JP6847736B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池システムに関し、特に、炭化水素を含有する原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell system, and more particularly, a solid oxide fuel that generates electricity by reacting a hydrogen gas obtained by steam reforming a raw material fuel gas containing a hydrocarbon with an oxidant gas. Regarding the battery system.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に燃料極及び酸化剤ガス極を夫々取り付け、一方の燃料極側に燃料ガスを供給し、他方の酸化剤ガス極側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。 A solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cell: also referred to as "SOFC") uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, and has a fuel electrode and an oxidant gas electrode attached to both sides of the solid oxide fuel cell. A fuel cell that operates at a relatively high temperature by supplying fuel gas to the pole side and supplying oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other oxidant gas pole side.
このように、燃料電池セルは、燃料極側に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給して発電運転を行うものであるが、発電運転の状態から停止状態に移行する際等に、高温状態にある燃料極に酸化剤ガス(空気)が接触するリスクがある。高温状態にある燃料極に酸化剤ガスが接触すると、燃料極中に含まれるニッケルが酸化剤ガスと反応して、酸化膨張してしまうことが知られている。この燃料極の酸化膨張は、極僅かであったとしても、燃料電池セル自体を劣化させたり、燃料電池セルを気密固定するためのシール材を劣化させる場合があり、固体酸化物形燃料電池システムの耐用年数を短縮させてしまうという問題が生じる。 In this way, the fuel cell cell supplies fuel gas to the fuel electrode side and supplies oxidant gas to the oxidant gas electrode side to perform power generation operation, but shifts from the power generation operation state to the stopped state. There is a risk that the oxidant gas (air) will come into contact with the fuel electrode in a high temperature state. It is known that when an oxidant gas comes into contact with a fuel electrode in a high temperature state, nickel contained in the fuel electrode reacts with the oxidant gas and oxidatively expands. This oxidative expansion of the fuel electrode may deteriorate the fuel cell itself or the sealing material for airtightly fixing the fuel cell, even if it is very small, and is a solid oxide fuel cell system. The problem arises that the useful life of the fuel cell is shortened.
特許第4906242号公報(特許文献1)には、燃料電池の稼働停止方法が記載されている。この燃料電池の稼働停止方法においては、燃料電池の発電を停止した後、空気極層への空気の供給を継続して行いながら、原燃料ガスも供給量を低減したうえで供給を継続して、改質触媒や燃料電池セルの温度を低下させている。即ち、燃料電池による発電を停止した後も、原燃料ガスの供給を継続して行うことにより、燃料電池セルの燃料極には、改質された原燃料ガス又は未改質の原燃料ガスが送り込まれ、燃料極側が還元雰囲気に維持される。これにより、空気極側から燃料極側へ空気が逆流し、燃料極が酸化されるのを防止しながら燃料電池セルの温度を低下させることができる。 Japanese Patent No. 4906242 (Patent Document 1) describes a method for stopping the operation of a fuel cell. In this method of stopping the operation of the fuel cell, after stopping the power generation of the fuel cell, the supply of air to the air electrode layer is continued, and the supply of raw material and fuel gas is also continued after reducing the supply amount. , The temperature of the reforming catalyst and the fuel cell is lowered. That is, by continuing to supply the raw material fuel gas even after the power generation by the fuel cell is stopped, the reformed raw material fuel gas or the unmodified raw material fuel gas is discharged to the fuel electrode of the fuel cell. It is sent in and the fuel electrode side is maintained in a reducing atmosphere. As a result, the temperature of the fuel cell can be lowered while preventing the air from flowing back from the air electrode side to the fuel electrode side and oxidizing the fuel electrode.
しかしながら、特許文献1記載の発明のように、原燃料ガスの供給を継続しながら燃料電池セルの温度を低下させる停止工程を実行した場合でも、この停止工程が極めて多くの回数実行された場合には、一部の燃料電池セルに酸化膨張の影響が表れることが本件発明者により見出された。即ち、特許文献1記載の発明のような停止工程であっても、この停止工程が数百回以上繰り返し実行されると、多数配列された燃料電池セルの一部に酸化膨張に基づく僅かな損傷が発生することが確認された。この損傷は僅かなものであるが、燃料電池セルにこのような損傷が発生すると、固体酸化物形燃料電池システムの十数年以上に亘る長期安定動作を保証することが困難となる。 However, even when the stop step of lowering the temperature of the fuel cell while continuing the supply of raw material and fuel gas is executed as in the invention described in Patent Document 1, when this stop step is executed an extremely large number of times. The present inventor has found that some fuel cell cells are affected by oxidative expansion. That is, even in the stopping step as in the invention described in Patent Document 1, when this stopping step is repeatedly executed several hundred times or more, a part of the fuel cell cells arranged in large numbers is slightly damaged due to oxidative expansion. Was confirmed to occur. Although this damage is slight, when such damage occurs in the fuel cell, it becomes difficult to guarantee the long-term stable operation of the solid oxide fuel cell system for more than a dozen years.
次に、図11を参照して、燃料極の酸化による燃料電池セルへの影響を説明する。図11は、従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいて通常の起動及び停止を実行した場合における燃料電池セルの外径の変化を模式的に示したグラフである。図11は、横軸に燃料電池セルの温度を示し、縦軸にはその温度における燃料電池セルの外径を示している。また、図11では、起動工程において燃料電池セル16の温度を上昇させた際の燃料電池セル16の外径の変化を破線で示し、停止工程において燃料電池セル16の温度を降下させた際の燃料電池セル16の外径の変化を実線で示している。
Next, the effect of oxidation of the fuel electrode on the fuel cell will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a graph schematically showing a change in the outer diameter of the fuel cell when the conventional solid oxide fuel cell system is normally started and stopped. In FIG. 11, the horizontal axis shows the temperature of the fuel cell, and the vertical axis shows the outer diameter of the fuel cell at that temperature. Further, in FIG. 11, the change in the outer diameter of the
まず、図11の破線a1は、従来の固体酸化物形燃料電池システムにおいて、起動工程が実行され、燃料電池セルが昇温された場合の燃料電池セルの外径の変化を示している。この場合には、燃料電池セルの外径は、熱膨張により、温度上昇と共に単調に大きくなる。起動工程が実施された後は、発電工程に移行し、燃料電池セルの温度は概ね一定に維持されるので、燃料電池セルの外径もほぼ一定のままである。次に、破線a1に従って昇温され、発電工程を経た後、燃料電池システムを停止させる場合には、停止工程が実行される。図11の実線b1は、破線a1に従って昇温され、発電工程を経た後、停止工程が実行され、燃料電池セルの温度が降下された場合の燃料電池セルの外径の変化を示している。この場合には、燃料電池セルの外径は、初めは温度低下と共に単調に減少しているが、温度低下の途中の、図11において想像線で囲った温度帯域で燃料電池セルの外径が一旦増加に転じ、その後、再び減少している。 First, the broken line a1 in FIG. 11 shows the change in the outer diameter of the fuel cell when the start-up step is executed and the temperature of the fuel cell is raised in the conventional solid oxide fuel cell system. In this case, the outer diameter of the fuel cell becomes monotonously large as the temperature rises due to thermal expansion. After the start-up process is carried out, the process shifts to the power generation process, and the temperature of the fuel cell is maintained substantially constant, so that the outer diameter of the fuel cell also remains substantially constant. Next, when the temperature is raised according to the broken line a1 and the fuel cell system is stopped after passing through the power generation step, the stop step is executed. The solid line b1 in FIG. 11 shows the change in the outer diameter of the fuel cell when the temperature is raised according to the broken line a1, the power generation process is performed, the stop process is executed, and the temperature of the fuel cell is lowered. In this case, the outer diameter of the fuel cell cell initially decreases monotonically with the temperature decrease, but during the temperature decrease, the outer diameter of the fuel cell is in the temperature range surrounded by the imaginary line in FIG. It started to increase once, and then decreased again.
この停止工程中における燃料電池セルの外径の増加は、燃料電池セルの酸化剤ガス極側から燃料極側に酸化剤ガスが僅かに拡散し、燃料極が微少な酸化を受けたことによる。即ち、燃料極側に酸化剤ガスが拡散すると、燃料極に含まれるニッケル成分が酸化により膨張され、燃料電池セルの外径が増大する。この燃料極の酸化は微少なもので、1回の停止工程による燃料電池セルの外径の増大(図11の破線a1の下端における外径と、実線b1の下端における外径の差)は非常に僅かであり、直ちに燃料電池セルの性能に影響を与えるものではない。しかしながら、このような僅かな酸化膨張であっても、長期の使用により固体酸化物形燃料電池システムの起動、停止が多数回行われると、酸化膨張による悪影響が蓄積され、システムの耐用年数が制限される結果となる。 The increase in the outer diameter of the fuel cell during this stopping process is due to the fact that the oxidant gas slightly diffuses from the oxidant gas electrode side to the fuel electrode side of the fuel cell and the fuel electrode undergoes slight oxidation. That is, when the oxidant gas diffuses to the fuel electrode side, the nickel component contained in the fuel electrode expands due to oxidation, and the outer diameter of the fuel cell increases. The oxidation of the fuel electrode is slight, and the increase in the outer diameter of the fuel cell (the difference between the outer diameter at the lower end of the broken line a1 in FIG. 11 and the outer diameter at the lower end of the solid line b1) due to one stop step is extremely large. It is very small and does not immediately affect the performance of the fuel cell. However, even with such a slight oxidative expansion, if the solid oxide fuel cell system is started and stopped many times due to long-term use, the adverse effects of the oxidative expansion accumulate and the service life of the system is limited. The result is that
従って、本発明は、停止工程が多数回繰り返し実行された場合であっても、燃料電池セルの劣化を十分に抑制することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of sufficiently suppressing deterioration of a fuel cell even when the stop step is repeatedly executed a large number of times.
上述した課題を解決するために、本発明は、炭化水素を含有する原燃料ガスを水蒸気改質して得られた水素ガスと酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物形燃料電池システムであって、固体電解質層、この固体電解質層の内側に設けられたニッケルを含有する燃料極層、及び固体電解質層の外側に設けられた酸化剤ガス極層を備えた燃料電池セルと、モジュールケースと、原燃料ガスを水蒸気改質により改質して、水素ガスを豊富に含む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスを燃料電池セルの燃料極側に供給する改質部と、この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、供給された水を蒸発させて水蒸気改質用の水蒸気を生成し、生成された水蒸気を改質部に供給する蒸発部と、この蒸発部に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、モジュールケース内に設けられ、燃料電池セルの燃料極側を通り、発電に使用されずに残った残余燃料ガスを燃料電池セルの上端で燃焼させる燃焼部と、燃料供給装置、水供給装置、及び酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、燃料電池セルからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、コントローラは、燃料電池セルからの電力の取り出しを停止して発電工程を終了した後、燃料供給装置による原燃料ガスの供給、及び水供給装置による水の供給を継続しながら燃料電池セルの温度を低下させる停止工程を実行するように構成され、コントローラは、さらに、各燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎の消失が促されるように、停止工程中の、所定の消火促進期間において、改質部に供給される水蒸気量と炭素量のモル比であるS/Cが、発電工程中におけるS/Cよりも高くなるように燃料供給装置及び水供給装置を制御するように構成され、消火促進期間は、一部の燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点から、全ての燃料電池セルの上端における燃焼炎が消失するまでの期間を含む期間であり、消火促進期間は、燃焼部の温度が、燃料電池セルの上端において再着火が発生しない温度以下に低下した後から開始され、コントローラは、消火促進期間の開始時にS/Cが高くなるように燃料供給装置及び水供給装置を制御することを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention presents a solid oxide fuel cell system that generates power by reacting a hydrogen gas obtained by steam reforming a raw material fuel gas containing a hydrocarbon with an oxidizing agent gas. a is a solid electrolyte layer, a fuel cell having a solid electrolyte layer of the fuel electrode layer containing nickel provided on the inside, and the oxidizing gas electrode layer provided on the outer side of the solid electrolyte layer, a module case, the raw fuel gas by reforming by steam reforming to produce a fuel gas rich in hydrogen gas, a reforming section and supplies the fuel gas to the fuel electrode side of the fuel cell , A fuel supply device that supplies raw fuel gas to this reforming unit, an evaporation unit that evaporates the supplied water to generate steam for steam reforming, and supplies the generated steam to the reforming unit. A water supply device that supplies water for steam reforming to the evaporation part, an oxidant gas supply device that supplies oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell, and a fuel cell provided in the module case. It controls a combustion unit that passes through the fuel electrode side of the cell and burns residual fuel gas remaining unused for power generation at the upper end of the fuel cell, a fuel supply device, a water supply device, and an oxidant gas supply device. The controller has a controller that controls the extraction of electric power from the fuel cell, and the controller stops the extraction of electric power from the fuel cell and ends the power generation process, and then supplies the raw fuel gas by the fuel supply device. , And a stop step that lowers the temperature of the fuel cell while continuing to supply water by the water supply device, and the controller is further configured to perform a combustion flame of residual fuel gas at the top of each fuel cell. The S / C, which is the molar ratio of the amount of water vapor and the amount of carbon supplied to the reforming part, is higher than the S / C in the power generation process during the predetermined fire extinguishing promotion period during the shutdown process so that the extinction is promoted. It is configured to control the fuel supply and water supply devices to be higher, and the fire extinguishing promotion period is for all fuel cells from the time when the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of some fuel cell cells begins to disappear. Ri period der including period until the combustion flame at the upper end of the cell is lost, extinguishing promotion period, the temperature of the combustion portion, reignition is started after reduced to a temperature below that does not occur at the upper end of the fuel cell The controller is characterized in controlling the fuel supply device and the water supply device so that the S / C becomes high at the start of the fire extinguishing promotion period.
このように構成された本発明においては、燃料供給装置から供給された原燃料ガスが、水供給装置から供給された水を蒸発部において蒸発させた水蒸気と共に改質部に供給される。改質部において水蒸気改質された、水素ガスを豊富に含む燃料ガスは、モジュールケース内に収容された複数の燃料電池セルの燃料極側に供給される。一方、酸化剤ガス供給装置により供給された酸化剤ガスは、燃料電池セルの酸化剤ガス極側に供給される。燃料電池セルの燃料極側を通り、発電に使用されずに残った残余燃料ガスは、モジュールケース内の燃焼部の中で、燃料電池セルの上端で燃焼される。コントローラは、燃料供給装置、水供給装置、及び酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、燃料電池セルからの電力の取り出しを制御する。また、コントローラは、燃料電池セルからの電力の取り出しを停止して発電工程を終了した後、燃料供給装置による原燃料ガスの供給、及び水供給装置による水の供給を継続しながら燃料電池セルの温度を低下させる停止工程を実行する。さらに、コントローラは、各燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎の消失が促されるように、停止工程中の、所定の消火促進期間において、改質部に供給される水蒸気量と炭素量のモル比S/Cが、発電工程中のS/Cよりも高くなるように燃料供給装置及び水供給装置を制御する。 In the present invention configured as described above, the raw fuel gas supplied from the fuel supply device is supplied to the reforming section together with the steam obtained by evaporating the water supplied from the water supply device in the evaporation section. The fuel gas containing abundant hydrogen gas, which has been steam reformed in the reforming section, is supplied to the fuel pole side of a plurality of fuel cell cells housed in the module case. On the other hand, the oxidant gas supplied by the oxidant gas supply device is supplied to the oxidant gas electrode side of the fuel cell. The residual fuel gas that has passed through the fuel electrode side of the fuel cell and has not been used for power generation is burned at the upper end of the fuel cell in the combustion part in the module case. The controller controls the fuel supply device, the water supply device, and the oxidant gas supply device, and also controls the extraction of electric power from the fuel cell. In addition, after the controller stops the extraction of electric power from the fuel cell and ends the power generation process, the controller continues to supply raw fuel gas by the fuel supply device and water by the water supply device. Perform a stop step to reduce the temperature. Further, the controller controls the amount of water vapor and the amount of carbon supplied to the reforming unit during a predetermined fire extinguishing promotion period during the stop step so as to promote the extinction of the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of each fuel cell. The fuel supply device and the water supply device are controlled so that the molar ratio S / C of the above is higher than the S / C during the power generation process.
上述したように、従来の燃料電池システムでは、燃料供給装置による原燃料ガスの供給、及び水供給装置による水の供給を継続しながら燃料電池セルの温度を低下させる停止工程を実行した場合であっても、停止工程が多数回実行されると燃料電池セルの燃料極に酸化膨張の影響が表れてしまう。この原因を本件発明者が探求した結果、この現象は、停止工程中における燃料電池セル上端での残余燃料の燃焼状況に起因することが突き止められた。即ち、停止工程中においては、各燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの流量を低減しながら各燃料電池セルの温度が低下される。これに伴い、発電工程中において各燃料電池セルの上端で燃焼していた残余燃料ガスの炎は次第に縮小し、温度低下と共に消失される。 As described above, in the conventional fuel cell system, a stop step of lowering the temperature of the fuel cell while continuing the supply of raw fuel gas by the fuel supply device and the supply of water by the water supply device is executed. However, if the stop step is executed many times, the effect of oxidative expansion appears on the fuel electrode of the fuel cell. As a result of investigating the cause of this, it was found that this phenomenon is caused by the combustion state of the residual fuel at the upper end of the fuel cell during the stopping process. That is, during the stop process, the temperature of each fuel cell is lowered while reducing the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel electrode of each fuel cell. Along with this, the flame of the residual fuel gas burned at the upper end of each fuel cell during the power generation process gradually shrinks and disappears as the temperature drops.
この際、モジュールケース内に多数配列された燃料電池セルのうち、温度の低い燃料電池セルの上端における炎は早期に消失され、温度の高い燃料電池セルの炎は消失されずに長い期間残存する。このように、炎が消失した燃料電池セルと、炎が残存している燃料電池セルが混在した状態が長く継続すると、炎が消失した燃料電池セルの温度は急激に低下する一方、炎が残存している燃料電池セルの温度はあまり低下しないため、配列された各燃料電池セルの間で大きな温度ムラが発生する。一般に、配列された複数の燃料電池セルのうち、配列の中央部分に位置する燃料電池セルは温度が高くなる傾向があり、上端の炎が長く残存するのに対して、配列の周辺部の燃料電池セルは温度が低くなるため、炎は早期に消失する。これにより、配列の中央部分の燃料電池セルの温度はさらに高くなり、周辺部分の燃料電池セルの温度は急激に低下して、各燃料電池セル間の温度ムラが増大する。このような各燃料電池セル間の大きな温度ムラや、局所的に残存した炎が消失される際の急激な圧力変化によって、燃料供給が継続されている状態であっても、酸化剤ガス極側から燃料極側への酸化剤ガスの逆流が発生してしまう。 At this time, among the many fuel cell cells arranged in the module case, the flame at the upper end of the fuel cell with a low temperature is extinguished at an early stage, and the flame of the fuel cell with a high temperature remains for a long time without being extinguished. .. In this way, if the fuel cell in which the flame is extinguished and the fuel cell in which the flame remains are mixed for a long time, the temperature of the fuel cell in which the flame is extinguished drops sharply, but the flame remains. Since the temperature of the fuel cell cells is not so low, a large temperature unevenness occurs between the arranged fuel cell cells. In general, of a plurality of fuel cell cells arranged, the fuel cell located in the central part of the arrangement tends to have a high temperature, and the flame at the upper end remains for a long time, whereas the fuel in the peripheral part of the arrangement remains. Since the temperature of the battery cell becomes low, the flame is extinguished early. As a result, the temperature of the fuel cell in the central portion of the array becomes higher, the temperature of the fuel cell in the peripheral portion drops sharply, and the temperature unevenness between the fuel cell cells increases. Even if the fuel supply is continued due to such a large temperature unevenness between each fuel cell and a sudden pressure change when the locally remaining flame disappears, the oxidant gas electrode side Backflow of oxidant gas to the fuel electrode side is generated.
これに対し、上記のように構成された本発明によれば、停止工程中の、所定の消火促進期間において、改質部に供給される水蒸気量と炭素量のモル比であるS/Cが、発電工程中におけるS/Cよりも高くなるように燃料供給装置及び水供給装置が制御されるので、燃料電池セル上端における炎が消失されやすく、各燃料電池セル間の温度ムラが発生しにくくなる。即ち、消火促進期間におけるS/Cが高くされることにより、燃料供給量が同一であったとしても、燃料ガス中の燃料の濃度が低下するので、燃料電池セル上端の炎は消失されやすく、また、高温の状態で炎が消失されたとしても再着火が発生しにくい。これにより、モジュールケース内の各燃料電池セル上端の炎は、全体的に比較的早期に消失されやすくなり、各燃料電池セル間の温度ムラを抑制することができ、酸化剤ガスの逆流を抑制することができる。 On the other hand, according to the present invention configured as described above, the S / C, which is the molar ratio of the amount of water vapor and the amount of carbon supplied to the reforming portion during the predetermined fire extinguishing promotion period during the stopping process, is determined. Since the fuel supply device and the water supply device are controlled so as to be higher than the S / C during the power generation process, the flame at the upper end of the fuel cell is likely to be extinguished, and temperature unevenness between the fuel cell cells is unlikely to occur. Become. That is, by increasing the S / C during the fire extinguishing promotion period, even if the fuel supply amount is the same, the concentration of the fuel in the fuel gas decreases, so that the flame at the upper end of the fuel cell is easily extinguished. Even if the flame is extinguished at high temperature, reignition is unlikely to occur. As a result, the flame at the upper end of each fuel cell in the module case is likely to be extinguished relatively early as a whole, temperature unevenness between each fuel cell can be suppressed, and backflow of oxidant gas is suppressed. can do.
また、本発明によれば、S/Cを高くする消火促進期間が、燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点から、全ての燃料電池セルの上端における燃焼炎が消失するまでの期間を含むように設定されている。このため、少なくとも、一部の燃料電池セルの炎が消失し始めた状態から、全ての燃料電池セルの炎が消失するまでの期間に亘って炎の消火を促進することができ、一部の炎が長時間残存することにより、各燃料電池セル間の温度ムラが拡大するのを防止することができる。また、消火促進期間は、停止工程開始後であって、一部の燃料電池セルの炎が消失し始める時点から、全ての燃料電池セルの炎が消失するまでの期間を含む任意の期間に設定することができる。 Further, according to the present invention, the combustion flame at the upper end of all fuel cell cells disappears from the time when the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of the fuel cell begins to disappear during the fire extinguishing promotion period for increasing the S / C. It is set to include the period until it is done. Therefore, at least, it is possible to promote the extinguishing of the flames from the state in which the flames of some fuel cell cells begin to extinguish until the flames of all the fuel cell cells extinguish. Since the flame remains for a long time, it is possible to prevent the temperature unevenness between the fuel cell cells from expanding. The fire extinguishing promotion period is set to an arbitrary period including the period from the time when the flames of some fuel cell cells start to extinguish to the extinguishment of the flames of all the fuel cell cells after the start of the stop process. can do.
このように構成された本発明によれば、燃焼部の温度が、燃料電池セルの上端において再着火が発生しない温度以下に低下した後から消火促進期間が開始されるので、S/Cを高めることにより燃料電池セル上端の炎が消失した後、再び自然着火することがなく、確実に炎を消失させることができる。また、このように構成された本発明によれば、再着火が発生する温度帯域でS/Cが高められることがないため、燃料電池セルに多量の水蒸気が不要に供給されることがなく、燃料極の水蒸気酸化のリスクを軽減することができる。 According to the present invention configured as described above, the fire extinguishing promotion period is started after the temperature of the combustion portion drops below the temperature at which reignition does not occur at the upper end of the fuel cell, so that the S / C is increased. As a result, after the flame at the upper end of the fuel cell is extinguished, the flame can be surely extinguished without spontaneous ignition again. Further, according to the present invention configured as described above, since the S / C is not increased in the temperature zone where reignition occurs, a large amount of water vapor is not unnecessarily supplied to the fuel cell. The risk of water vapor oxidation of the fuel electrode can be reduced.
本発明において、好ましくは、消火促進期間は、燃焼部の温度が、300℃以上、400℃以下の温度まで低下したとき開始される。
このように構成された本発明によれば、燃焼部の温度が300℃以上、400℃以下の温度帯域で消火促進期間が開始されるので、一旦消失した燃料電池セル上端の炎が再着火されることがなく、燃料電池セル間の温度ムラを抑制しながら、確実に炎を消失させることができる。
In the present invention, the fire extinguishing promotion period is preferably started when the temperature of the combustion part drops to a temperature of 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
According to the present invention configured in this way, since the fire extinguishing promotion period is started in the temperature zone where the temperature of the combustion part is 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, the flame at the upper end of the fuel cell that has once disappeared is reignited. It is possible to surely extinguish the flame while suppressing the temperature unevenness between the fuel cell cells.
本発明において、好ましくは、コントローラは、消火促進期間におけるS/Cが4以上、10以下となるように燃料供給装置及び水供給装置を制御する。
このように構成された本発明によれば、消火促進期間におけるS/Cが4以上、10以下に設定されるので、燃料電池セル上端の炎の消失を効果的に促進することができると共に、水蒸気過多による水蒸気酸化の発生も抑制することができる。
In the present invention, preferably, the controller controls the fuel supply device and the water supply device so that the S / C during the fire extinguishing promotion period is 4 or more and 10 or less.
According to the present invention configured in this way, since the S / C in the fire extinguishing promotion period is set to 4 or more and 10 or less, it is possible to effectively promote the extinguishing of the flame at the upper end of the fuel cell and also It is also possible to suppress the occurrence of water vapor oxidation due to excessive water vapor.
本発明において、好ましくは、さらに、各燃料電池セルの下端に接続されたマニホールドを有し、改質部において改質された燃料ガスは、マニホールドを介して各燃料電池セルに分配される。 In the present invention, it is preferable that the fuel gas further has a manifold connected to the lower end of each fuel cell, and the fuel gas reformed in the reforming portion is distributed to each fuel cell via the manifold.
多数の燃料電池セルに燃料ガスを供給する場合、一般に、供給された燃料ガスをマニホールドを介して各燃料電池セルに分配すると、モジュールケース内の構造を簡略化することが可能になり、有利である。その反面、マニホールドを介して多数の燃料電池セルに燃料ガスを分配した場合、各燃料電池セルに完全に同一流量の燃料ガスを供給することが困難であり、各燃料電池セル上端の炎が消失する時期にバラツキが生じ、温度ムラが発生しやすくなる。上記のように構成された本発明によれば、消火促進期間においてS/Cが高くされるので、マニホールドを有する構成を採用した場合でも、比較的短時間で全ての燃料電池セルの炎を消失させることができ、温度ムラの発生に起因する燃料極の酸化膨張を抑制することができる。 When supplying fuel gas to a large number of fuel cell cells, it is generally advantageous to distribute the supplied fuel gas to each fuel cell via a manifold because the structure inside the module case can be simplified. is there. On the other hand, when the fuel gas is distributed to a large number of fuel cell cells via the manifold, it is difficult to supply the fuel gas of exactly the same flow rate to each fuel cell, and the flame at the upper end of each fuel cell disappears. Variations occur at the time of fueling, and temperature unevenness is likely to occur. According to the present invention configured as described above, since the S / C is increased during the fire extinguishing promotion period, the flames of all the fuel cell cells are extinguished in a relatively short time even when a configuration having a manifold is adopted. It is possible to suppress the oxidative expansion of the fuel electrode due to the occurrence of temperature unevenness.
本発明において、好ましくは、コントローラは、燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点を予測する消火予測回路を備え、コントローラは、消火予測回路による予測に基づいて消火促進期間を開始させる。 In the present invention, preferably, the controller includes a fire extinguishing prediction circuit that predicts the time when the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of the fuel cell starts to disappear, and the controller has a fire extinguishing promotion period based on the prediction by the fire extinguishing prediction circuit. To start.
このように構成された本発明によれば、消火予測回路が燃焼炎が消失し始める時点を予測するので、コントローラは消火促進期間を正確に設定することができ、温度ムラの発生を確実に抑制することができる。 According to the present invention configured in this way, since the fire extinguishing prediction circuit predicts the time when the combustion flame starts to disappear, the controller can accurately set the fire extinguishing promotion period and surely suppress the occurrence of temperature unevenness. can do.
本発明において、好ましくは、消火予測回路は、過去に実行された停止工程において、燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始めた時点に基づいて、消火促進期間の開始時点を決定する。 In the present invention, preferably, the fire extinguishing prediction circuit sets the start time of the fire extinguishing promotion period based on the time when the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of the fuel cell starts to disappear in the stop step executed in the past. decide.
このように構成された本発明によれば、消火予測回路は、過去に実行された停止工程に基づいて、消火促進期間の開始時点を決定するので、より正確に残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点を予測することができ、消火促進期間を正確に設定することができる。 According to the present invention configured in this way, the fire extinguishing prediction circuit determines the start time of the fire extinguishing promotion period based on the stop step executed in the past, so that the combustion flame of the residual fuel gas disappears more accurately. It is possible to predict when to start fire extinguishing and to set the fire extinguishing promotion period accurately.
本発明において、好ましくは、蒸発部は、燃焼部において燃焼された残余燃料ガスの燃焼熱に基づいて加熱されるように構成され、蒸発部は、さらに、残余燃料ガスの燃焼熱とは別に、蒸発部を加熱する加熱ヒーターを備えている。 In the present invention, preferably, the evaporative unit is configured to be heated based on the combustion heat of the residual fuel gas burned in the combustion unit, and the evaporative unit is further separated from the combustion heat of the residual fuel gas. It is equipped with a heating heater that heats the evaporative part.
このように構成された本発明によれば、蒸発部は、燃焼部において燃焼された残余燃料ガスの燃焼熱に基づいて加熱されるので、残余燃料ガスの燃焼熱を有効に活用して水蒸気を生成することができる。また、蒸発部は、これを加熱する加熱ヒーターも別に備えているため、多量の水蒸気が必要な場合や、発電停止後に時間が経過して温度が低下している状況においても、確実に必要な量の水蒸気を生成することができる。 According to the present invention configured in this way, since the evaporating part is heated based on the combustion heat of the residual fuel gas burned in the combustion part, the combustion heat of the residual fuel gas is effectively utilized to generate water vapor. Can be generated. In addition, since the evaporation unit is also equipped with a separate heater to heat it, it is definitely necessary even when a large amount of steam is required or when the temperature has dropped over time after the power generation has stopped. A large amount of water vapor can be generated.
本発明の固体酸化物形燃料電池システムによれば、停止工程が多数回繰り返し実行された場合であっても、燃料電池セルの劣化を十分に抑制することができる。 According to the solid oxide fuel cell system of the present invention, deterioration of the fuel cell can be sufficiently suppressed even when the stop step is repeatedly executed many times.
つぎに、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを説明する。
図1は、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)を示す全体構成図である。
図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, the solid oxide fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell system (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell system (SOFC) 1 includes a
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して金属製のモジュールケース8が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤ガス(以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。)とにより発電反応を行う燃料電池セルスタック14が配置されている。本実施形態においては、燃料電池セルスタック14は、複数の燃料電池セル16の全てが直列接続されている。
The
燃料電池モジュール2のモジュールケース8の発電室10の上方には、燃焼部としての燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス(言い換えると燃焼ガス)を生成するようになっている。さらに、モジュールケース8は断熱材7により覆われており、燃料電池モジュール2内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質部である改質器120が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器120を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
A
さらに、ハウジング6内においてモジュールケース8の上方には、蒸発器140が断熱材7内に設けられている。蒸発器140は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス(以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。)をモジュールケース8内の改質器120に供給する。
また、モジュールケース8の側面には原燃料ガスから硫黄成分を除去するための水添脱硫器36が設けられている。この水添脱硫器36は、モジュールケース8の熱により内蔵された触媒を所定温度に加熱し、原燃料ガスと改質器120から供給された水素ガスとを反応させることにより、原燃料ガス中の硫黄成分を除去する水素化脱硫方式の脱硫器である。
Further, an
Further, a
つぎに、補機ユニット4は、燃料電池モジュール2からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料を遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット38から流出する燃料ガスを遮断するバルブ39を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気を遮断する電磁弁42と、発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、発電室に供給される発電用空気を加熱するヒータ48とを備えている。このヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
Next, the
なお、本実施形態では、燃料電池システム1の起動時において、まず、各燃料電池セル16の上端で燃料ガスを燃焼させ、上方に配置された改質器120を加熱し、その後、改質器120内において水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が実行され、燃料電池セルスタック14を発電反応が可能な温度まで昇温させている。また、燃料電池システムの起動時に、燃焼運転の後、改質器120内において部分酸化改質反応(POX)のみが生じるPOX工程から、部分酸化改質反応(POX)と水蒸気改質反応(SR)が混在したオートサーマル改質反応(ATR)が生じるATR工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるSR工程が行われるように構成してもよいし、POX工程を省略してATR工程からSR工程に移行されるように構成してもよい。なお、改質器120内において、部分酸化改質反応を発生させる構成では、改質器120に改質用の空気を供給する改質用空気流量調整ユニット(図示せず)を設ける必要がある。
In the present embodiment, when the fuel cell system 1 is started, the fuel gas is first burned at the upper end of each
つぎに、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, the hot
つぎに、図2及び図3を参照して、本実施形態による燃料電池システム1に備えられている燃料電池モジュールの構造について説明する。
図2は、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII−III線に沿った断面図である。
Next, the structure of the fuel cell module provided in the fuel cell system 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
FIG. 2 is a side sectional view showing a fuel cell module of a solid oxide fuel cell system, and FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III of FIG.
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2は、断熱材7で覆われたモジュールケース8の内部に設けられた燃料電池セルスタック14及び改質器120を有すると共に、モジュールケース8の外部で且つ断熱材7内に設けられた蒸発器140を有する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
まず、モジュールケース8は、図2に示すように、略矩形の天板8a,底板8c,これらの長手方向(図2の左右方向)に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板8b(図3)からなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の2つの対向する開口部を塞ぎ、天板8a及び底板8cの幅方向(図3の左右方向)に延びる辺同士を連結する閉鎖側板8d,8eからなる。
First, as shown in FIG. 2, the
モジュールケース8は、空気通路カバー160によって天板8a及び側板8bが覆われている。空気通路カバー160は、天板160aと、対向する一対の側板160bとを有する(図3)。天板160aの略中央部分には、排気管171が貫通されている。天板160aと天板8aとの間、及び、側板160bと側板8bとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース8の外側と断熱材7との間、具体的にはモジュールケース8の天板8a及び側板8bと、空気通路カバー160の天板160a及び側板160bとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路161a,161bが形成されている(図3)。
In the
モジュールケース8の側板8bの下部には、複数の貫通孔である吹出口8fが設けられている。発電用空気は、空気通路カバー160の天板160aのうち、モジュールケース8の閉鎖側板8e側の略中央部に設けられた発電用空気導入管74から流路方向調整部164を介して空気通路161a内に供給される(図2参照)。そして、発電用空気は、空気通路161a,161bを通って、吹出口8fから燃料電池セルスタック14に向けて発電室10内に噴射される(図3参照)。
At the lower part of the
また、空気通路161a,161bの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン162,163が設けられている(図3参照)。プレートフィン162は、モジュールケース8の天板8aと空気通路カバー160の天板160aの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン163は、モジュールケース8の側板8bと空気通路カバー160の側板160bとの間であって、且つ、燃料電池セル16よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。
Further,
空気通路161a,161bを流れる発電用空気は、特にプレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の内側のモジュールケース8内(具体的には天板8a,側板8bに沿って設けられた排気通路)を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路161a,161bにおいてプレートフィン162,163が設けられた部分は、熱交換器(熱交換部)として機能する。
The power generation air flowing through the
つぎに、蒸発器140は、モジュールケース8の天板8a上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器140とモジュールケース8との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材7の一部分7aが配置されている(図2及び図3参照)。
Next, the
具体的には、蒸発器140は、長手方向(図2の左右方向)の一側端側に、水及び原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい)を供給する燃料供給配管63と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管82(図3参照)とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管171の上端部が連結されている。排気管171は、空気通路カバー160の天板160aに形成された開口部を貫通して下方へ延び、モジュールケース8の天板8a上に形成された排気口に連結されている。
Specifically, the
また、蒸発器140は、図2及び図3に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース141を有している。この蒸発器ケース141は、2つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース142と下側ケース143とを、これらの間に中間板144を挟んだ状態で接合して形成されている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the
したがって、蒸発器ケース141は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管171から供給された排気ガスが通過する排気通路部140Aが形成され、上層部分には、燃料供給配管63から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部140Bと、蒸発部140Bで生成された水蒸気と燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部140Cが設けられている。
Therefore, the
図2及び図3に示すように、蒸発部140B及び混合部140Cは、複数の連通孔(スリット)が形成された仕切り板145により蒸発器140を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部140B内には、アルミナボール(図示せず)が充填されている。
また、排気通路部140Aは、同様に複数の連通孔を有する2つの仕切り板146,147により排気ガスの上流側から下流側にかけて3つの空間に仕切られている。そして、2番目の空間に燃焼触媒(図示せず)が充填されている。すなわち、本実施形態において蒸発器140は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
Further, the
このような蒸発器140では、蒸発部140B内の水と排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部140B内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部140C内の混合ガスと排気通路部140Aを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。また、蒸発器140の周囲には、棒状の加熱ヒーター149(図2、図3)が、その三辺を取り囲むように配置されている。この加熱ヒーター149は、固体酸化物形燃料電池システム1の起動工程や、停止工程中に通電されることにより、蒸発部140Bを周囲から加熱し、蒸発部140B内での水蒸気の生成を促進するように構成されている。なお、この加熱ヒーター149は、省略することもできる。
In such an
さらに、図2に示すように、混合部140Cには、改質器120に混合ガスを供給するための混合ガス供給管112が接続されている。この混合ガス供給管112は、排気管171の内部を通過するように配置されており、一端が中間板144に形成された開口に連結され、他端が改質器120の天面に形成された混合ガス供給口に連結されている。混合ガス供給管112は、排気通路部140A内,排気管171内を通過してモジュールケース8内まで鉛直下方に延び、そこで略90°屈曲されて天板8aに沿って水平方向に延びた後、下方へ略90°屈曲されて改質器120に連結されている。
Further, as shown in FIG. 2, a mixed
つぎに、改質器120は、燃焼室18の上方でモジュールケース8の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、天板8aに対して固定されている。改質器120は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔が形成された環状構造体であり、上側ケース121と下側ケース122とが接合された筐体を有している。この貫通孔は、天板8aに形成された排気口111と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔の中央位置に排気口111が形成される。
Next, the
改質器120の長手方向の一端側(モジュールケース8の閉鎖側板8e側)では、上側ケース121に設けられた混合ガス供給口に混合ガス供給管112が連結されており、他端側(閉鎖側板8d側)では、燃料ガス供給管64が下側ケース122に、脱硫器36まで延びる水添脱硫器用水素取出管65が上側ケース121にそれぞれ連結されている。したがって、改質器120は、混合ガス供給管112から混合ガス(つまり水蒸気が混合された原燃料ガス(改質用空気を含めてもよい))を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管64及び水添脱硫器用水素取出管65から改質後のガス(即ち、燃料ガス)を排出するように構成されている。
On one end side (closed
改質器120は、その内部空間が2つの仕切り板123a,123bによって3つの空間に仕切られることにより、改質器120内に、混合ガス供給管112からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部120Aと、混合ガスを改質するための改質触媒(図示せず)が充填された改質部120Bと、改質部120Bを通過したガスを排出するガス排出部120Cと、が形成されている(図2参照)。改質部120Bは、仕切り板123a,123bに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板123a,123bに設けられた複数の連通孔(スリット)を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
The
混合ガス受入部120Aには、蒸発器140から混合ガス供給管112を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口を通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部120A内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板123aを通過して改質部120Bに供給される。
改質部120Bでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板123bを通過してガス排出部120Cに供給される。
ガス排出部120Cでは、燃料ガスが燃料ガス供給管64、及び、水添脱硫器用水素取出管65へ排出される。
The mixed gas supplied from the
In the reforming
In the gas discharge unit 120C, the fuel gas is discharged to the fuel
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管64は、モジュールケース8内を閉鎖側板8dに沿って下方へ延び、底板8c付近で略90°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セルスタック14の下方に形成されたマニホールド66内へ入り、更にマニホールド66内で逆側の閉鎖側板8e付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔が形成されており、この燃料供給孔から、燃料ガスがマニホールド66内に供給される。このマニホールド66の上方には、燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、各燃料電池セル16内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
また、改質器120は、モジュールケース8の側板8bと所定の水平方向距離を隔てて配置されている。
The fuel
Further, the
つぎに、図4及び図5を参照して、燃料電池セル16について説明する。
図4は、本発明の実施形態による燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルを示す図である。図5は、燃料電池セル端部の拡大断面図である。
図4に示すように、燃料電池セル16は、燃料電池セル本体84と、この燃料電池セル本体84の両端部にそれぞれ接続された接続電極部であるキャップ86とを備えている。
Next, the
FIG. 4 is a diagram showing fuel cell cells constituting the fuel cell cell stack according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the end of the fuel cell.
As shown in FIG. 4, the
図5に示すように、支持体として導電支持体を有する場合の燃料電池セル本体84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路88を形成する円筒形の燃料極層である内側電極層90と、内側電極層90の外周に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層94と、電解質層94の外周に設けられた円筒形の空気極(酸化剤ガス極)層である外側電極層92と、を備えている。この内側電極層90は、燃料電池セル本体84を構成する支持体として機能すると共に、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。内側電極層90は燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
As shown in FIG. 5, the fuel cell
内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極層90は、Ni/YSZからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、内側電極層として燃料極層を形成する。
The inner electrode layer 90 is composed of, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. It is formed from at least one of a mixture, a mixture of Ni and a lantern garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe and Cu. In this embodiment, the inner electrode layer 90 is made of Ni / YSZ.
A porous insulating support can also be used as the support, and in this case, a fuel electrode layer is formed as an inner electrode layer on the outside of the insulating support.
電解質層94は、内側電極層90の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極層90の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極層90の上端よりも下方で終端している。電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成することができる。本実施形態においては、Sr及びMgをドープしたランタンガレートであるLSGMにより電解質層94が形成されている。
The
外側電極層92は、電解質層94の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層94の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層94の上端よりも下方で終端している。外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
The
次に、キャップ86について説明するが、燃料電池セル本体84の上端側と下端側に取り付けられたキャップ86は、同一構造であるため、ここでは、燃料電池セル本体84の下端側に取り付けられたキャップ86について具体的に説明する。
Next, the
キャップ86は、燃料電池セル本体84の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル本体84の内側電極層90と電気的に接続され、内側電極層90を外部に引き出す接続電極として機能する。図5に示すように、燃料電池セル本体84の下端に設けられたキャップ86は、円筒状の第1円筒部86aと、第1円筒部86aの上端から外方に向かって延びる円環状の円環部86bと、円環部86bの外周から上方に向かって延びる第2円筒部86cとを有する。キャップ86の第1円筒部86aの中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。燃料ガス流路98は、キャップ86の中心から燃料電池セル本体84の軸線方向に延びるように設けられた細長い管路である。
The
キャップ86は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物(本実施形態では、Cr2O3)がコーティングされ、さらに、外周面には、MnCo2O4がコーティングされている。加えて、コーティングされたMnCo2O4層の外周面にはAg集電膜が設けられている。なお、本実施形態では、Ag集電膜は、キャップ86の外周面全体にわたって設けられているが、一部のみに設けてもよい。
The
キャップ86の第2円筒部86cの内側と、燃料電池セル本体84の内側電極層90の端部外周面との間の空間には銀ペースト95が配置されている。燃料電池セル16の組み立て後に焼成することにより、銀ペースト95が焼結され、内側電極層90とキャップ86が、電気的、機械的に結合される。また、キャップ86の第2円筒部86cの内周面と、電解質層94の下端部外周面との間には、ガラス材料からなるガラスシール96が設けられている。このガラスシール96により、キャップ86と内側電極層90との間の空間は、燃料電池セル16の外部の空間に対して気密密封されている。
The
つぎに、図6を参照して、本発明の実施形態による燃料電池セルスタック14について説明する。
図6は、本実施形態による燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
Next, the
FIG. 6 is a perspective view showing a fuel cell stack according to the present embodiment.
図6に示すように、燃料電池セルスタック14は、格子状に配列された128本の燃料電池セル16を備え、これらの燃料電池セル16は、16本ずつ8列に並べて配置されている。
各燃料電池セル16は、下端側が金属製の長方形の下支持板68により支持されている。この下支持板68は、マニホールド66の天井面を構成し、各燃料電池セル16の燃料ガス流路88に燃料ガスを流入させるための貫通穴が形成されている。また、各燃料電池セル16の下端側のキャップ86と下支持板68の間には、概ね円筒形のセラミック製のスペーサ100が配置されており、キャップ86と下支持板68の間を離間させることで絶縁性を確保している。
As shown in FIG. 6, the
Each
さらに、各燃料電池セル16には、1つの燃料電池セル16を隣接する燃料電池セル16と電気的に接続する集電部材102が取り付けられている。この集電部材102は、燃料極である内側電極層90と電気的に接続されたキャップ86と、隣接する燃料電池セル16の空気極である外側電極層92の外周面と、を接続するように配置される。また、各集電部材102は、各燃料電池セル16の上端部及び下端部に取り付けられているため、1つの燃料電池セル16と隣接する燃料電池セル16は、2つの集電部材102により電気的に接続されることになる(これら2つの集電部材102は並列)。このように、各集電部材102により、燃料電池セルスタック14を構成する全ての燃料電池セル16は、電気的に直列に接続される。なお、各燃料電池セル16の外側電極層92(空気極)の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に集電部材102が接触することにより、集電部材102は空気極全体と電気的に接続される。
Further, each
次に図7により本実施形態による固体酸化物型燃料電池システム(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システムを示すブロック図である。
図7に示すように、固体酸化物型燃料電池システム1は、コントローラである制御部210を備え、この制御部210には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置212、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置214、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置216が接続されている。
また、制御部210には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム(以上、図示せず)が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット4、インバータ54等が制御される。なお、この報知装置216は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, the sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell system (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a block diagram showing a solid oxide fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 7, the solid oxide fuel cell system 1 includes a
Further, the
次に、制御部210には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ220は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ222は、本来排気ガス排出管82(図3)等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ224は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the
First, the combustible
In the
The hot water storage
電力状態検出センサ226は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ228は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
点火用空気流量センサ230は、改質器120に供給される点火用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ232は、改質器120に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power
The power generation air flow
The ignition air
The fuel
水流量センサ234は、改質器120に供給される純水の流量を検出するためのものである。
水位センサ236は、純水タンク26の水位を検出するためのものである。
圧力センサ238は、改質器120の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ240は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water
The
The
The
発電室温度センサ242は、燃料電池セルスタック14の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル16自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ244は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ246は、排気管171の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ248は、改質器120の温度を検出するためのものであり、改質器120の入口温度と出口温度から改質器120の温度を算出する。
外気温度センサ250は、固体酸化物型燃料電池システム(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
The power generation
The combustion
The exhaust gas
The
The outside
これらのセンサ類からの信号は、コントローラである制御部210に送られ、制御部210は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
The signals from these sensors are sent to the
つぎに、図2及び図3を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム1に備えられた燃料電池モジュール2の作用を説明する。
図2に示すように、水及び原燃料ガス(燃料ガス)は、蒸発器140の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管63から蒸発器140の上層に設けられた蒸発部140B内に供給される。蒸発部140Bに供給された水は、蒸発器140の下層に設けられた排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管63から供給された原燃料ガスとが、蒸発部140B内を下流方向に流れて行き、混合部140C内で混合される。混合部140C内の混合ガスは、下層の排気通路部140Aを流れる排気ガスにより加熱される。
Next, the operation of the
As shown in FIG. 2, water and raw fuel gas (fuel gas) are placed in an evaporator 140B provided on the upper layer of the evaporator 140 from a
混合部140C内で形成された混合ガス(燃料ガス)は、混合ガス供給管112を通って、モジュールケース8内の改質器120に供給される。混合ガス供給管112は、排気通路部140A,排気管171を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管112内の混合ガスは更に加熱される。
The mixed gas (fuel gas) formed in the
混合ガスは、改質器120内の混合ガス受入部120A内に流入し、ここから仕切り板123aを通過して改質部120Bに流入する。混合ガスは、改質部120Bにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板123bを通過して、ガス排出部120Cに流入する。
The mixed gas flows into the mixed
さらに、燃料ガスは、ガス排出部120Cから燃料ガス供給管64と水添脱硫器用水素取出管65とに分岐する。そして、燃料ガス供給管64に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管64の水平部64aに設けられた燃料供給孔64bからマニホールド66内に供給され、マニホールド66から各燃料電池セル16内に供給される。
Further, the fuel gas branches from the gas discharge unit 120C into the fuel
また、図2及び図3に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管74から空気通路161aに供給される。発電用空気は、空気通路161a,161b内において、プレートフィン162,163を通過する際に、これらプレートフィン162,163の下部のモジュールケース8内に形成された排気通路を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。この後、発電用空気は、モジュールケース8の側板8bの下部に設けられた複数の吹出口8fから燃料電池セルスタック14の下部側面に向けて両側から発電室10内に噴射される。この加熱された発電用空気により、各燃料電池セル16の下部が加熱される。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the power generation air is supplied from the power generation
また、発電室10内で発電に利用されなかった燃料ガスは、各燃料電池セル16の上端から流出し、燃焼室18で燃焼されて排気ガス(燃焼ガス)となり、モジュールケース8内を上昇していく。その後、排気ガスは、モジュールケース8の天板8aの中央に形成された排気口111から流出する。
Further, the fuel gas not used for power generation in the
そして、排気口111から流出した排気ガスは、モジュールケース8の外部に設けられた排気管171を通過して蒸発器140の排気通路部140Aに流入し、排気通路部140Aを通過した後、蒸発器140から排気ガス排出管82へ排出される。排気ガスは、蒸発器140の排気通路部140Aを流れる際に、上述したように、蒸発器140の混合部140C内の混合ガス及び蒸発部140B内の水と熱交換を行う。
Then, the exhaust gas flowing out from the
次に、図8を参照して、固体酸化物型燃料電池システム1の起動工程における制御を説明する。
図8は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図8の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
Next, control in the start-up process of the solid oxide fuel cell system 1 will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a time chart showing an example of the supply amount of fuel and the like in the start-up process and the temperature of each part. The scale on the vertical axis of FIG. 8 indicates the temperature, and each supply amount of fuel or the like roughly indicates an increase or decrease thereof.
図8に示す起動工程は、コントローラである制御部210により実行される。制御部210は、常温の状態にある燃料電池セルスタック14の温度を発電が可能な温度まで上昇させる起動工程を実行する。この起動工程の終了後、燃料電池セルスタック14から電力が取り出され、固体酸化物形燃料電池システム1の外部の機器に電力を供給する発電工程が実行される。また、本実施形態においては、起動工程には、後述する燃焼工程、SR1工程、SR2工程、及びSR2工程が含まれている。
The start-up process shown in FIG. 8 is executed by the
まず、図8の時刻t0において、発電用空気、点火用空気及び水の供給が開始される(プリパージ工程)。具体的には、制御部210が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット45に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管74を介して燃料電池モジュール2内に導入され、空気通路161a,161b、吹出口8fを経て発電室10内に流入する。また、制御部210は、点火用の酸化剤ガス供給装置である点火用空気流量調整ユニット(図示せず)に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール2内に導入された点火用空気は、改質器120、マニホールド66を経て、各燃料電池セル16の内部に流入し、その上端から流出する。
First, at time t0 in FIG. 8, the supply of power generation air, ignition air, and water is started (prepurge step). Specifically, the
また、制御部210は、水供給装置である水流量調整ユニット28に信号を送って、これを作動させる。水流量調整ユニット28から圧送される純水は、燃料供給配管63を通って蒸発器140に到達する。少なくとも時刻t0から所定時間(水充填期間:t0〜t1)の間に、水流量調整ユニット28から燃料供給配管63を通って、少量の水が蒸発器140内に配置される。なお、時刻t0においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器120内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図8の時刻t0において開始される発電用空気の供給量は約50L/minであり、点火用空気の供給量は約4.8L/minであり、水の供給量は2.5cc/minである。
Further, the
次いで、図8の時刻t0から所定時間後の時刻t1において、燃料の供給が開始され、供給された燃料への点火が行われる。具体的には、制御部210が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット38に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻t1において開始される燃料の供給量は約4.0L/minである。燃料電池モジュール2内に導入された燃料は、改質器120、マニホールド66を経て、各燃料電池セル16の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻t1においては、まだ改質器120の温度が低温であるため、改質器120内において改質反応は発生しない。
Next, at time t1 after a predetermined time from time t0 in FIG. 8, fuel supply is started and the supplied fuel is ignited. Specifically, the
点火を行う際には、制御部210が、点火手段である点火装置83(図2)に信号を送り、各燃料電池セル16の上端から流出する燃料に点火する。
また、時刻t1において、少量の水が蒸発器140内に配置されているため、制御部210は、水の供給量を2.06cc/minに低減する。これにより、点火工程中に少量の水が蒸発器140へ向けて供給され始める。
When igniting, the
Further, at time t1, since a small amount of water is arranged in the
時刻t2において、制御部210は、燃焼室温度センサ244により、燃焼室18の温度が所定温度上昇したことにより、点火が完了したことを確認する。そして、点火工程から燃焼工程に移行する。燃焼工程では、発電に使用されずに残った残余の燃料(この時点では発電反応は発生しないため、供給された燃料の全量)の燃焼熱によって、改質器120の昇温が図られる。
At time t2, the
点火が終了すると、制御部210は、時刻t2において、点火用空気の供給を停止する(供給量0.0L/min)。
また、時刻t2において、制御部210は、燃料の供給量を3.14L/minに低減し、発電用空気の供給量を約70L/minに増加する。なお、水の供給量は2.06cc/minに維持され、起動工程中において少なくとも点火直後から燃焼工程の間は最低値に維持される。
When the ignition is completed, the
Further, at time t2, the
燃焼工程において、供給された燃料は、各燃料電池セル16の上端から流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック14の上方に配置された改質器120を加熱する。蒸発器140の温度が上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。
In the combustion process, the supplied fuel flows out from the upper end of each
このようにして、燃焼工程中に改質器120の温度が上昇し、時刻t3において、燃焼工程から第1の水蒸気改質反応工程(SR1工程)へ移行される。このSR1工程では、蒸発器140を経て改質器120に流入した燃料及び水蒸気による水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、次式(1)に示す吸熱反応である。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
In this way, the temperature of the
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
また、時刻t3において、第1の水蒸気改質反応工程(SR1工程)が開始されると、水の消費量が増大するため、制御部110は、燃料及び発電用空気の供給量を維持したまま、水供給量のみを3.82cc/minに増加する。
なお、図8に示すタイムチャートでは、時刻t3における改質器温度は約250℃である。この改質器温度は、改質器温度センサ248(図7)により検出されている温度であり、改質器120の平均的な温度である。実際には、時刻t3において、改質器120は部分的には水蒸気改質反応を発生する温度に達している。
Further, when the first steam reforming reaction step (SR1 step) is started at time t3, the amount of water consumed increases, so that the control unit 110 maintains the supply amounts of fuel and power generation air. , Only increase the water supply to 3.82cc / min.
In the time chart shown in FIG. 8, the reformer temperature at time t3 is about 250 ° C. The reformer temperature is the temperature detected by the reformer temperature sensor 248 (FIG. 7), which is the average temperature of the
なお、本実施形態では、起動工程において、燃焼工程に続いてSR工程(SR1工程,SR2工程及びSR3工程)が行われるように構成されている。本実施形態のSR工程は、改質用の空気を導入せずに、SR反応を発生させることを意図したものである。 In the present embodiment, the SR step (SR1 step, SR2 step and SR3 step) is configured to be performed after the combustion step in the start-up step. The SR step of the present embodiment is intended to generate an SR reaction without introducing air for reforming.
次に、改質器温度センサ248による検出温度が約450℃に到達すると、図8の時刻t4において、第1の水蒸気改質反応工程(SR1工程)から第2の水蒸気改質反応工程(SR2工程)に移行される。時刻t4において、発電用空気供給量が59L/minに低減され、水供給量が5.0cc/minに更に増加される。また、燃料供給量は従前の値が維持される。これにより、SR2工程では、SR1工程よりも水蒸気と炭素のモル比であるS/Cが増加される。
Next, when the temperature detected by the
さらに、図8の時刻t5において、発電室温度センサ242による検出温度が約550℃に到達すると、第2の水蒸気改質反応工程(SR2工程)から第3の水蒸気改質反応工程(SR3工程)に移行される。これに伴い、燃料供給量が2.02L/minに低減され、発電用空気供給量が47L/minに更に低減され、水供給量が4.75cc/minに低減される。これにより、SR3工程では、SR2工程よりも水蒸気と炭素のモル比S/Cが更に増加され、水蒸気改質反応に適した値に設定される。
Further, when the temperature detected by the power generation
さらに、SR3工程を所定時間実行した後、発電室温度センサ242による検出温度が約600℃に到達すると、燃料電池セルスタック14は、発電が可能な状態となるので、「発電工程」に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック14からインバータ54(図7)に電力が取り出され、外部の機器に電力が出力される。また、発電工程においては、制御部210は、燃料電池モジュール2に対して要求された出力電力に応じて、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量を変更する。なお、本実施形態においては、発電工程中における水蒸気と炭素のモル比S/Cは約2.5程度に設定され、発電室10内の温度は約550℃〜750℃の間で推移する。
Further, when the temperature detected by the power generation
次に、図9及び図10を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池システム1の停止工程を説明する。
図9は、停止工程における燃料電池セルスタック14の温度、及び燃料等の各供給量の一例を示すタイムチャートである。なお、図9上段の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。また、図9の下段は、燃料電池セルスタック14に供給されている水蒸気量と原燃料ガス中の炭素量のモル比であるS/Cを縦軸としたタイムチャートである。図10は、停止工程中における各燃料電池セル16の上端における燃焼炎の状態を模式的に示す図である。
Next, the stop step of the solid oxide fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
FIG. 9 is a time chart showing an example of the temperature of the
まず、図9の時刻t301において停止操作が行われると、制御部210(図7)は停止工程を実行し、燃料電池モジュール2からの電力の取り出しが停止される。これにより発電電流はゼロまで低下する。なお、図9の時刻t301以前は発電工程が実行されており、発電工程においては、燃料電池モジュール2から所要量の電流が取り出されていると共に、この発電電流に応じた量の原燃料ガス、発電用空気(酸化剤ガス)、及び水が燃料電池モジュール2に供給されている。また、発電工程中においては、燃料電池セルスタック14の温度は、発電反応が可能な温度である600℃程度に維持され、改質器120に供給される水蒸気量と原燃料ガス中の炭素量のモル比であるS/Cは2.5程度に維持されている。
First, when the stop operation is performed at the time t301 of FIG. 9, the control unit 210 (FIG. 7) executes the stop step, and the extraction of electric power from the
次いで、時刻t301において停止工程が開始されると、燃料電池モジュール2への発電用空気(但し、停止工程中は発電は行われない)の供給量は発電工程中よりも多くされ、原燃料ガス及び水の供給量は発電工程中よりも少なくされる。図9に示す例では、発電用空気の供給量は70L/minに増加され、原燃料ガスの供給量は0.45L/minに低下され、水の供給量も1.05cc/minに低下される。このように、本実施形態における停止工程は、燃料電池モジュール2からの電力の取り出し(発電)の停止後も、原燃料ガス及び改質用の水の供給を継続しながら燃料電池セルスタック14の温度を低下させる、所謂焚き下ろしによる停止工程である。なお、時刻t301において停止工程が開始されると、原燃料ガス及び水の供給量は夫々低下されるが、図9の下段に示すように、供給量が低下された後もS/Cは2.5程度に維持される。
Next, when the stop process is started at time t301, the supply amount of power generation air (however, power generation is not performed during the stop process) to the
なお、発電工程中や、停止工程開始直後においては、モジュールケース8内の温度が高いため、排気ガスの温度も高く、この排気ガスの熱により蒸発部140Bを十分に加熱して、必要な水蒸気を生成することができる。これに対し、停止工程開始から或る程度時間が経過すると、モジュールケース8内の温度が低下するので、排気ガスの温度も低くなり、排気ガスの熱だけでは蒸発部140Bにおいて十分な量の水蒸気を生成することが困難となる。このような場合には、蒸発器140の周囲に配置された加熱ヒーター149(図2、図3)に適宜通電して蒸発器140を加熱し、所要量の水蒸気が得られるようにする。
During the power generation process or immediately after the start of the stop process, the temperature inside the
さらに、停止工程中においては、所定量の原燃料ガス及び水蒸気の供給が継続され、これらは改質器120を介して各燃料電池セル16の燃料極側に供給される。ここで、停止工程の初期においては改質器120の温度が十分に高いため、改質器120内では水蒸気改質反応が発生し、水蒸気改質された燃料ガスが各燃料電池セル16に供給される。これに対して、停止工程の終期においては、改質器120の温度が低下しているため、改質器120内では十分な水蒸気改質反応が発生せず、未改質の原燃料ガスと水蒸気との混合ガスが各燃料電池セル16に供給されることとなる。これら何れのガスが供給される場合においても、各燃料電池セル16内側の燃料極側は還元雰囲気に維持され、燃料極の酸化が防止される。
Further, during the stop step, the supply of a predetermined amount of raw fuel gas and steam is continued, and these are supplied to the fuel pole side of each
また、上述したように、発電工程中においては、燃料電池セル16の燃料極で発電に使用されずに残った残余燃料ガスは、図10(a)に示すように、燃料電池セル16の上端から流出し、そこで燃焼される。この燃焼室18における残余燃料の燃焼によりモジュールケース8内が加熱される。次いで、停止工程が開始されると、原燃料ガスの供給量が減少されるので、各燃料電池セル16の上端から流出する残余の燃料(停止工程中においては燃料電池セル16で発電が行われないため、供給した燃料の全量)が減少する。また、停止工程においては、各燃料電池セル16の空気極側に供給される空気の流量が増加される。これにより、時刻t301において停止工程が開始されると、モジュールケース8内の温度が低下すると共に、図9に示すように燃料電池セルスタック14の温度も低下する。しかしながら、各燃料電池セル16上端における残余燃料の燃焼は、図10(b)に示すように、発電工程中よりも炎が小さくなるものの、停止工程が開始された後、所定期間に亘って維持される。
Further, as described above, during the power generation process, the residual fuel gas remaining not used for power generation at the fuel electrode of the
時刻t301において停止工程が開始された後、時間の経過と共にモジュールケース8(燃焼室18)内の温度が或る程度低下すると、燃料電池セル16上端における残余燃料の燃焼が停止し、炎が消失される。この際、各燃料電池セル16上端における炎は、全ての燃料電池セル16において同時に消失されるのではなく、図10(c)に示すように、温度が低下した一部の燃料電池セル16から順次炎が消失され、最終的に図10(d)に示すように全ての炎が消失される。ここで、本件発明者の実験によれば、燃料電池セル16上端の炎の消失は、モジュールケース8内で温度が低下しやすい、周辺部に配置された燃料電池セル16から順に発生する傾向が認められた。また、従来の固体酸化物形燃料電池システム1においては、多数の燃料電池セル16のうち、最初の1本の燃料電池セル16において炎が消失された後、全ての燃料電池セル16における炎が失われるまでの期間は相当に長いことが見出された。
After the stop process is started at time t301, when the temperature inside the module case 8 (combustion chamber 18) drops to some extent with the passage of time, the combustion of the residual fuel at the upper end of the
このように、停止工程中に一部の燃料電池セル16における燃焼炎が消失され、他の燃料電池セル16における燃焼炎が維持された状態が長時間継続すると、炎が消失された燃料電池セル16と、炎が維持されている燃料電池セル16の間に大きな温度差が発生する。即ち、炎が維持されている燃料電池セル16は温度が高いため、燃料電池セル16内部の燃料極側の圧力が高くなる一方、炎が消失された燃料電池セル16は温度が低く、燃料極側の圧力も低くなる傾向がある。このような、各燃料電池セル16の温度差によって、各燃料電池セル16の燃料極側の圧力にバラツキが生じる。このような各燃料電池セル16間の燃料極側の圧力のバラツキに起因して、少量の燃料供給が継続されている状態であっても、圧力の低い燃料電池セル16の内部(燃料極側)に、少量の空気が逆流するという現象が本件発明者により見出された。また、このような空気の逆流は、停止工程中において、最後まで残存していた燃料電池セル16の炎が消失された瞬間に発生しやすい傾向があることも見出されている。
In this way, if the combustion flame in some
このような燃焼炎の消失時期のバラツキに起因した空気の逆流を防止するため、本実施形態においては、停止工程中の所定の消火促進期間において、水蒸気量と炭素量のモル比であるS/Cを、発電工程中におけるS/Cよりも高く設定し、残余ガス燃焼の消失を促している。即ち、S/Cの値が高くなると、原燃料ガスの供給量が一定であったとしても、燃料電池セル16の上端から流出するガスに含まれる水蒸気の割合が多く、炭素の割合が少なくなり、炎が消失されやすくなる。
In order to prevent backflow of air due to such variation in the extinction time of the combustion flame, in the present embodiment, S / which is a molar ratio of the amount of water vapor and the amount of carbon during a predetermined fire extinguishing promotion period during the stopping process. C is set higher than S / C during the power generation process to promote the disappearance of residual gas combustion. That is, when the S / C value is high, even if the supply amount of the raw material fuel gas is constant, the ratio of water vapor contained in the gas flowing out from the upper end of the
本実施形態においては、図9に示すように、燃焼室18内の温度(燃料電池セルスタックの温度とほぼ同じ)が約400℃まで低下した時刻t302において消火促進期間が開始され、S/Cの値が2.5から6に高められる。即ち、制御部210は、燃焼室温度センサ244によって検出された温度が約400℃まで低下すると、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28に信号を送り、S/Cの値が約6になるように、原燃料ガス及び水の供給量を調整する。これにより、各燃料電池セル16上端の炎は、最初の燃料電池セル16の炎が消失した後、速やかに全ての燃料電池セル16の炎が消失されるようになり、燃焼が維持される時間のバラツキに基づく各燃料電池セル16間の温度差が効果的に抑制される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 9, the fire extinguishing promotion period is started at time t302 when the temperature in the combustion chamber 18 (almost the same as the temperature of the fuel cell stack) drops to about 400 ° C., and the S / C The value of is increased from 2.5 to 6. That is, when the temperature detected by the combustion
本実施形態においては、一例として、原燃料ガスの供給量を0.45L/min、水の供給量を2.53cc/minに設定することによりS/Cを約6に設定している。なお、消火促進期間におけるS/Cの値は、4以上、10以下に設定するのが良い。また、水流量調整ユニット28から蒸発部140Bに供給された水は、その全量が即座に蒸発されて水蒸気となって、改質器120に送り込まれることはない。このため、改質器120に供給される水蒸気量と原燃料ガス中の炭素量のモル比であるS/Cの値は、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28による各供給量のみによって規定されることはなく、蒸発部140Bの温度や、蒸発能力によっても影響を受ける。例えば、加熱ヒーター149(図2、図3)に通電することより蒸発器140を加熱した場合には、加熱を行わない場合よりも相対的に少量の水を供給するだけで所要量の水蒸気を生成することができる。本実施形態では、消火促進期間において実際に改質器120に供給されるS/Cの値が約6となるように、原燃料ガス及び水の供給量が設定され、加熱ヒーター149を使用する場合には、水の供給量と共に加熱ヒーター149による加熱量が調整される。
In the present embodiment, as an example, the S / C is set to about 6 by setting the supply amount of raw material and fuel gas to 0.45 L / min and the supply amount of water to 2.53 cc / min. The S / C value during the fire extinguishing promotion period is preferably set to 4 or more and 10 or less. Further, the entire amount of the water supplied from the water flow
ここで、消火促進期間は、各燃料電池セル16上端における炎が消失し始める時点から、全ての燃料電池セルの上端における炎が消失するまでの期間を含むように設定する。即ち、多くの燃料電池セル16における炎が消失した後、消火促進期間が開始され、その後短時間で全ての燃料電池セルの炎が消失されたとしても、消火促進期間が開始されるまでの間に、各燃料電池セル16間に大きな温度差が発生してしまうため、十分な温度ムラ抑制効果を得ることができない。また、全ての燃料電池セルの炎が消失する前に消火促進期間を終了してしまうと、その後、消失していない炎が長時間維持され、大きな温度ムラを生じてしまう可能性があり、好ましくない。また、燃焼室18内が、例えば500℃程度の比較的高温の状態から消火促進期間を開始した場合には、S/Cの値を高めることにより炎を消失させた後、高温のため燃料電池セル16の上端に再着火されてしまうことがある。このように、再着火が発生しやすい温度帯域から消火促進期間を開始させると、S/Cを高めるための水蒸気、及び水蒸気を生成するための熱が浪費されてしまうので、再着火が発生しない温度に低下した後、消火促進期間を開始することが好ましい。
Here, the fire extinguishing promotion period is set to include a period from the time when the flame at the upper end of each
なお、本明細書において、「燃料電池セル16の上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点」とは、全ての燃料電池セル16のうち最初の1本の燃料電池セル16における炎が消失した瞬間から、燃料電池セル16のうちの20%程度の炎が消失するまでの間の任意の時点を意味するものとする。本実施形態においては、停止工程において、燃焼室18内の温度が消火開始温度帯域である300℃乃至400℃程度に低下したとき、最初の1本の燃料電池セル16の炎が消失するので、約300℃乃至400℃の温度帯域から消火促進期間を開始することが好ましい。より好ましくは350℃〜400℃の温度帯域から消化促進期間を開始することで、燃焼炎が消失し始める時点よりも以前にS/Cを高く設定して速やかに全ての燃料電池セル16における燃焼炎を消失させることができる。
In the present specification, "the time when the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of the
図9の時刻t302において、消火促進期間が開始された後、各燃料電池セル16上端の炎は速やかに消失されると共に、燃料電池セルスタックの温度も時間の経過と共に低下する。制御部210は、時刻t303において発電室温度センサ242による検出温度が100℃まで低下すると、水流量調整ユニット28に信号を送り、これを停止させる。これにより、水蒸気の供給量はゼロまで低下するので、S/Cの値はゼロとなり、消火促進期間が終了する。さらに、制御部210は、時刻t304において発電室温度センサ242による検出温度が50℃まで低下すると、燃料流量調整ユニット38に信号を送り、これを停止させる。この温度においては、空気極側から燃料極側への空気の逆流が発生した場合でも、燃料極が酸化されることはない。次いで、時刻t304において燃料供給を停止させた後、所定時間経過後の時刻t305において、制御部210は、発電用空気流量調整ユニット45に信号を送り、これを停止させる。これにより、停止工程が終了する。
At time t302 in FIG. 9, after the fire extinguishing promotion period is started, the flame at the upper end of each
本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、停止工程(図9の時刻t301〜)中の、所定の消火促進期間(図9の時刻t302〜t303)において、改質器120に供給される水蒸気量と炭素量のモル比であるS/C(≒6)が、発電工程中におけるS/C(≒2.5)よりも高くなるように燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28が制御されるので、燃料電池セル16上端における炎が消失されやすく、各燃料電池セル16間の温度ムラが発生しにくくなる。
According to the solid oxide fuel cell system 1 of the embodiment of the present invention, during the predetermined fire extinguishing promotion period (time t302 to t303 in FIG. 9) during the stop step (time t301 to FIG. 9), the reformer The fuel
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、S/Cを高くする消火促進期間(図9の時刻t302〜t303)が、燃料電池セル16の上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点から、全ての燃料電池セル16の上端における燃焼炎が消失するまでの期間を含むように設定されている。このため、少なくとも、一部の燃料電池セル16の炎が消失し始めた状態から、全ての燃料電池セルの炎が消失するまでの期間に亘って炎の消火を促進することができ、一部の炎が長時間残存することにより、各燃料電池セル16間の温度ムラが拡大するのを防止することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the fire extinguishing promotion period (time t302 to t303 in FIG. 9) for increasing the S / C is the combustion of the residual fuel gas at the upper end of the
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、燃焼室18の温度が、燃料電池セル16の上端において再着火が発生しない温度(例えば500℃)以下に低下した後から消火促進期間が開始されるので、S/Cを高めることにより燃料電池セル16上端の炎が消失した後、再び自然着火することがなく、確実に炎を消失させることができる。また、このように構成することにより、再着火が発生する温度帯域でS/Cが高められることがないため、燃料電池セル16に多量の水蒸気が不要に供給されることがなく、燃料極の水蒸気酸化のリスクを軽減することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the fire is extinguished after the temperature of the
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、燃焼部の温度が400℃に低下したとき消火促進期間が開始されるので、一旦消失した燃料電池セル16上端の炎が再着火されることがなく、燃料電池セル16間の温度ムラを抑制しながら、確実に炎を消失させることができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the fire extinguishing promotion period is started when the temperature of the combustion portion drops to 400 ° C., so that the flame at the upper end of the
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、消火促進期間におけるS/Cが6に設定されるので、燃料電池セル16上端の炎の消失を効果的に促進することができると共に、水蒸気過多による水蒸気酸化の発生も抑制することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, since the S / C in the fire extinguishing promotion period is set to 6, it is possible to effectively promote the extinction of the flame at the upper end of the
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、消火促進期間においてS/Cが高くされるので、比較的短時間で全ての燃料電池セル16の炎を消失させることができ、マニホールド66(図2)の採用により燃料供給系統の構成を単純化した場合でも、温度ムラの発生に起因する燃料極の酸化膨張を抑制することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, since the S / C is increased during the fire extinguishing promotion period, the flames of all the
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム1によれば、蒸発器140は、燃焼室18において燃焼された残余燃料ガスの燃焼熱に基づいて加熱されるので、残余燃料ガスの燃焼熱を有効に活用して水蒸気を生成することができる。また、蒸発器140は、これを加熱する加熱ヒーター149(図2、図3)も別に備えているため、多量の水蒸気が必要な場合や、発電停止後に時間が経過して温度が低下している状況においても、確実に必要な量の水蒸気を生成することができる。
Further, according to the solid oxide fuel cell system 1 of the present embodiment, the
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した本発明の実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、燃焼室18内の温度が約400℃まで低下したとき、消火促進期間を開始し、S/Cの値を高めていたが、他の任意のセンサによる検出データに基づいて、消火促進期間の開始時期を決定することもできる。例えば、燃料電池セル16上端における燃焼が停止すると、燃焼されないまま排気される一酸化炭素の量が増加するため、例えば、排気経路に備えられたCO検出センサ222の検出値に基づいて、燃焼の消失の有無を判定することができる。或いは、燃焼室18内の画像を撮影可能なカメラを備えておき、停止工程において所定の時間間隔で撮影された画像を解析することにより、燃焼炎の消失を検知することもできる。
Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, various modifications can be made to the above-described embodiment of the present invention. In particular, in the above-described embodiment, when the temperature in the
さらに、消火促進期間の開始時期は、センサによる検出結果ではなく、停止工程開始後の経過時間に基づいて決定することができる。即ち、停止工程開始後、燃焼室18内の温度が所定温度まで低下する時間はほぼ一定であり、この時間の経過後に消火促進期間が開始されるように本発明を構成することができる。最も簡単には、停止工程開始直後から消火促進期間が開始されるように本発明を構成することもできる。
Further, the start time of the fire extinguishing promotion period can be determined based on the elapsed time after the start of the stop process, not on the detection result by the sensor. That is, the present invention can be configured such that the time for the temperature in the
或いは、変形例として、制御部210に消火予測回路(図示せず)を設けておき、この消火予測回路によって残余燃料ガスの燃焼が消失し始める時点を予測し、予測された時点から消火促進期間を開始するように本発明を構成することもできる。消火予測回路(図示せず)は、例えば、停止工程開始時における燃焼室18内の温度、停止工程開始直前における発電工程の運転条件、外気温等に基づいて、残余燃料ガスの燃焼が消失し始める時点を予測するように構成することができる。
本変形例によれば、消火予測回路(図示せず)が燃焼炎が消失し始める時点を予測するので、制御部210は消火促進期間を正確に設定することができ、温度ムラの発生を確実に抑制することができる。
Alternatively, as a modification, a fire extinguishing prediction circuit (not shown) is provided in the
According to this modification, since the fire extinguishing prediction circuit (not shown) predicts the time when the combustion flame starts to disappear, the
或いは、他の変形例として、過去に実行された停止工程における、停止工程開始時の燃焼室18内の温度等と、残余燃料ガスの燃焼が消失し始めた時点の関係に基づいて、消火予測回路(図示せず)が消火促進期間の開始時点を決定するように本発明を構成することもできる。
本変形例によれば、消火予測回路(図示せず)は、過去に実行された停止工程に基づいて、消火促進期間の開始時点を決定するので、より正確に残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点を予測することができ、消火促進期間を正確に設定することができる。
Alternatively, as another modification, fire extinguishing prediction is made based on the relationship between the temperature in the
According to this modification, the fire extinguishing prediction circuit (not shown) determines the start time of the fire extinguishing promotion period based on the stop step executed in the past, so that the combustion flame of the residual fuel gas disappears more accurately. It is possible to predict when to start fire extinguishing and to set the fire extinguishing promotion period accurately.
1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 モジュールケース
8a 天板
8b 側板
8c 底板
8d,8e 閉鎖側板
8f 吹出口
10 発電室
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セル
18 燃焼室(燃焼部)
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット(水供給装置)
30 燃料供給源
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット(燃料供給装置)
39 バルブ
40 空気供給源
42 電磁弁
45 発電用空気流量調整ユニット(酸化剤ガス供給装置)
48 ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
63 燃料供給配管
64 燃料ガス供給管
64a 水平部
65 水添脱硫器用水素取出管
66 マニホールド
68 下支持板
74 発電用空気導入管
82 排気ガス排出管
83 点火装置(着火用ヒーター)
84 燃料電池セル本体
86 キャップ
86a 第1円筒部
86b 円環部
86c 第2円筒部
88 燃料ガス流路
90 内側電極層(燃料極層)
92 外側電極層(酸化剤ガス極層)
94 電解質層(固体電解質層)
95 銀ペースト
96 ガラスシール
98 燃料ガス流路
100 スペーサ
102 集電部材
111 排気口
112 混合ガス供給管
120 改質器(改質部)
120A 混合ガス受入部
120B 改質部
120C ガス排出部
121 上側ケース
122 下側ケース
123a、123b仕切り板
140 蒸発器
140A 排気通路部
140B 蒸発部
140C 混合部
141 蒸発器ケース
142 上側ケース
143 下側ケース
144 中間板
145 仕切り板
146,147 仕切り板
149 加熱ヒーター
160 空気通路カバー
160a 天板
160b 側板
161a,161b 空気通路
162,163 プレートフィン
171 排気管
210 制御部(コントローラ)
212 操作装置
214 表示装置
216 報知装置
220 可燃ガス検出センサ
222 CO検出センサ
224 貯湯状態検出センサ
226 電力状態検出センサ
228 発電用空気流量検出センサ
230 点火用空気流量センサ
232 燃料流量センサ
234 水流量センサ
236 水位センサ
238 圧力センサ
240 排気温度センサ
242 発電室温度センサ
244 燃焼室温度センサ
246 排気ガス室温度センサ
248 改質器温度センサ
250 外気温度センサ
1 Solid oxide
24 Water supply source 26
30
39
48
84
92 Outer electrode layer (oxidizing agent gas electrode layer)
94 Electrolyte layer (solid electrolyte layer)
95
120A Mixed
212
Claims (7)
固体電解質層、この固体電解質層の内側に設けられたニッケルを含有する燃料極層、及び上記固体電解質層の外側に設けられた酸化剤ガス極層を備えた燃料電池セルと、
モジュールケースと、
原燃料ガスを水蒸気改質により改質して、水素ガスを豊富に含む燃料ガスを生成し、生成された燃料ガスを上記燃料電池セルの燃料極側に供給する改質部と、
この改質部に原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
供給された水を蒸発させて水蒸気改質用の水蒸気を生成し、生成された水蒸気を上記改質部に供給する蒸発部と、
この蒸発部に水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
上記燃料電池セルの酸化剤ガス極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
上記モジュールケース内に設けられ、上記燃料電池セルの燃料極側を通り、発電に使用されずに残った残余燃料ガスを上記燃料電池セルの上端で燃焼させる燃焼部と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、及び上記酸化剤ガス供給装置を制御すると共に、上記燃料電池セルからの電力の取り出しを制御するコントローラと、を有し、
上記コントローラは、上記燃料電池セルからの電力の取り出しを停止して発電工程を終了した後、上記燃料供給装置による原燃料ガスの供給、及び上記水供給装置による水の供給を継続しながら上記燃料電池セルの温度を低下させる停止工程を実行するように構成され、
上記コントローラは、さらに、上記各燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎の消失が促されるように、上記停止工程中の、所定の消火促進期間において、上記改質部に供給される水蒸気量と炭素量のモル比であるS/Cが、上記発電工程中におけるS/Cよりも高くなるように上記燃料供給装置及び上記水供給装置を制御するように構成され、
上記消火促進期間は、一部の上記燃料電池セルの上端における残余燃料ガスの燃焼炎が消失し始める時点から、全ての上記燃料電池セルの上端における燃焼炎が消失するまでの期間を含む期間であり、
上記消火促進期間は、上記燃焼部の温度が、上記燃料電池セルの上端において再着火が発生しない温度以下に低下した後から開始され、上記コントローラは、上記消火促進期間の開始時にS/Cが高くなるように上記燃料供給装置及び上記水供給装置を制御することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A solid oxide fuel cell system that generates electricity by reacting hydrogen gas obtained by steam reforming a raw material fuel gas containing hydrocarbons with an oxidant gas.
Solid electrolyte layer, a fuel cell having a fuel electrode layer containing nickel provided on the inside of the solid electrolyte layer, and an oxidant gas electrode layer provided on the outer side of the solid electrolyte layer,
And a module case,
A reforming unit that reforms the raw fuel gas by steam reforming to generate a fuel gas rich in hydrogen gas and supplies the generated fuel gas to the fuel electrode side of the fuel cell.
A fuel supply device that supplies raw fuel gas to this reforming section,
An evaporation unit that evaporates the supplied water to generate steam for steam reforming and supplies the generated steam to the reforming unit.
A water supply device that supplies water for steam reforming to this evaporation unit,
An oxidant gas supply device that supplies oxidant gas to the oxidant gas electrode side of the fuel cell, and
A combustion unit provided in the module case, passing through the fuel electrode side of the fuel cell, and burning residual fuel gas remaining unused for power generation at the upper end of the fuel cell.
It has a controller that controls the fuel supply device, the water supply device, and the oxidant gas supply device, and also controls the extraction of electric power from the fuel cell.
The controller stops the extraction of electric power from the fuel cell and ends the power generation process, and then continues to supply the raw fuel gas by the fuel supply device and the water supply by the water supply device. It is configured to perform a stop step that lowers the temperature of the battery cell,
The controller further causes the steam supplied to the reforming unit during a predetermined fire extinguishing promotion period during the stop step so as to promote the extinction of the combustion flame of the residual fuel gas at the upper end of each fuel cell. The fuel supply device and the water supply device are configured to be controlled so that the S / C, which is the molar ratio of the amount to the amount of carbon, is higher than the S / C during the power generation process.
The fire extinguishing promotion period is a period including a period from the time when the combustion flame of the residual fuel gas at the upper ends of some of the fuel cell cells begins to disappear to the time when the combustion flames at the upper ends of all the fuel cell cells disappear. Oh it is,
The fire extinguishing promotion period is started after the temperature of the combustion unit drops to a temperature at which reignition does not occur at the upper end of the fuel cell, and the controller has an S / C at the start of the fire extinguishing promotion period. A solid oxide fuel cell system characterized in that the fuel supply device and the water supply device are controlled so as to be high.
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