative example, the temperature of the power generation chamber 215 gradually increases from Te1 from time T1, reaches Te2 after time T2, and reaches the target temperature Te3 at time T5 later than time T3.

図10から明らかなように、時刻T1から発電室215の温度が目標温度であるTe2に到達するまでの起動時間は、本実施形態の燃料電池システム310の方が比較例の燃料電池システムよりも短い。これは、本実施形態では時刻T1から時刻T4の期間でブローライン444から酸化性ガスが排出されるのに対し、比較例では、時刻T1から時刻T4の期間でブローライン444から酸化性ガスが排出されず発電室215の昇温に時間がかかるからである。 As is clear from FIG. 10, the startup time from time T1 until the temperature of the power generation chamber 215 reaches Te2, which is the target temperature, is longer in the fuel cell system 310 of the present embodiment than in the fuel cell system of the comparative example. short. This is because the oxidizing gas is discharged from the blow line 444 in the period from time T1 to time T4 in the present embodiment, whereas the oxidizing gas is discharged from the blow line 444 in the period from time T1 to time T4 in the comparative example. This is because it takes time to raise the temperature of the generator chamber 215 without being discharged.

図11に示すように、本実施形態では、タービン423の回転数[rpm]は、時刻T0でr4であったものが、ブロー弁445が開状態となったことに応じて低下し、時刻T1でr1となる。その後、時刻T1からタービン423の回転数が増加してr3となる。その後、タービン423の回転数は、漸次減少してr2となり、ブロー弁445を閉状態に切り替える時刻T2の後に再び増加して一定の回転数となる。タービン423の回転数がr3からr2に減少するのは、発電室215において燃料ガスL1が十分に反応することで排燃料ガスL3に含まれる未燃成分が減少し、触媒燃焼器422で生成される燃焼ガスGが減少するからである。 As shown in FIG. 11, in the present embodiment, the rotational speed [rpm] of the turbine 423, which was r4 at time T0, decreases in response to the opening of the blow valve 445, and reaches r4 at time T1. becomes r1. After that, from time T1, the rotation speed of the turbine 423 increases to r3. After that, the rotation speed of the turbine 423 gradually decreases to r2, and increases again to a constant rotation speed after time T2 when the blow valve 445 is switched to the closed state. The reason why the rotation speed of the turbine 423 decreases from r3 to r2 is that the fuel gas L1 sufficiently reacts in the power generation chamber 215 to reduce the unburned components contained in the exhaust fuel gas L3. This is because the amount of combustion gas G to be consumed is reduced.

一方、図11に示すように、比較例では、タービン423の回転数は、時刻T1から時刻T4まで漸次増加し、その後に低下して一定の回転数となる。タービン423の回転数が時刻T1から時刻T4まで漸次増加するのは、時刻T1以降もブロー弁445の閉状態が維持されるからである。 On the other hand, as shown in FIG. 11, in the comparative example, the rotation speed of the turbine 423 gradually increases from time T1 to time T4, and then decreases to a constant rotation speed. The reason why the rotation speed of the turbine 423 gradually increases from time T1 to time T4 is that the blow valve 445 is kept closed even after time T1.

図12に示すように、本実施形態では、発電室215へ供給される酸化性ガスの流量は、時刻T0でFL6であったものが、ブロー弁445が開状態となったことに応じて低下し、時刻T1でFL3となる。その後、時刻T1から酸化性ガスの流量が増加してFL5となる。その後、酸化性ガスの流量は、漸次減少してFL4となり、ブロー弁445を閉状態に切り替える時刻T2の後に再び増加して一定の回転数となる。 As shown in FIG. 12, in this embodiment, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, which was FL6 at time T0, decreases as the blow valve 445 opens. Then, it becomes FL3 at time T1. Thereafter, from time T1, the flow rate of the oxidizing gas increases to FL5. After that, the flow rate of the oxidizing gas gradually decreases to FL4, and after time T2 when the blow valve 445 is switched to the closed state, it increases again to reach a constant rotation speed.

一方、図12に示すように、比較例では、発電室215へ供給される酸化性ガスの流量は、時刻T1から時刻T4まで漸次増加し、その後に低下して一定の流量となる。酸化性ガスの流量が時刻T1から時刻T4まで漸次増加するのは、時刻T1以降もブロー弁445の閉状態が維持されるからである。 On the other hand, as shown in FIG. 12, in the comparative example, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215 gradually increases from time T1 to time T4, and then decreases to a constant flow rate. The reason why the flow rate of the oxidizing gas gradually increases from time T1 to time T4 is that the closed state of blow valve 445 is maintained even after time T1.

前述したフローチャートのステップS108では、発電室215の温度が発電による自己発熱で温度維持ができる所定温度以上となった場合に、発電室215が所定の加熱状態であると判断したが、他の態様であってもよい。例えば、図11に示すように、タービン423(ターボチャージャ411)の単位時間当たりの回転数が上昇傾向(r2からr3への変化)から低下傾向(r3からr2への変化)に変化したことに応じて、発電室215が所定の加熱状態であると判断してもよい。この場合、制御装置20は、タービン423の単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて、ブロー弁445を閉状態に切り替える。 In step S108 of the flowchart described above, it is determined that the power generation chamber 215 is in a predetermined heated state when the temperature of the power generation chamber 215 reaches or exceeds a predetermined temperature at which the temperature can be maintained by self-heating due to power generation. may be For example, as shown in FIG. 11, when the rotation speed per unit time of the turbine 423 (turbocharger 411) changes from an upward trend (change from r2 to r3) to a downward trend (change from r3 to r2), Accordingly, it may be determined that the power generation chamber 215 is in a predetermined heating state. In this case, the control device 20 switches the blow valve 445 to the closed state in response to the change in the rotation speed per unit time of the turbine 423 from an increasing tendency to a decreasing tendency.

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム310が奏する作用および効果について説明する。 The operation and effects of the fuel cell system 310 of this embodiment described above will be described.

本実施形態の燃料電池システム310によれば、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えて燃料極109への燃料ガスL1の供給を開始する際に、ブロー弁445が開状態となる。圧縮機421で圧縮されて酸化性ガス供給ライン331に導かれた酸化性ガスA2の一部が開状態のブロー弁445から外部に排出されるため、ブロー弁445を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ライン331により空気極113へ供給される酸化性ガスA2の供給量が減少する。 According to the fuel cell system 310 of this embodiment, when the control valve 342 is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, the blow valve 445 is opened. Since part of the oxidizing gas A2 compressed by the compressor 421 and guided to the oxidizing gas supply line 331 is discharged to the outside from the open blow valve 445, the blow valve 445 is closed. , the supply amount of the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 through the oxidizing gas supply line 331 decreases.

そのため、空気極113へ供給される酸化性ガスA2の供給量が燃料極109へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極109へ燃料ガスL1の供給を開始してから発電室215が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the supply amount of the oxidizing gas A2 to be supplied to the air electrode 113 from being excessive with respect to the supply amount of the fuel gas to be supplied to the fuel electrode 109, thereby prolonging the startup time. In addition, the start-up time required from the start of supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 until the generation chamber 215 reaches a predetermined heated state can be shortened.

本実施形態の燃料電池システム310によれば、燃料電池の発電室215が起動用加熱器458により加熱された酸化性ガスA2により所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁445が閉状態に切り替えられる。ブロー弁445が閉状態となると空気極113に供給される酸化性ガスA2の流量が増加するが、発電室215が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極113に供給される酸化性ガスA2と燃料極109に供給される燃料ガスL1とを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system 310 of this embodiment, the blow valve 445 is closed in response to the generation chamber 215 of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas A2 heated by the start-up heater 458. can be switched to When the blow valve 445 is closed, the flow rate of the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 increases. Therefore, the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 and the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 can be appropriately reacted.

本実施形態に係る燃料電池システム310によれば、発電室215の温度が所定温度以上となったことに応じてブロー弁445を閉状態に切り替えることにより、空気極113に供給される酸化性ガスA2の流量を増加する。発電室215の温度が所定温度以上となって燃料電池の触媒の活性が高まっているため、空気極113に供給される酸化性ガスA2と燃料極109に供給される燃料ガスL1とを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system 310 according to the present embodiment, the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 is closed by switching the blow valve 445 to the closed state in response to the temperature of the power generation chamber 215 becoming equal to or higher than the predetermined temperature. Increase the flow rate of A2. Since the temperature of the power generation chamber 215 is higher than the predetermined temperature and the activity of the catalyst of the fuel cell is increased, the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 and the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 are properly controlled. can be reacted.

本実施形態に係る燃料電池システム310によれば、ターボチャージャ411の単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じてブロー弁445を閉状態に切り替える。上昇傾向から低下傾向への変化は、燃料電池の触媒の活性が高まったことにより未反応の排燃料ガスL3が減少したことを示す。ブロー弁445を閉状態とすることにより空気極113に供給される酸化性ガスA2の流量を増加するが、空気極113に供給される酸化性ガスA2と燃料極109に供給される燃料ガスL1とを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system 310 according to this embodiment, the blow valve 445 is switched to the closed state in response to the change in the rotation speed per unit time of the turbocharger 411 from an increasing tendency to a decreasing tendency. A change from an upward trend to a downward trend indicates that the unreacted exhaust fuel gas L3 has decreased due to the increased activity of the fuel cell catalyst. By closing the blow valve 445, the flow rate of the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 is increased. can be reacted appropriately.

〔第2実施形態〕
以下、本開示の第2実施形態の燃料電池システム310について図面を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム310は、第1実施形態の燃料電池システム310の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
[Second embodiment]
A fuel cell system 310 according to a second embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. The fuel cell system 310 of the present embodiment is a modification of the fuel cell system 310 of the first embodiment, and is assumed to be the same as that of the first embodiment unless otherwise specified below. omitted.

本実施形態の燃料電池システム310は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、制御弁457の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させ、発電を開始する際の発電室215の温度を上昇させるものである。 The fuel cell system 310 of this embodiment increases the opening of the control valve 457 prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state, thereby increasing the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode. This increases the temperature of the power generation chamber 215 when power generation is started.

図13は、制御弁(加熱制御弁)457の開度の変化を示すグラフである。図14は、制御弁(酸化性ガス制御弁)335の開度の変化を示すグラフである。図15は、発電室215の温度変化を示すグラフである。時刻T0,T1,T2,T3,T4,T5は、第1実施形態で説明したものと同様である。時刻T1は、燃料極109への燃料ガスL1の供給が開始される時刻である。時刻T2は、発電室215が所定の加熱状態となる時刻である。 FIG. 13 is a graph showing changes in the degree of opening of the control valve (heating control valve) 457. As shown in FIG. FIG. 14 is a graph showing changes in the degree of opening of the control valve (oxidizing gas control valve) 335. As shown in FIG. FIG. 15 is a graph showing temperature changes in the power generation chamber 215. As shown in FIG. Times T0, T1, T2, T3, T4, and T5 are the same as those described in the first embodiment. Time T1 is the time when the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. Time T2 is the time at which power generation chamber 215 reaches a predetermined heating state.

図13に示すように、本実施形態の制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻T1aにおいて、制御弁457の開度をOP2からOP3に増加させる。その後、制御装置20は、発電室215が所定の加熱状態となる時刻T2において、制御弁457の開度をOP3からOP2に減少させる。 As shown in FIG. 13, the control device 20 of the present embodiment increases the degree of opening of the control valve 457 from OP2 to OP3 at time T1a prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. After that, the control device 20 reduces the opening degree of the control valve 457 from OP3 to OP2 at time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined heating state.

第1実施形態において、制御装置20は、時刻T2以降は、制御弁457の開度をOP2で維持している。また、時刻T1aは、SOFC313の起動完了後のある時刻における運転状態から負荷要求により予め設定された運転状態へ移行(例えば、50%負荷から100%負荷へ変化)するのに先立つ時刻であってもよい。制御弁(加熱制御弁)457及び制御弁(酸化性ガス制御弁)335の開度を負荷要求により予め設定された開度に制御することで発電室215の温度の変動を抑制することができる。 In the first embodiment, the control device 20 maintains the opening degree of the control valve 457 at OP2 after time T2. Further, the time T1a is the time prior to the transition from the operating state at a certain time after the SOFC 313 has been activated to the operating state set in advance according to the load request (for example, a change from 50% load to 100% load). good too. By controlling the opening degrees of the control valve (heating control valve) 457 and the control valve (oxidizing gas control valve) 335 to preset opening degrees according to load requirements, fluctuations in the temperature of the generator chamber 215 can be suppressed. .

制御装置20は、例えば、50%負荷から100%負荷へ変化させる場合は制御弁342の開度を増加させるのに先立って加熱制御弁457および酸化性ガス制御弁335の開度を予め設定された100%負荷運転時の開度となるように、それぞれの開度を増加および減少させることで負荷上昇に伴う発電室温度の過昇温およびターボチャージャ411の過回転を抑制することができる。 For example, when the load is changed from 50% to 100%, the controller 20 presets the openings of the heating control valve 457 and the oxidizing gas control valve 335 prior to increasing the opening of the control valve 342. Further, by increasing and decreasing the respective openings so as to achieve the opening at 100% load operation, it is possible to suppress excessive rise in temperature of the generator chamber and excessive rotation of the turbocharger 411 due to an increase in load.

また、制御装置20は、例えば、100%負荷から50%負荷へ変化させる場合は制御弁342の開度を減少させるのに先立って加熱制御弁457および酸化性ガス制御弁335の開度を予め設定された50%負荷運転時の開度となるように、それぞれの開度を減少および増加させることで負荷減少に伴う発電室温度の維持およびターボチャージャ411の必要回転数の確保を行うことができる。 For example, when changing from 100% load to 50% load, the control device 20 reduces the opening degrees of the heating control valve 457 and the oxidizing gas control valve 335 in advance before reducing the opening degree of the control valve 342. It is possible to maintain the generator chamber temperature and ensure the required rotation speed of the turbocharger 411 as the load decreases by decreasing and increasing the respective opening degrees so that the set opening degree for 50% load operation is achieved. can.

図14に示すように、本実施形態の制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻T1aにおいて、制御弁335の開度をOP5からOP4に減少させる。その後、制御装置20は、発電室215が所定の加熱状態となる時刻T2において、制御弁335の開度をOP4からOP5に増加させる。第1実施形態において、制御装置20は、制御弁335の開度をOP5で維持している。 As shown in FIG. 14, the control device 20 of the present embodiment reduces the degree of opening of the control valve 335 from OP5 to OP4 at time T1a prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. After that, the control device 20 increases the opening degree of the control valve 335 from OP4 to OP5 at time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined heating state. In the first embodiment, the control device 20 maintains the opening degree of the control valve 335 at OP5.

制御弁335の開度OP4は、制御弁457の開度がOP2からOP3に増加することによる酸化性ガスの増加量と、制御弁335の開度がOP5からOP4に減少することによる酸化性ガスの減少量とが一致するように設定される。すなわち、制御弁335の開度OP4は、起動用空気加熱ライン455から酸化性ガス供給ライン331に供給される酸化性ガスの増加量を相殺するように設定される。 The opening degree OP4 of the control valve 335 is the amount of increase in the oxidizing gas due to the increase in the opening degree of the control valve 457 from OP2 to OP3 and the amount of oxidizing gas due to the decrease in the opening degree of the control valve 335 from OP5 to OP4. is set to match the amount of decrease in That is, the opening degree OP4 of the control valve 335 is set so as to offset the increased amount of the oxidizing gas supplied from the starting air heating line 455 to the oxidizing gas supply line 331 .

図15に示すように、第1実施形態では、時刻T1における発電室215の温度はTe1であり、時刻T3において、発電室215の温度が目標温度である時刻Te3に到達する。一方、第2実施形態では、時刻T1における発電室215の温度はTe1よりも高いTe1aであり、時刻T3よりも早いタイミングで、発電室215の温度が目標温度である時刻Te3に到達する。このように、本実施形態の制御装置20は、時刻T1aにおいて、制御弁457の開度をOP2からOP3に増加させるとともに制御弁335の開度をOP5からOP4に減少させるよう制御弁457および制御弁335を制御する。 As shown in FIG. 15, in the first embodiment, the temperature of the power generation chamber 215 at time T1 is Te1, and at time T3, the temperature of the power generation chamber 215 reaches the target temperature, time Te3. On the other hand, in the second embodiment, the temperature of the power generation chamber 215 at time T1 is Te1a, which is higher than Te1, and the temperature of the power generation chamber 215 reaches the target temperature at time Te3 earlier than time T3. Thus, the control device 20 of the present embodiment increases the opening degree of the control valve 457 from OP2 to OP3 and decreases the opening degree of the control valve 335 from OP5 to OP4 at time T1a. Control valve 335 .

本実施形態の制御装置20は、時刻T1aにおいて、制御弁(加熱制御弁)457の開度を増加させるとともに制御弁(酸化性ガス制御弁)335の開度を減少させるよう制御弁457および制御弁335を制御する第1制御工程を実行する。また、制御装置20は、時刻T1において、制御弁457の開度がOP2からOP3に増加し、かつ制御弁335の開度がOP5からOP4に減少した状態で、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるよう制御弁342を制御する。本実施形態の制御装置20は、時刻T1において制御弁457の開度が増加し、かつ制御弁335の開度が減少した状態で、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるよう制御弁342を制御する第2制御工程を実行する。 At time T1a, the control device 20 of the present embodiment increases the opening of the control valve (heating control valve) 457 and decreases the opening of the control valve (oxidizing gas control valve) 335. A first control step for controlling the valve 335 is performed. At time T1, the control device 20 opens the control valve 342 from the closed state while the opening degree of the control valve 457 increases from OP2 to OP3 and the opening degree of the control valve 335 decreases from OP5 to OP4. Control valve 342 to switch to state. The control device 20 of the present embodiment switches the control valve 342 from the closed state to the open state in a state where the opening degree of the control valve 457 increases and the opening degree of the control valve 335 decreases at time T1. to perform a second control step of controlling the

なお、制御装置20は、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻T1aにおいて、制御弁(接続制御弁)456の開度を減少させるようにしてもよい。この場合、制御装置20は、時刻T2において、制御弁456の開度を増加させて元の開度に戻すよう制御する。制御弁456は、排酸化性ガスライン333と起動用空気加熱ライン455とを接続する接続ラインに配置されている。 Note that the control device 20 may reduce the opening degree of the control valve (connection control valve) 456 at time T1a prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. In this case, the control device 20 increases the degree of opening of the control valve 456 and returns it to the original degree of opening at time T2. The control valve 456 is arranged in a connection line that connects the exhaust oxidizing gas line 333 and the starting air heating line 455 .

本実施形態の燃料電池システム310によれば、制御弁342を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、制御弁457の開度を増加させることにより、空気極113に供給される酸化性ガスA2の温度を増加させることができる。そのため、制御弁457の開度を増加させない場合に比べ、制御弁342を閉状態から開状態に切り替える際の発電室215の温度が上昇する。発電室215の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスL3が減少し、排燃料ガスL3により回転駆動されるタービン423の単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system 310 of this embodiment, the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 is increased by increasing the opening of the control valve 457 prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. The temperature of A2 can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber 215 increases when the control valve 342 is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the control valve 457 is not increased. As the temperature of the power generation chamber 215 rises, the activity of the catalyst of the fuel cell increases, so the amount of unreacted exhaust fuel gas L3 decreases, and the number of revolutions per unit time of the turbine 423 driven by the exhaust fuel gas L3 increases. increase can be suppressed.

また、本実施形態の燃料電池システム310によれば、制御弁335の開度を減少させることにより、起動用空気加熱ライン455ら酸化性ガス供給ライン331に供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ライン331から空気極113に供給される酸化性ガスA2の供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the fuel cell system 310 of the present embodiment, by decreasing the opening degree of the control valve 335, the amount of increase in the oxidizing gas supplied from the starting air heating line 455 to the oxidizing gas supply line 331 can be reduced. can be offset. Therefore, it is possible to prevent the supply amount of the oxidizing gas A2 supplied from the oxidizing gas supply line 331 to the air electrode 113 from excessively increasing, thereby preventing the start-up time from becoming longer.

以上説明した各実施形態に記載の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は例えば以下のように把握される。
本開示の第1態様に係る燃料電池システム(310)は、空気極と燃料極を有する燃料電池(313)と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャ(411)と、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ライン(331)と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスライン(341)と、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁(342)と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部(455、457,458)と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローライン(444)と、前記ブローラインに配置されるブロー弁(445)と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室(215)が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置(20)と、を備える。
The fuel cell system and the method of operating the fuel cell system described in each of the embodiments described above are grasped, for example, as follows.
A fuel cell system (310) according to a first aspect of the present disclosure includes a fuel cell (313) having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas. a turbocharger (411) having a turbine driven by the turbine and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line (331) for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; A fuel gas line (341) that supplies the fuel electrode, a fuel gas control valve (342) that is arranged in the fuel gas line, and a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line ( 455, 457, 458), a blow line (444) connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside, a blow valve (445) arranged in the blow line, the When the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened, and the power generation chamber (215) of the fuel cell is heated by the heating unit. a control device (20) for controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to reaching a predetermined heating state by the heated oxidizing gas.

本開示の第1態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the blow valve is opened when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode. Since part of the oxidizing gas compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, the oxidizing gas supply is more difficult than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the cathode through the line is reduced.

そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode from being excessively large with respect to the amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, thereby prolonging the start-up time. Further, it is possible to shorten the start-up time required from the start of supply of the fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state.

本開示の第1態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the generation chamber of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas heated by the heating unit. . When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined level and the activity of the catalyst in the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be properly reacted.

本開示の第2態様に係る燃料電池システムは、第1態様において、前記制御装置が、前記発電室の温度が所定温度以上となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える。
本開示の第2態様に係る燃料電池システムによれば、発電室の温度が所定温度以上となったことに応じてブロー弁を閉状態に切り替えることにより、空気極に供給される酸化性ガスの流量を増加する。発電室の温度が所定温度以上となって燃料電池の触媒の活性が高まっているため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。
In a fuel cell system according to a second aspect of the present disclosure, in the first aspect, the control device switches the blow valve to a closed state in response to the temperature of the power generation chamber becoming equal to or higher than a predetermined temperature.
According to the fuel cell system according to the second aspect of the present disclosure, the oxidizing gas supplied to the air electrode is reduced by switching the blow valve to the closed state in response to the temperature of the power generation chamber becoming equal to or higher than the predetermined temperature. Increase flow rate. Since the temperature of the power generation chamber reaches a predetermined temperature or higher and the activity of the fuel cell catalyst is increased, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be appropriately reacted. .

本開示の第3態様に係る燃料電池システムは、第1態様または第2態様において、前記制御装置は、前記ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える構成としてもよい。 In a fuel cell system according to a third aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, the control device controls, in response to a change in the rotation speed per unit time of the turbocharger from an upward trend to a downward trend, The configuration may be such that the blow valve is switched to a closed state.

本開示の第3態様に係る燃料電池システムによれば、ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じてブロー弁を閉状態に切り替える。上昇傾向から低下傾向への変化は、燃料電池の触媒の活性が高まったことにより未反応の排燃料ガスが減少したことを示す。ブロー弁を閉状態とすることにより空気極に供給される酸化性ガスの流量を増加するが、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the third aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the change in the rotation speed per unit time of the turbocharger from an increasing tendency to a decreasing tendency. A change from an upward trend to a downward trend indicates that unreacted exhaust fuel gas has decreased due to increased activity of the fuel cell catalyst. By closing the blow valve, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode is increased, but the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode must be appropriately reacted. can be done.

本開示の第4態様に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁(335)と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ライン(455)と、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁(457)と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置を備える。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present disclosure includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and the turbine. an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; and an oxidizing gas control valve arranged in the oxidizing gas supply line. (335), a fuel gas line for supplying the fuel gas to the fuel electrode, a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line, and a heater for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. and the heating unit includes an oxidizing gas heating line (455 ) and a heating control valve (457) arranged in the oxidizing gas heating line, and the degree of opening of the heating control valve is increased or decreased according to a preset operating state of the fuel cell. and a controller for controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to decrease or increase the degree of opening of the oxidizing gas control valve.

本開示の第4態様に係る燃料電池システムによれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the heating control valve is increased in accordance with the preset operating state of the fuel cell, thereby reducing the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode. Temperature can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature of the power generation chamber rises, the activity of the catalyst in the fuel cell increases, reducing the amount of unreacted exhaust fuel gas and suppressing an increase in the number of revolutions per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas. be able to.

また、本開示の第4態様に係る燃料電池システムによれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the oxidizing gas control valve is reduced in accordance with the preset operating state of the fuel cell, so that the oxidizing gas heating line An increased amount of oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply line can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in the start-up time.

本開示の第5態様に係る燃料電池システムは、第4態様において、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を有し、前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する。 A fuel cell system according to a fifth aspect of the present disclosure, in the fourth aspect, is characterized by: a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside; a valve, wherein the control device opens the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to the generation chamber of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas heated by the heating unit; .

本開示の第5態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, the blow valve is opened when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode. Since part of the oxidizing gas compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, the oxidizing gas supply is more difficult than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the cathode through the line is reduced.

そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode from being excessively large with respect to the amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, thereby prolonging the start-up time. Further, it is possible to shorten the start-up time required from the start of supply of the fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state.

本開示の第5態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the generation chamber of the fuel cell reaching a predetermined heating state due to the oxidizing gas heated by the heating unit. . When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined level and the activity of the catalyst in the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be properly reacted.

本開示の第6態様に係る燃料電池システムは、第5態様において、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる燃焼器(422)と、前記燃料電池から排出された前記排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスライン(333)と、前記排酸化性ガスラインと前記酸化性ガス加熱ラインとを接続する接続ラインに配置される接続制御弁(456)を備え、前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記接続制御弁の開度を減少させるよう前記接続制御弁を制御する。 A fuel cell system according to a sixth aspect of the present disclosure, in the fifth aspect, is characterized by a combustor (422) for burning the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell, and the exhaust oxidizer discharged from the fuel cell. An exhaust oxidizing gas line (333) for supplying gas to the combustor, and a connection control valve (456) arranged in a connection line connecting the exhaust oxidizing gas line and the oxidizing gas heating line, The control device controls the connection control valve so as to decrease the degree of opening of the connection control valve prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state.

本開示の第6態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、接続制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの流量を増加させ、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。 According to the fuel cell system according to the sixth aspect of the present disclosure, prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state, by reducing the opening degree of the connection control valve, By increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply line, the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode can be increased.

本開示の第7態様に係る燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービンおよび前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とする工程と、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える。 A method of operating a fuel cell system according to a seventh aspect of the present disclosure is characterized in that the fuel cell system comprises a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are combusted. a turbocharger having a turbine supplied as gas and a compressor driven by said turbine; an oxidizing gas supply line for supplying oxidizing gas compressed by said compressor to said air electrode; a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line; a heating unit for heating the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line; and a heating unit connected to the oxidizing gas supply line. and a blow valve disposed in the blow line, wherein the fuel gas control valve is switched from a closed state to an open state to switch the fuel gas control valve to the fuel electrode. a step of starting the supply of fuel gas; and a step of opening the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; A control step of controlling the blow valve to switch the blow valve to a closed state in response to the generation chamber of the fuel cell reaching a predetermined heated state by the oxidizing gas heated by the heating unit.

本開示の第7態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system operating method according to the seventh aspect of the present disclosure, when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened. becomes. Since part of the oxidizing gas compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, the oxidizing gas supply is more difficult than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the cathode through the line is reduced.

そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the amount of the oxidizing gas supplied to the air electrode from being excessively large with respect to the amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode, thereby prolonging the start-up time. Further, it is possible to shorten the start-up time required from the start of supply of the fuel gas to the fuel electrode until the generation chamber reaches a predetermined heated state.

本開示の第7態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the method of operating a fuel cell system according to the seventh aspect of the present disclosure, the blow valve is closed in response to the generation chamber of the fuel cell being heated to a predetermined state by the oxidizing gas heated by the heating unit. can be switched to When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined level and the activity of the catalyst in the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be properly reacted.

本開示の第8に係る燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御工程を備える。 In the method of operating a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell as combustion gas. and a compressor driven by the turbine, an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode, and the oxidizing gas supply line. an oxidizing gas control valve arranged; a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line; a heating unit for heating the gas, the heating unit having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve; A gas heating line and a heating control valve arranged in the oxidizing gas heating line are provided, and the degree of opening of the heating control valve is increased or decreased according to a preset operating state of the fuel cell. and controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to decrease or increase the degree of opening of the oxidizing gas control valve.

本開示の第8態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system operating method according to the eighth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the heating control valve is increased in accordance with the preset operating state of the fuel cell, thereby increasing the amount of oxidation gas supplied to the air electrode. the temperature of the gas can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature of the power generation chamber rises, the activity of the catalyst in the fuel cell increases, reducing the amount of unreacted exhaust fuel gas and suppressing an increase in the number of revolutions per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas. be able to.

また、本開示の第8態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the method of operating a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, the degree of opening of the oxidizing gas control valve is reduced according to the preset operating state of the fuel cell, thereby reducing the amount of oxidizing gas. An increased amount of oxidizing gas supplied from the heating line to the oxidizing gas supply line can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in the start-up time.

本開示の第9態様に係る燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、前記加熱制御弁の開度を増加させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する第1制御工程と、前記加熱制御弁の開度が増加し、かつ前記酸化性ガス制御弁の開度が減少した状態で、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁を制御する第2制御工程と、を備える。 In the method for operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are combusted. A turbocharger having a turbine supplied as gas and a compressor driven by the turbine, an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode, and the oxidizing gas supply line. a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve that is disposed in the fuel gas line; and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. a heating unit for heating the oxidizing gas, wherein the heating unit has one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve. and a heating control valve arranged in the oxidizing gas heating line, wherein the opening of the heating control valve is increased and the opening of the oxidizing gas control valve is decreased. a first control step of controlling a heating control valve and said oxidizing gas control valve; and a second control step of controlling the fuel gas control valve to switch the valve from a closed state to an open state.

本開示の第9態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the method of operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state, by increasing the opening degree of the heating control valve, The temperature of the supplied oxidizing gas can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature of the power generation chamber rises, the activity of the catalyst in the fuel cell increases, reducing the amount of unreacted exhaust fuel gas and suppressing an increase in the number of revolutions per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas. be able to.

また、本開示の第9態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスによる酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the method of operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, by reducing the opening degree of the oxidizing gas control valve, the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas heating line to the oxidizing gas supply line is It is possible to offset the increase in oxidizing gas due to the oxidizing gas. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in the start-up time.

20 制御装置
109 燃料極
113 空気極
215 発電室
310 燃料電池システム
329 燃焼排ガスライン
331 酸化性ガス供給ライン
333 排酸化性ガスライン
335 制御弁(酸化性ガス制御弁)
341 燃料ガスライン
342 制御弁(燃料ガス制御弁)
343 排燃料ガスライン
346 遮断弁
347 調整弁
348 再循環ブロワ
349 燃料ガス再循環ライン
350 排燃料ガス放出ライン
351 排空気冷却器
411 ターボチャージャ
421 圧縮機
422 触媒燃焼器
423 タービン
424 回転軸
430 熱交換器
441 オリフィス
442 排熱回収装置
443 制御弁
444 酸化性ガスブローライン
445 ブロー弁
451 制御弁
452 ブロワ
455 起動用空気加熱ライン(酸化性ガス加熱ライン)
456 制御弁
457 制御弁(加熱制御弁)
458 起動用加熱器
459 制御弁
460 制御弁
A 空気
A2 酸化性ガス
A3 排酸化性ガス
G 燃焼ガス
L1 燃料ガス
L3 排燃料ガス
T0,T1,T1a,T2,T3,T4,T5 時刻
20 Control device 109 Fuel electrode 113 Air electrode 215 Power generation chamber 310 Fuel cell system 329 Combustion exhaust gas line 331 Oxidizing gas supply line 333 Exhaust oxidizing gas line 335 Control valve (oxidizing gas control valve)
341 fuel gas line 342 control valve (fuel gas control valve)
343 Exhaust fuel gas line 346 Shutoff valve 347 Regulating valve 348 Recirculation blower 349 Fuel gas recirculation line 350 Exhaust fuel gas release line 351 Exhaust air cooler 411 Turbocharger 421 Compressor 422 Catalytic combustor 423 Turbine 424 Rotating shaft 430 Heat exchange Vessel 441 Orifice 442 Exhaust heat recovery device 443 Control valve 444 Oxidizing gas blow line 445 Blow valve 451 Control valve 452 Blower 455 Start air heating line (oxidizing gas heating line)
456 control valve 457 control valve (heating control valve)
458 Startup heater 459 Control valve 460 Control valve A Air A2 Oxidizing gas A3 Exhaust oxidizing gas G Combustion gas L1 Fuel gas L3 Exhaust fuel gas T0, T1, T1a, T2, T3, T4, T5 Time

Claims (6)

空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、
前記ブローラインに配置されるブロー弁と、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置と、を備える燃料電池システム。
a fuel cell having an air electrode and an anode;
a turbocharger having a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line;
a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside;
a blow valve disposed in the blow line;
When the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened, and the power generation chamber of the fuel cell is heated by the heating unit. and a controller for controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state due to the oxidizing gas.
前記制御装置は、前記発電室の温度が所定温度以上となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える請求項1に記載の燃料電池システム。 2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device switches the blow valve to a closed state when the temperature of the power generation chamber reaches or exceeds a predetermined temperature. 前記制御装置は、前記ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control device switches the blow valve to a closed state in response to a change in the rotation speed per unit time of the turbocharger from an increasing tendency to a decreasing tendency. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、
前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、
予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、
前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する燃料電池システム。
a fuel cell having an air electrode and an anode;
a turbocharger having a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
an oxidizing gas control valve arranged in the oxidizing gas supply line;
a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line,
The heating unit
an oxidizing gas heating line having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve;
a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line;
The heating control valve and the oxidizing gas are controlled so as to increase or decrease the degree of opening of the heating control valve and decrease or increase the degree of opening of the oxidizing gas control valve according to a preset operating state of the fuel cell. a controller that controls the gas control valve;
a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside;
a blow valve disposed in the blow line,
The control device switches the fuel gas control valve from a closed state to an open state to open the blow valve when starting to supply the fuel gas to the fuel electrode, and the power generation chamber of the fuel cell is opened. A fuel cell system for controlling the fuel gas control valve and the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state by the oxidizing gas heated by the heating unit.
前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池から排出された前記排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、
前記排酸化性ガスラインと前記酸化性ガス加熱ラインとを接続する接続ラインに配置される接続制御弁を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記接続制御弁の開度を減少させるよう前記接続制御弁を制御する請求項に記載の燃料電池システム。
a combustor for burning the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell;
an exhaust oxidizing gas line for supplying the exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell to the combustor;
A connection control valve arranged in a connection line connecting the exhaust oxidizing gas line and the oxidizing gas heating line,
5. The fuel cell system according to claim 4 , wherein the control device controls the connection control valve so as to decrease the degree of opening of the connection control valve prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state. .
燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池システムは、
空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービンおよび前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、
前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、
前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とする工程と、
前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える燃料電池システムの運転方法。
A method of operating a fuel cell system, comprising:
The fuel cell system is
a fuel cell having an air electrode and an anode;
a turbocharger having a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line for supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve arranged in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line;
a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside;
a blow valve disposed in the blow line,
switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode;
a step of opening the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode;
a control step of controlling the blow valve so as to switch the blow valve to a closed state in response to the generation chamber of the fuel cell being brought into a predetermined heated state by the oxidizing gas heated by the heating unit. How to operate a battery system.
JP2022108294A 2022-07-05 2022-07-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM Active JP7293466B1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022108294A JP7293466B1 (en) 2022-07-05 2022-07-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM
JP2023011983A JP7408855B1 (en) 2022-07-05 2023-01-30 Fuel cell system and how to operate the fuel cell system
PCT/JP2023/006931 WO2024009552A1 (en) 2022-07-05 2023-02-27 Fuel cell system and method for operating fuel cell system
TW112110198A TW202404164A (en) 2022-07-05 2023-03-20 Fuel cell system and method for operating fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022108294A JP7293466B1 (en) 2022-07-05 2022-07-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023011983A Division JP7408855B1 (en) 2022-07-05 2023-01-30 Fuel cell system and how to operate the fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP7293466B1 true JP7293466B1 (en) 2023-06-19
JP2024007090A JP2024007090A (en) 2024-01-18

Family

ID=86772580

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022108294A Active JP7293466B1 (en) 2022-07-05 2022-07-05 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM
JP2023011983A Active JP7408855B1 (en) 2022-07-05 2023-01-30 Fuel cell system and how to operate the fuel cell system

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023011983A Active JP7408855B1 (en) 2022-07-05 2023-01-30 Fuel cell system and how to operate the fuel cell system

Country Status (3)

Country Link
JP (2) JP7293466B1 (en)
TW (1) TW202404164A (en)
WO (1) WO2024009552A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6591112B1 (en) 2019-05-31 2019-10-16 三菱日立パワーシステムズ株式会社 PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, AND METHOD FOR STARTING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM
JP2021136175A (en) 2020-02-27 2021-09-13 三菱パワー株式会社 Fuel cell system and start method therefor

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108370047B (en) 2015-12-15 2020-05-26 日产自动车株式会社 Fuel cell system and control method thereof
JP7383515B2 (en) 2020-02-14 2023-11-20 三菱重工業株式会社 Power generation system, its control device, control method, and control program

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6591112B1 (en) 2019-05-31 2019-10-16 三菱日立パワーシステムズ株式会社 PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, AND METHOD FOR STARTING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM
JP2021136175A (en) 2020-02-27 2021-09-13 三菱パワー株式会社 Fuel cell system and start method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024007311A (en) 2024-01-18
WO2024009552A1 (en) 2024-01-11
JP7408855B1 (en) 2024-01-05
TW202404164A (en) 2024-01-16
JP2024007090A (en) 2024-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6616054B1 (en) Fuel cell system, combined power generation system, and control method for fuel cell system
US8309270B2 (en) Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange
EP3719903B1 (en) Fuel cell temperature distribution control system, fuel cell, and temperature distribution control method
WO2021171882A1 (en) Fuel cell system and control method therefor
WO2021171883A1 (en) Fuel cell system and method for starting same
JP7293466B1 (en) FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM
EP2183811B1 (en) Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange
JP6961736B2 (en) Fuel cell system and its control method
CN115428201A (en) Fuel cell power generation system
RU2447545C2 (en) Systems of solid oxide fuel cells with improved gas chanelling and heat exchange
JP7213217B2 (en) Fuel cell power generation system and control method for fuel cell power generation system
JP7013605B1 (en) Fuel cell system and how to operate the fuel cell system
JP6632911B2 (en) Fuel cell, fuel cell combined power generation system, and method of stopping fuel cell
JP2012009207A (en) Power generator

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220818

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20220818

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20221129

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230130

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230509

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230607

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7293466

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150