JP5521467B2 - Method for stopping solid oxide fuel cell - Google Patents

Method for stopping solid oxide fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP5521467B2
JP5521467B2 JP2009226725A JP2009226725A JP5521467B2 JP 5521467 B2 JP5521467 B2 JP 5521467B2 JP 2009226725 A JP2009226725 A JP 2009226725A JP 2009226725 A JP2009226725 A JP 2009226725A JP 5521467 B2 JP5521467 B2 JP 5521467B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
anode
cathode
air
water vapor
flow rate
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2009226725A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2011076846A (en
Inventor
人志 原
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.)
Noritz Corp
Original Assignee
Noritz Corp
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 Noritz Corp filed Critical Noritz Corp
Priority to JP2009226725A priority Critical patent/JP5521467B2/en
Publication of JP2011076846A publication Critical patent/JP2011076846A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5521467B2 publication Critical patent/JP5521467B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cells）の発電運転の停止方法に関し、特に発電セルを構成するカソードやアノード等の耐久性を損なうことなく完全停止までの時間短縮を図り得る固体酸化物型燃料電池の停止方法に係る。   The present invention relates to a method for stopping a power generation operation of a solid oxide fuel cell (SOFC), and in particular, shortens the time until a complete stop without impairing the durability of a cathode and an anode constituting the power generation cell. The present invention relates to a method for stopping a solid oxide fuel cell that can be realized.

従来より燃料電池として、固体酸化物を電解質に用いた固体酸化物型燃料電池が知られている。かかる固体酸化物型燃料電池においては、カソード（空気極）に空気（カソード空気）を、アノード（燃料極）に蒸気改質した燃料ガスをそれぞれ供給することにより、固体酸化物の電解質を間に挟んだカソード・アノード間で化学反応を生じさせ、その化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換されることになる。かかる発電運転ではカソード及びアノードが共にかなり高温になるため、発電運転を停止させるには、冷却のための処理を行って、ある程度降温させた上で完全停止させるようにしている。   Conventionally, as a fuel cell, a solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte is known. In such a solid oxide fuel cell, air (cathode air) is supplied to the cathode (air electrode), and vapor-modified fuel gas is supplied to the anode (fuel electrode), thereby interposing the electrolyte of the solid oxide. A chemical reaction occurs between the sandwiched cathode and anode, and the chemical energy is directly converted into electrical energy. In such a power generation operation, both the cathode and the anode are very hot. Therefore, in order to stop the power generation operation, a cooling process is performed and the temperature is lowered to some extent and then completely stopped.

停止時の処理としては、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を対象にして、改質器内での改質触媒の酸化を防止することで次回の起動の容易化を図り起動時間を短縮化することを目的として、運転停止時に改質器系内に水蒸気を流通させて可燃性ガスをパージし、その後、改質器内の改質触媒の温度がその改質触媒の酸化温度以下になった時点で、改質器内に空気を導入して改質器内の水蒸気をパージするようにする、ことが提案されている（例えば特許文献１参照）。   As a process at the time of stoppage, especially for the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), the oxidation of the reforming catalyst in the reformer is prevented to facilitate the next startup and shorten the startup time. When the operation is stopped, steam is circulated in the reformer system to purge the combustible gas, and then the temperature of the reforming catalyst in the reformer falls below the oxidation temperature of the reforming catalyst. At that time, it has been proposed to introduce air into the reformer to purge the steam in the reformer (see, for example, Patent Document 1).

又、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）を対象にして、運転停止中に電池本体を電気ヒータ等で加熱保温することを省略するために、運転停止に際しては、燃料ガス及び酸化ガスを停止して電池本体のアノード及びカソードを共にＮ２でパージし、次に、水蒸気をアノード及びカソードの双方に送って充満させ、この水蒸気を運転停止時の電池温度で飽和状態となる蒸気圧で封入する、ことが提案されている（例えば特許文献２参照）。   Also, for phosphoric acid fuel cells (PAFC), the fuel gas and oxidizing gas must be stopped when the operation is stopped in order to omit heating and keeping the battery body with an electric heater or the like during the operation stop. Purging both the anode and cathode of the battery body with N2, then filling and filling the water vapor to both the anode and cathode, and filling the water vapor with a vapor pressure that saturates at the battery temperature at shutdown. Has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

さらに、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に付設されている改質器の停止方法として、改質触媒の酸化防止のために、停止に伴い改質触媒を降温させる際に、改質器内の原料ガスを水蒸気でパージし、その後、所定温度まで低下したら、改質器内に原料ガスを導入して水蒸気をパージする、ことが提案されている（例えば特許文献３参照）。   Furthermore, as a method for stopping the reformer attached to the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), in order to prevent the reforming catalyst from being oxidized, It is proposed that the raw material gas is purged with water vapor and then the water vapor is purged by introducing the raw material gas into the reformer when the temperature is lowered to a predetermined temperature (see, for example, Patent Document 3).

特開２００２−８７０１号公報JP 2002-8701 A 特公平６−５２６６３号公報Japanese Examined Patent Publication No. 6-52663 特開２００２−１５１１２４号公報JP 2002-151124 A

ところで、固体酸化物型燃料電池ではその運転温度が固体高分子型燃料電池やリン酸型燃料電池のそれに比して４倍から１０倍という高温となる。例えば、固体酸化物型燃料電池の運転温度は一般に８００〜１０００℃であるのに対し、固体高分子型燃料電池では８０〜１００℃、リン酸型燃料電池では２００℃程度といわれている。このため、固体酸化物型燃料電池では、他の型の燃料電池とは異なり、運転停止の際には所定温度まで冷却(クールダウン)させた上で完全停止させるという処理が要求されることになる。その処理においては、特にカソード及びアノードの両電極における熱歪に起因する損傷発生を確実に回避しつつも、冷却時間の短縮化を図る必要がある。   By the way, in the solid oxide fuel cell, the operating temperature is four to ten times higher than that of the solid polymer fuel cell or the phosphoric acid fuel cell. For example, the operating temperature of a solid oxide fuel cell is generally 800 to 1000 ° C., whereas it is said to be 80 to 100 ° C. for a solid polymer fuel cell and about 200 ° C. for a phosphoric acid fuel cell. For this reason, unlike other types of fuel cells, solid oxide fuel cells require processing that is completely stopped after being cooled (cooled down) to a predetermined temperature when the operation is stopped. Become. In the treatment, it is necessary to shorten the cooling time while surely avoiding the occurrence of damage due to thermal distortion particularly in both the cathode and anode electrodes.

そのような状況下において、運転停止時の停止方法としては例えば図５に示すような処理方法が考えられている。発電運転の停止処理に入ると、まず、カソード空気、燃料ガス及び水供給量を予め定めた値に変更する(ステップ１０１)。例えば燃料ガス流量として微量の２Ｌ／ｍｉｎ、水供給流量として２ｃｃ／ｍｉｎ、カソード空気流量として５０Ｌ／ｍｉｎに変更する。これをカソードの温度がある所定の温度Ｔ１(例えば４００℃)に低下するまで続け、温度Ｔ１まで低下すれば(ステップ１０２でＹＥＳ)、アノード側への燃料ガス及び水の供給を停止する一方、カソード側にはカソード空気の供給を継続させる(ステップ１０３)。そして、カソードの温度が、改質器の触媒が酸化しない温度として設定した温度Ｔ２(例えば２００℃)まで低下すれば（ステップ１０４でＹＥＳ）、ポストパージに入り（ステップＳ１０５）、改質器を通してアノード側に対してもカソード側と同様量の空気を所定時間流し、全体を冷却・パージして完全停止させる。   Under such circumstances, for example, a processing method as shown in FIG. 5 is considered as a stopping method when the operation is stopped. In the power generation operation stop process, first, the cathode air, fuel gas, and water supply amounts are changed to predetermined values (step 101). For example, the fuel gas flow rate is changed to a very small amount of 2 L / min, the water supply flow rate is changed to 2 cc / min, and the cathode air flow rate is changed to 50 L / min. This is continued until the temperature of the cathode decreases to a certain temperature T1 (for example, 400 ° C.). If the temperature decreases to T1 (YES in step 102), the supply of fuel gas and water to the anode side is stopped, The cathode air is continuously supplied to the cathode side (step 103). When the temperature of the cathode falls to a temperature T2 (eg, 200 ° C.) set as a temperature at which the catalyst of the reformer does not oxidize (YES in step 104), a post-purge is entered (step S105), and the cathode passes through the reformer. The same amount of air as that on the cathode side is allowed to flow to the anode side for a predetermined time, and the whole is cooled and purged to completely stop.

このような停止方法では、次のような不都合がある。すなわち、冷却時間の短縮化という観点からは全く不十分である一方、運転停止のための処理に入っても微量の燃料ガスを供給し続けることから、エネルギーの浪費を招いたり、燃焼排ガス中のＣＯ２が発生したりするという不都合を生じると考えられる。しかしながら、急激な冷却を図ろうとすると、カソード・アノード間の熱応力のバラツキを招くため損傷回避の要請の方を優先せざるを得ない上に、熱応力のバラツキ発生の回避法は特に冷却初期が困難なものとなる。 Such a stopping method has the following disadvantages. In other words, while it is quite insufficient from the viewpoint of shortening the cooling time, it continues to supply a small amount of fuel gas even after entering the process for shutdown, leading to waste of energy or in the combustion exhaust gas. This is considered to cause a disadvantage that CO 2 is generated. However, if rapid cooling is attempted, the thermal stress variation between the cathode and the anode is caused, so the request for avoiding damage must be given priority. In addition, the thermal stress variation avoidance method is particularly effective at the initial cooling stage. Is difficult.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体酸化物型燃料電池の運転停止時において、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を効率よく図り得る固体酸化物型燃料電池の停止方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to minimize the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode when the operation of the solid oxide fuel cell is stopped. An object of the present invention is to provide a method for stopping a solid oxide fuel cell, which can efficiently reduce the cooling time required for cooling while avoiding and suppressing it.

上記目的を達成するために、本発明では、固体酸化物よりなる電解質を挟んで一側のアノードに燃料ガスを供給する一方、他側のカソードに空気を供給することにより発電する電池本体と、この電池本体のカソードに対し空気を供給流量可変に供給するカソード空気供給回路と、上記アノードに対し水蒸気を供給流量可変に供給する水蒸気供給回路とを備えた固体酸化物型燃料電池を対象にして、上記電池本体の発電運転を停止する際の固体酸化物型燃料電池の停止方法おいて、次の特定事項を備えることとした。すなわち、停止処理の開始に伴い、上記アノードに対する燃料ガスの供給を停止して上記アノードに対し水蒸気を流す一方、上記カソードに対し空気を流すようにして冷却処理を行いつつ、上記アノードの温度及び上記カソードの温度の互いの変動を監視して、両温度値の温度差が一定値範囲内におさまるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御する。加えて、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量のそれぞれの初期値として、その水蒸気と上記アノードとの間の伝熱特性と、その空気と上記カソードとの間の伝熱特性とが互いに等しくなるレイノルズ数を割り出した上で、割り出したレイノルズ数に基づいて設定することとした(請求項１)。 In order to achieve the above object, in the present invention, a battery main body that generates power by supplying fuel gas to an anode on one side while sandwiching an electrolyte made of a solid oxide and supplying air to the cathode on the other side; A solid oxide fuel cell comprising a cathode air supply circuit for supplying air to the cathode of the battery body at a variable supply flow rate, and a water vapor supply circuit for supplying water vapor to the anode at a variable supply flow rate. The solid oxide fuel cell stopping method when stopping the power generation operation of the battery body includes the following specific items. That is, with the start of the stop process, the fuel gas supply to the anode is stopped and water vapor is supplied to the anode while air is supplied to the cathode while performing the cooling process, By monitoring each other's fluctuations in the temperature of the cathode, both the steam flow rate flowing to the anode and the air flow rate flowing to the cathode are both increased or decreased so that the temperature difference between the two temperature values falls within a certain range. you control. In addition, as initial values of the water vapor flow rate flowing through the anode and the air flow rate flowing through the cathode, the heat transfer characteristics between the water vapor and the anode, and the heat transfer characteristics between the air and the cathode, on but that indexing Reynolds number equal to each other, and with the set child based on the Reynolds number of indexing (claim 1).

この発明の場合、アノードに対し水蒸気を流す一方、カソードに対し空気を流すことによりそれぞれを冷却する際に、そのアノードに流す水蒸気流量及びカソードに流す空気流量をそれぞれ増減変更制御することにより、上記アノードの温度と上記カソードの温度との間の温度差が一定値範囲内におさまるようにされるため、冷却に伴うアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制し得ることになり、これにより、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれが確実に回避されることになる。しかも、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止させるため、燃料ガスの浪費を抑えたりＣＯ２発生も無くしたりすることが可能となる上に、燃料ガスの燃焼がない分、冷却速度がより上昇し、これにより、冷却時間の短縮化が図られる。以上より、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を確実に図り得ることになる。その上、アノードに対し流す水蒸気によりアノードを冷却する際の水蒸気とアノードとの間の伝熱量と、カソードに流す空気によりカソードを冷却する際の空気とカソードの間の伝熱量とが互いに等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の各制御値の初期値が設定されるため、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制し得ることになる上に、冷却を効率的にかつ迅速に行い得ることになる。これにより、冷却時間の短縮化がより一層図られる。 In the case of the present invention, when the water vapor is flowed to the anode and the air is flowed to the cathode, respectively, the water vapor flow rate flowing to the anode and the air flow rate flowing to the cathode are controlled to increase / decrease, respectively. Since the temperature difference between the anode temperature and the cathode temperature is kept within a certain range, it is possible to avoid and suppress as much as possible the occurrence of thermal stress variation between the anode and cathode due to cooling. As a result, the possibility of occurrence of damage due to a thermal stress difference or the like is surely avoided. In addition, since the supply of the fuel gas is stopped when the operation stop process is started, it is possible to suppress the waste of the fuel gas and to eliminate the generation of CO 2, and to reduce the cooling rate by the amount of no combustion of the fuel gas. As a result, the cooling time is shortened. Thus, even while as much as possible avoid or suppress thermal stress variations occur between the anode and the cathode, ing to obtain aim to ensure the shortening of the cooling time required for cooling. In addition, the amount of heat transfer between the water vapor and the anode when the anode is cooled by the water vapor flowing to the anode is equal to the amount of heat transfer between the air and the cathode when the cathode is cooled by the air flowing to the cathode. Thus, since the initial value of each control value of the water vapor flow rate and the air flow rate is set, the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode during cooling can be avoided and suppressed as much as possible. Cooling can be performed efficiently and quickly. Thereby, the cooling time can be further shortened.

本発明の固体酸化物型燃料電池の停止方法においては、上記アノードの温度及び上記カソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにすることができる(請求項２)。このようにすることで、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を回避・抑制し得るという本発明の作用を、より一層高めることが可能となる。   In the method for stopping a solid oxide fuel cell according to the present invention, both the flow rate of water vapor flowing to the anode and the flow rate of air flowing to the cathode are set so that the temperature of the anode and the temperature of the cathode are substantially equal to each other. Each value can be controlled to increase or decrease (Claim 2). By doing so, it is possible to further enhance the action of the present invention that can prevent or suppress the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode during cooling.

加えて、上記アノードに対し空気を供給流量可変に供給する空気供給回路をさらに備えるようにし、上記アノードに対する水蒸気の供給と、カソードに対する空気の供給とによって上記アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、上記アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに上記空気供給回路からアノードに対し空気を供給して水蒸気をパージするようにすることができる(請求項３)。水蒸気の代わりに空気を流すことによりアノードの冷却をより一層効率よく促進させることが可能になる一方、一定の温度差範囲内に維持され、又は、実質的に等しい温度に維持されているアノード又はカソードの温度値が設定値まで低下しているため、特にアノードに対し冷却媒体として空気を流すように切り換えたとしても、アノードの酸化が防止されることになる。上記設定値としては、アノードに対し空気を流したとしてもアノードが酸化されることのない温度値を設定するようにすればよい。 In addition, an air supply circuit for supplying air to the anode in a variable supply flow rate is further provided, and the temperature value of the anode or the cathode is reduced to a set value by supplying water vapor to the anode and supplying air to the cathode. When lowered, the supply of water vapor to the anode can be stopped, and air can be purged by supplying air from the air supply circuit to the anode instead (claim 3 ). By allowing air to flow instead of water vapor, cooling of the anode can be facilitated more efficiently, while maintaining the anode within a certain temperature differential range or at a substantially equal temperature or Since the temperature value of the cathode is lowered to the set value, the anode is prevented from being oxidized even when the anode is switched to flow air as a cooling medium. The set value may be set to a temperature value at which the anode is not oxidized even when air is passed through the anode.

以上、説明したように、本発明の固体酸化物型燃料電池の停止方法によれば、アノードに対し水蒸気を流す一方、カソードに対し空気を流すことによりそれぞれを冷却する際に、そのアノードに流す水蒸気流量及びカソードに流す空気流量をそれぞれ増減変更制御することにより、上記アノードの温度と上記カソードの温度との間の温度差が一定値範囲内におさまるようにしているため、冷却に伴うアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制することができ、これにより、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれを確実に回避することができるようになる。しかも、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止しているため、燃料ガスの浪費を抑えたりＣＯ２発生も無くしたりすることができる上に、燃料ガスの燃焼がない分、冷却速度をより上昇させて、冷却時間の短縮化を図ることができるようになる。以上より、アノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制しつつも、冷却に要する冷却時間の短縮化を確実に図ることができるようになる。その上、アノードに対し流す水蒸気によりアノードを冷却する際の水蒸気とアノードとの間の伝熱量と、カソードに流す空気によりカソードを冷却する際の空気とカソードとの間の伝熱量とが互いに等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の各制御値の初期値を設定することにより、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生を可及的に回避・抑制することができる上に、冷却を効率的にかつ迅速に行うことができるようになる。これにより、冷却時間の短縮化をより一層図ることができるようなる。 As described above, according to the method for stopping a solid oxide fuel cell of the present invention, water vapor is flowed to the anode, while air is flowed to the cathode and each is cooled to flow to the anode. The temperature difference between the temperature of the anode and the temperature of the cathode is kept within a certain range by controlling the increase and decrease of the water vapor flow rate and the air flow rate to the cathode, respectively. It is possible to avoid and suppress the occurrence of thermal stress variation between the cathodes as much as possible, thereby reliably avoiding the possibility of occurrence of damage due to the thermal stress difference or the like. Moreover, since the supply of the fuel gas is stopped when the operation stop process is started, the waste of the fuel gas can be suppressed and the generation of CO 2 can be suppressed, and the cooling rate is reduced by the amount of no combustion of the fuel gas. As a result, the cooling time can be shortened. As described above, it is possible to reliably shorten the cooling time required for cooling while avoiding and suppressing the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode as much as possible. In addition, the amount of heat transfer between the water vapor and the anode when the anode is cooled by the water vapor flowing to the anode is equal to the amount of heat transfer between the air and the cathode when the cathode is cooled by the air flowing to the cathode. Thus, by setting the initial value of each control value of the water vapor flow rate and the air flow rate, it is possible to avoid and suppress the occurrence of thermal stress variation between the anode and the cathode during cooling as much as possible. Cooling can be performed efficiently and quickly. As a result, the cooling time can be further shortened.

特に、請求項２によれば、アノードの温度及びカソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、水蒸気流量及び空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御することにより、冷却の際のアノード・カソード間の熱応力バラツキ発生の回避・抑制を、より一層確実に実現させることができる。   In particular, according to the second aspect of the present invention, both the steam flow rate and the air flow rate are controlled to increase / decrease so that the anode temperature and the cathode temperature are substantially equal to each other. It is possible to more reliably realize the avoidance and suppression of the occurrence of thermal stress variation between the cathodes.

請求項３によれば、アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに空気供給回路から空気を供給して水蒸気をパージすることで、アノードの冷却をより一層効率よく促進させることができる一方、アノードに対し冷却媒体として空気を流すように切り換えたとしても、アノードの酸化を防止することができるようになる。
According to claim 3, when the temperature value of the anode or the cathode is lowered to the set value, the supply of water vapor to the anode is stopped, and instead air is supplied from the air supply circuit to purge the water vapor. While cooling can be promoted more efficiently, oxidation of the anode can be prevented even if air is switched to flow as a cooling medium to the anode.

本発明の実施形態を適用する固体酸化物型燃料電池の概略模式図である。1 is a schematic diagram of a solid oxide fuel cell to which an embodiment of the present invention is applied. 停止方法の処理手順の前半部を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the first half of the processing procedure of a stop method. 図２の続きの後半部の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the latter half part of the continuation of FIG. 特に空気及び水蒸気の初期制御値としてのＦＦ値を導くための関係テーブルである。In particular, it is a relationship table for deriving FF values as initial control values for air and water vapor. 本発明の課題を説明するために考えられる停止方法の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the stop method considered in order to demonstrate the subject of this invention.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る停止方法を適用する固体酸化物型燃料電池の一例を示す。同図中の符号１は電池本体であり、この電池本体１は円筒型のセル２と、改質器３と、空気用熱交換器４とを備えている。この電池本体１に対する燃料ガス・空気・水蒸気等の供給及び排ガスの排出は、いずれも予熱・蒸発器５を通して行われるようになってる。この予熱・蒸発器５に対し燃料ガス回路６、改質用空気供給回路７及びカソード空気供給回路８が通される一方、予熱用の熱源として電池本体１の側から排ガスが導入されて水供給処理回路９に導出され、排ガス中の水分回収により得た純水が予熱・蒸発器５内の燃料ガス回路６に戻されて水蒸気改質用の水蒸気に変換されるようになっている。なお、図１には原理的に図示した関係上１つのセル２のみを図示しているが、図示省略の複数のセルによりセルスタックとして構成されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a solid oxide fuel cell to which a stopping method according to an embodiment of the present invention is applied. Reference numeral 1 in the figure denotes a battery body, and the battery body 1 includes a cylindrical cell 2, a reformer 3, and an air heat exchanger 4. The supply of fuel gas, air, water vapor, etc. to the battery body 1 and the discharge of exhaust gas are all performed through the preheater / evaporator 5. A fuel gas circuit 6, a reforming air supply circuit 7 and a cathode air supply circuit 8 are passed through the preheating / evaporator 5, while exhaust gas is introduced from the battery body 1 side as a heat source for preheating and water is supplied. The pure water led to the processing circuit 9 and obtained by collecting the moisture in the exhaust gas is returned to the fuel gas circuit 6 in the preheater / evaporator 5 and converted into steam for steam reforming. Although only one cell 2 is illustrated in FIG. 1 because of the principle illustrated, it is configured as a cell stack by a plurality of cells not shown.

上記セル２は、小径円筒形状のアノード(燃料極)２１と、この外周側を覆う大径円筒形状のカソード(空気極)２２とが間に電解質２３を挟んだ状態で同心円状に一体化されたものであり、複数のセルが所定間隔ずつ隔てた状態で立設されてセルスタックが構成されている。つまり、カソード２２が内部空間１１に露出し、アノード２１はカソード２２等により内部空間１１からは遮蔽されている。アノード２１や、カソード２２はいずれもＮｉ等の金属酸化物を含有するセラミックスにより形成されたものであり、電解質２３は例えばＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されたものである。   The cell 2 is concentrically integrated with a small-diameter cylindrical anode (fuel electrode) 21 and a large-diameter cylindrical cathode (air electrode) 22 covering the outer peripheral side with an electrolyte 23 interposed therebetween. In other words, a cell stack is configured by standing up with a plurality of cells spaced apart from each other by a predetermined interval. That is, the cathode 22 is exposed to the internal space 11, and the anode 21 is shielded from the internal space 11 by the cathode 22 and the like. The anode 21 and the cathode 22 are both formed of ceramics containing a metal oxide such as Ni, and the electrolyte 23 is formed of a solid oxide such as YSZ (yttrium stabilized zirconia). .

セル２のアノード２１の内周面により構成される内孔２１１は底室１２に連通されており、底室１２に対し改質器３から供給された燃料ガスが内孔２１１の下端から上端に向けて流されるようになっている。又、セル２の外周面がカソード２２の外周面２２１により構成され、空気用熱交換器４から供給口１３を通して内部空間１１にカソード空気が噴出されることにより上記外周面２２１に対し供給されるようになっている。カソード２２ではカソード空気の酸素が酸素イオンとなって電解質２３を通り、アノード２１では燃料ガスの水素と反応して水（水蒸気）を生成する一方、その際に生じた電子が回路を通してカソード２２側に移動して酸素を再びイオン化するということを繰り返して発電される。内孔２１１に供給された燃料ガスは内孔２１１を上方に向けて通過する間に上記反応に利用された後、内孔２１１の上端から排出されるオフガスが改質器バーナ３１に導かれて燃焼用の燃料として利用されるようになっている。又、内部空間１１に供給されたカソード空気は上方に排気され、改質器バーナ３１からの燃焼排ガスと共に、排ガスとして予熱・蒸発器５に送られるようになっている。その際、上記排ガスは空気を加熱するための熱源として空気用熱交換器４を通過するようになっている。   An inner hole 211 constituted by the inner peripheral surface of the anode 21 of the cell 2 communicates with the bottom chamber 12, and the fuel gas supplied from the reformer 3 to the bottom chamber 12 extends from the lower end to the upper end of the inner hole 211. It is designed to be flown towards. The outer peripheral surface of the cell 2 is constituted by the outer peripheral surface 221 of the cathode 22, and the cathode air is jetted from the air heat exchanger 4 through the supply port 13 into the internal space 11 and supplied to the outer peripheral surface 221. It is like that. At the cathode 22, oxygen in the cathode air becomes oxygen ions and passes through the electrolyte 23. At the anode 21, it reacts with hydrogen of the fuel gas to generate water (water vapor), and the electrons generated at that time pass through the circuit to the cathode 22 side. It is generated by repeating the process of re-ionizing oxygen once again. The fuel gas supplied to the inner hole 211 is used for the reaction while passing through the inner hole 211 upward, and then off gas discharged from the upper end of the inner hole 211 is guided to the reformer burner 31. It is used as a fuel for combustion. The cathode air supplied to the internal space 11 is exhausted upward and sent to the preheater / evaporator 5 as exhaust gas together with the combustion exhaust gas from the reformer burner 31. At that time, the exhaust gas passes through the air heat exchanger 4 as a heat source for heating the air.

上記セル２のアノード２１及びカソード２２の各温度（各電極表面温度；以下、「アノード温度」又は「カソード温度」ということもある）を検出・把握するために温度センサ２４，２５が設けられている。これら温度センサ２４，２５は、上記各表面温度を非接触式で検出するものや、あるいは、各電極表面近傍を流れる流体の温度を検出することでその電極表面温度を把握するものにより構成すればよい。   Temperature sensors 24 and 25 are provided to detect and grasp the temperatures of the anode 21 and the cathode 22 (each electrode surface temperature; hereinafter, also referred to as “anode temperature” or “cathode temperature”) of the cell 2. Yes. If these temperature sensors 24 and 25 are comprised by what detects each said surface temperature by a non-contact type, or what grasps | ascertains the electrode surface temperature by detecting the temperature of the fluid which flows through each electrode surface vicinity. Good.

燃料ガス回路６には、元ガス電磁弁やガバナ等からなる調整弁６１と、バッファータンク６２、ガス流量センサ６３、脱硫器６４及び逆止弁６５等とが介装され、予熱・蒸発器５に入る前に改質用空気供給回路７が合流するようになっている。改質用空気供給回路７には、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給する改質用空気ブロワ７１と、バッファータンク７２、改質空気用流量センサ７３と及び逆止弁７４等とが介装されている。そして、改質用空気供給回路７が合流された燃料ガス回路６には、予熱・蒸発器５内において、水供給処理回路９からの純水が供給され、この純水が予熱・蒸発器５において水蒸気に蒸発した状態で改質器３に送られるようになっている。カソード空気供給回路８には、改質用空気供給回路７と同様に、図示省略のフィルタを通した大気を吸い込んで送給するカソード空気ブロワ８１と、バッファータンク８２及びカソード空気用流量センサ８３等とが介装されている。   The fuel gas circuit 6 is provided with a regulating valve 61 composed of an original gas solenoid valve, a governor, and the like, a buffer tank 62, a gas flow sensor 63, a desulfurizer 64, a check valve 65, and the like, and the preheat / evaporator 5 The reforming air supply circuit 7 joins before entering. The reforming air supply circuit 7 includes a reforming air blower 71 that sucks and feeds air through a filter (not shown), a buffer tank 72, a reforming air flow sensor 73, a check valve 74, and the like. And are intervened. The fuel gas circuit 6 joined with the reforming air supply circuit 7 is supplied with pure water from the water supply processing circuit 9 in the preheating / evaporator 5, and the pure water is supplied to the preheating / evaporator 5. In FIG. 2, the water vapor is sent to the reformer 3 in a state of being evaporated into water vapor. Similarly to the reforming air supply circuit 7, the cathode air supply circuit 8 sucks and sends the air through a filter (not shown), a buffer tank 82, a cathode air flow sensor 83, and the like. And are intervened.

水供給処理回路９は、予熱・蒸発器５を通過した後の排ガスに含まれる水分の水回収、回収した凝縮水の精製及び精製後の純水の貯留、並びに、貯留した純水を水蒸気として再利用すべく上記予熱・蒸発器５への供給をそれぞれ行う回路である。図１に示す水供給処理回路９は例示であり、この水供給処理回路９には、排熱回収用熱交換器９１と、この熱交換器９１で集水された凝縮水を一時貯留する凝縮水タンク９２と、フィルタ（例えばカーボンフィルタ）９３と、給水ポンプ９４と、純水に精製するための逆浸透膜（ＲＯ膜）やイオン交換膜等からなる水精製部９５と、精製後の純水を貯留する純水タンク９６と、純水タンク９６の純水を予熱・蒸発器５側に供給するための純水ポンプ９７と、その際の純水流量を検出する純水流量センサ９８と、逆止弁９９とが上流側から順に介装されている。この水供給処理回路９から予熱・蒸発器５に供給された純水は予熱・蒸発器５で蒸発されて水蒸気になって改質器３及び電池本体２のアノード２１側に供給されることになる。このため、水供給処理回路９と予熱・蒸発器５とで水蒸気供給回路が構成されることになる。上記排熱回収用熱交換器９１では、予熱・蒸発器５で顕熱回収された後の排ガスの潜熱回収を行うことにより例えば給湯水等を加熱する一方、その潜熱回収の際に排ガスに含まれる水分を凝縮させて水回収するようなっている。   The water supply processing circuit 9 recovers the water contained in the exhaust gas after passing through the preheater / evaporator 5, purifies the collected condensed water, stores the purified water after the purification, and uses the stored pure water as water vapor. This is a circuit for performing the preheating and supplying to the evaporator 5 for reuse. The water supply processing circuit 9 shown in FIG. 1 is an exemplification, and the water supply processing circuit 9 includes a heat exchanger 91 for exhaust heat recovery and a condensing unit that temporarily stores condensed water collected by the heat exchanger 91. A water tank 92, a filter (for example, a carbon filter) 93, a water supply pump 94, a water purification unit 95 comprising a reverse osmosis membrane (RO membrane) or an ion exchange membrane for purification into pure water, and purified pure water A pure water tank 96 for storing water, a pure water pump 97 for supplying pure water from the pure water tank 96 to the preheating / evaporator 5 side, and a pure water flow rate sensor 98 for detecting the pure water flow rate at that time The check valve 99 is interposed in order from the upstream side. The pure water supplied from the water supply processing circuit 9 to the preheater / evaporator 5 is evaporated by the preheater / evaporator 5 to become water vapor and supplied to the reformer 3 and the anode 21 side of the battery body 2. Become. For this reason, the water supply processing circuit 9 and the preheating / evaporator 5 constitute a water vapor supply circuit. In the heat exchanger 91 for exhaust heat recovery, for example, hot water is heated by recovering the latent heat of the exhaust gas after sensible heat recovery by the preheater / evaporator 5, and is included in the exhaust gas during the recovery of the latent heat. Water is collected by condensing water.

以上のシステムによる発電のための運転や、運転停止のための停止処理はコントローラ１０により制御される。以下、図２及び図３を参照しつつ、停止処理について説明する。まず、両電極の温度検出と、この温度検出値に基づき各電極に流す冷却用の流体の流量初期値（ＦＦ値；フィード・フォワード値）の設定とを行う。すなわち、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａを温度センサ２４，２５からの検出値に基づき検出し(ステップＳ１)、この温度検出値を用いて図４に示す関係テーブルに基づき水蒸気流量ＶｗのＦＦ値と、空気流量ＶａのＦＦ値との設定を行い、各ＦＦ値による水蒸気をアノード２１の側(内孔２１１)に、空気をカソード２２の側(外表面２２１)にそれぞれ流す(ステップＳ２)。つまり、燃料ガス回路６による燃料ガスの供給を停止して、アノード２１の側には水供給処理回路９からの純水の供給及び改質用空気供給回路７からの空気の供給に基づき水蒸気を供給し、カソード２２の側にはそれまでと同様に空気を供給する。加えて、アノード２１とカソード２２との冷却度合が互いに同じ(均一)になるような水蒸気及び空気の各ＦＦ値を設定する。設定されたＦＦ値の流量になるように、アノード２１側への水蒸気であれば水供給処理回路９の純水ポンプ９７の作動制御を純水流量センサ９８に基づいて行い、カソード２２側への空気であればカソード空気供給回路８のカソード空気ブロワ８１の作動制御をカソード空気用流量センサ８３に基づいて行う。   Operation for power generation by the above system and stop processing for operation stop are controlled by the controller 10. Hereinafter, the stop process will be described with reference to FIGS. 2 and 3. First, the temperature detection of both electrodes and the setting of the initial flow rate value (FF value; feed-forward value) of the cooling fluid that flows to each electrode based on this temperature detection value are performed. That is, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are detected based on the detection values from the temperature sensors 24 and 25 (step S1), and the FF value of the water vapor flow rate Vw is calculated based on the relationship table shown in FIG. Then, the FF value of the air flow rate Va is set, and water vapor according to each FF value flows to the anode 21 side (inner hole 211) and air flows to the cathode 22 side (outer surface 221) (step S2). That is, the supply of fuel gas by the fuel gas circuit 6 is stopped, and water vapor is supplied to the anode 21 side based on the supply of pure water from the water supply processing circuit 9 and the supply of air from the reforming air supply circuit 7. Air is supplied to the cathode 22 side as before. In addition, the FF values of water vapor and air are set such that the cooling degrees of the anode 21 and the cathode 22 are the same (uniform). In the case of water vapor to the anode 21 side so that the flow rate of the set FF value is obtained, the operation control of the pure water pump 97 of the water supply processing circuit 9 is performed based on the pure water flow rate sensor 98 to the cathode 22 side. If air, the cathode air blower 81 of the cathode air supply circuit 8 is controlled based on the cathode air flow sensor 83.

水蒸気流量ＶｗのＦＦ値と、空気流量ＶａのＦＦ値との設定は、図４のレイノズル数Ｒｅの割り出しのための関係テーブルと、この関係テーブルから割り出されるレイノルズ数Ｒｅと、上記各ＦＦ値との関係について予め定めたＦＦ値割り出しのための関係テーブルとを用いて次のようにして行う。まず、図４の関係テーブルは、縦軸に［ｈ(熱伝達率)×Ａ(表面積)］を、横軸にレイノルズ数Ｒｅをとり、種々の温度の空気と水蒸気との場合の特性を表したものである。縦軸のＡ(表面積)は、空気の場合であるとカソード２２の外周面２２１の表面積であり、水蒸気の場合であるとアノード２１の内孔２１１の内周面の表面積である。熱伝達率は単位時間・単位温度・単位面積当たりの伝熱量であるため、縦軸は、空気の場合であるとカソード２２の外表面に空気を流した場合のカソード２２への伝熱量を表し、水蒸気の場合であるとアノード２１の内表面に水蒸気を流した場合のアノード２１への伝熱量を表すことになる。従って、その時点のカソード温度Ｔａ(カソード２２の外表面近傍を流れる空気の温度を検出することにより把握)に対応する温度の空気による伝熱特性ライン(図４の破線)と、アノード温度Ｔｗ(アノード２１の内表面近傍を流れる水蒸気の温度を検出することにより把握)に対応する温度の水蒸気による伝熱特性ライン(図４の実線)との交点が、空気とカソード２２との間の伝熱量及び水蒸気とアノード２１との間の伝熱量が互いに均一になるポイントを示すことになるため、このときのレイノルズ数Ｒｅを横軸から割り出す。例えば空気の温度(カソード温度Ｔａが対応)が４００℃で、水蒸気の温度(アノード温度Ｔｗが対応)が４００℃の場合であると、そのときの双方の伝熱特性ラインの交点におけるレイノルズ数Ｒｅは「５５」であると割り出すことができる。あとはＦＦ値割り出しのための関係テーブルからレイノズル数が「５５」の場合の水蒸気流量ＶｗのＦＦ値と、空気流量ＶａのＦＦ値とを割り出して設定すればよい。   The setting of the FF value of the water vapor flow rate Vw and the FF value of the air flow rate Va includes the relationship table for calculating the Reynolds number Re in FIG. 4, the Reynolds number Re calculated from this relationship table, and the FF values described above. A relationship table for determining the FF value determined in advance is used as follows. First, the relationship table in FIG. 4 shows [h (heat transfer coefficient) × A (surface area)] on the vertical axis and Reynolds number Re on the horizontal axis, and shows the characteristics of air and water vapor at various temperatures. It is a thing. A (surface area) on the vertical axis is the surface area of the outer peripheral surface 221 of the cathode 22 in the case of air, and the surface area of the inner peripheral surface of the inner hole 211 of the anode 21 in the case of water vapor. Since the heat transfer rate is the amount of heat transfer per unit time, unit temperature, and unit area, the vertical axis represents the amount of heat transfer to the cathode 22 when air is passed through the outer surface of the cathode 22 in the case of air. In the case of water vapor, this represents the amount of heat transfer to the anode 21 when water vapor flows on the inner surface of the anode 21. Therefore, a heat transfer characteristic line (dashed line in FIG. 4) with air at a temperature corresponding to the cathode temperature Ta at that time (ascertained by detecting the temperature of the air flowing near the outer surface of the cathode 22) and the anode temperature Tw ( The amount of heat transfer between the air and the cathode 22 is the intersection of the heat transfer characteristic line (solid line in FIG. 4) with water vapor at a temperature corresponding to the temperature of water vapor flowing near the inner surface of the anode 21. In addition, since the heat transfer amount between the water vapor and the anode 21 indicates a uniform point, the Reynolds number Re at this time is calculated from the horizontal axis. For example, when the air temperature (corresponding to the cathode temperature Ta) is 400 ° C. and the water vapor temperature (corresponding to the anode temperature Tw) is 400 ° C., the Reynolds number Re at the intersection of both heat transfer characteristic lines at that time Can be determined to be “55”. After that, the FF value of the steam flow rate Vw and the FF value of the air flow rate Va when the number of lay nozzles is “55” and the FF value of the air flow rate Va may be determined and set from the relation table for FF value determination.

図２に戻り、以上のＦＦ値の水蒸気流量Ｖｗと空気流量Ｖａとを流しながら、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａの変動を監視する(ステップＳ３)。アノード温度Ｔｗがカソード温度Ｔａよりも高い場合には(ステップＳ３でＹＥＳ)、水蒸気流量Ｖｗを相対的に増大させる。すなわち、現在の水蒸気流量Ｖｗが最大値でなければ水蒸気流量Ｖｗを増加させ、現在の水蒸気流量Ｖｗが既に最大値で供給しているのであれば空気流量Ｖａを減少させる(ステップＳ４)。逆に、カソード温度Ｔａがアノード温度Ｔｗよりも高い場合には(ステップＳ３でＮＯ)、空気流量Ｖａを相対的に増大させる。すなわち、現在の空気流量Ｖａが最大値でなければ空気流量Ｖａを増加させ、現在の空気流量Ｖａが既に最大値で供給しているのであれば水蒸気流量Ｖｗを減少させる(ステップＳ５)。このようにしてアノード２１及びカソード２２に対する冷却のための伝熱量が互いに均一になるように制御することで、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度になるまで、ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返す(ステップＳ６でＮＯ)。   Returning to FIG. 2, the fluctuations in the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are monitored while the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va having the above FF values are supplied (step S3). If the anode temperature Tw is higher than the cathode temperature Ta (YES in step S3), the water vapor flow rate Vw is relatively increased. That is, if the current water vapor flow rate Vw is not the maximum value, the water vapor flow rate Vw is increased, and if the current water vapor flow rate Vw is already supplied at the maximum value, the air flow rate Va is decreased (step S4). Conversely, when the cathode temperature Ta is higher than the anode temperature Tw (NO in step S3), the air flow rate Va is relatively increased. That is, if the current air flow rate Va is not the maximum value, the air flow rate Va is increased, and if the current air flow rate Va is already supplied at the maximum value, the water vapor flow rate Vw is decreased (step S5). By controlling the heat transfer amounts for cooling the anode 21 and the cathode 22 to be uniform with each other in this way, steps S3 to S6 are repeated until the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta become substantially equal to each other. (NO in step S6).

そして、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度になれば(ステップＳ６でＹＥＳ)、水蒸気流量Ｖｗと空気流量Ｖａとの増減変更を停止し、それまでの水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値、つまりアノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度になった時点の水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値での供給を維持する(ステップＳ７)。その水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値での供給維持で、再度、アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いにほぼ等しい温度を維持しているか否かを判定し(ステップＳ８)、互いに等しい温度に維持されていなければ、ステップＳ３に戻ってステップＳ３〜Ｓ７までを繰り返す(ステップＳ８でＮＯ)。アノード温度Ｔｗ及びカソード温度Ｔａが互いに等しい温度を維持していれば(ステップＳ８でＹＥＳ)、カソード温度Ｔａ（又はアノード温度Ｔｗ）が温度Ｔ２(アノード２１又は改質器３の触媒が酸化しない温度として設定した温度、例えば２００℃)まで低下するまで、その水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの各値での供給を維持して冷却を継続させる(ステップＳ９でＮＯ)。   When the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta become substantially equal to each other (YES in step S6), the change in increase / decrease between the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va is stopped, and the previous water vapor flow rate Vw and air flow rate Va are changed. The supply at each value of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va when the respective values, that is, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta become substantially equal to each other is maintained (step S7). By maintaining the supply at each value of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va, it is determined again whether or not the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are maintained substantially equal to each other (step S8). If not maintained, the process returns to step S3 and repeats steps S3 to S7 (NO in step S8). If the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are kept equal to each other (YES in step S8), the cathode temperature Ta (or the anode temperature Tw) is the temperature T2 (the temperature at which the catalyst of the anode 21 or the reformer 3 is not oxidized). Until the temperature drops to the temperature set as (eg, 200 ° C.), the supply at each value of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va is maintained and the cooling is continued (NO in step S9).

そして、カソード温度Ｔａ（又はアノード温度Ｔｗ）が温度Ｔ２まで低下すれば(ステップＳ９でＹＥＳ)、ポストパージに入る(ステップＳ１０)。ポストパージは、カソード２２側への空気の供給を継続させる一方、水供給処理回路９による純水供給を停止させ、改質用空気供給回路７の改質空気用ブロワ７１を作動させてアノード２１の側にも空気を供給する。例えば改質器空気流量として５０Ｌ／ｍｉｎ、カソード空気流量として５０Ｌ／ｍｉｎを設定して所定のポストパージ時間だけ流す。このポストパージの終了により完全停止させる。   When the cathode temperature Ta (or the anode temperature Tw) decreases to the temperature T2 (YES in step S9), the post purge is started (step S10). In the post-purge, while the supply of air to the cathode 22 side is continued, the supply of pure water by the water supply processing circuit 9 is stopped, and the reforming air blower 71 of the reforming air supply circuit 7 is operated to operate the anode 21. Also supply air to the side. For example, the reformer air flow rate is set to 50 L / min, and the cathode air flow rate is set to 50 L / min, and the flow is performed for a predetermined post-purge time. The post-purge is completed and completely stopped.

以上の実施形態の場合には、アノード２１及びカソード２２の両者の温度降下が互いに同じになるように冷却のための流体を供給し、すなわち、アノード２１には水蒸気を、カソード２２には空気をそれぞれ供給して冷却させることができる。つまり、アノード２１に対しては水蒸気を供給することで、改質器３の触媒のみならずアノード２１の酸化を防止した状態で冷却用の媒体として水蒸気を流し、カソード２２に対しては冷却用媒体として空気を流すようにした状態で、さらに、異なる流体を冷却用の媒体として流しつつも、又、アノード２１及びカソード２２が冷却対象の面積や容積等の相違を有していても、両者を互いに均一に冷却させることができる。これにより、冷却に伴うアノード２１とカソード２２との間の熱応力のバラツキ発生を確実に回避することができ、熱応力差等に起因する損傷発生のおそれを確実に回避することができる。しかも、このように燃料電池を構成するアノード及びカソードの損傷発生を確実に回避した冷却を行いつつも、冷却媒体としての水蒸気及び空気の各流量値の効率的な割り出しに基づき、効率的にかつ迅速に冷却を行うことができるようになり、冷却時間の大幅な短縮化をも図ることができる。さらに、運転停止処理に入れば、燃料ガスの供給を停止させるため、燃料ガスの浪費を抑えたりＣＯ２発生も無くすことができる上に、燃料ガスの燃焼がないことから冷却速度の向上も見込むことができ、冷却時間の短縮化に一層寄与することになる。 In the case of the above embodiment, the cooling fluid is supplied so that the temperature drops of both the anode 21 and the cathode 22 are the same, that is, water vapor is supplied to the anode 21 and air is supplied to the cathode 22. Each can be supplied and cooled. That is, by supplying water vapor to the anode 21, water vapor flows as a cooling medium in a state where not only the catalyst of the reformer 3 but also the anode 21 is prevented, and the cathode 22 is cooled. Even if different fluids are allowed to flow as a cooling medium in a state where air is allowed to flow as a medium, both the anode 21 and the cathode 22 have differences in the area and volume of the object to be cooled. Can be uniformly cooled with each other. As a result, it is possible to reliably avoid the occurrence of variations in thermal stress between the anode 21 and the cathode 22 due to cooling, and it is possible to reliably avoid the possibility of occurrence of damage due to a thermal stress difference or the like. In addition, while performing cooling that reliably avoids the occurrence of damage to the anode and cathode constituting the fuel cell in this way, based on the efficient determination of the flow values of water vapor and air as the cooling medium, Cooling can be performed quickly, and the cooling time can be greatly shortened. Furthermore, since the supply of the fuel gas is stopped when the operation stop process is started, the waste of the fuel gas can be suppressed and the generation of CO 2 can be eliminated, and the cooling rate is expected to be improved because there is no combustion of the fuel gas. This can further contribute to shortening the cooling time.

＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、円筒型のセルを例示したが、これに限らず、板状のセルや、これを複数積層したタイプのセルスタックに対し本発明の停止方法を適用することができる。 <Other embodiments>
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, Various other embodiments are included. That is, in the above-described embodiment, a cylindrical cell is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the stopping method of the present invention can be applied to a plate-shaped cell or a cell stack of a type in which a plurality of cells are stacked.

上記実施形態の停止方法では、アノード温度Ｔｗとカソード温度Ｔａとが互いに等しくなるようにしているが(図２のステップＳ６又はステップＳ８参照)、これに限らず、アノード温度Ｔｗとカソード温度Ｔａとの両者の温度差が所定の一定値範囲(例えば５０℃未満)に納まるように水蒸気流量Ｖｗ及び空気流量Ｖａの増減変更を制御するようにしてもよい。   In the stopping method of the above embodiment, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta are set to be equal to each other (see step S6 or step S8 in FIG. 2), but not limited thereto, the anode temperature Tw and the cathode temperature Ta The increase / decrease change of the water vapor flow rate Vw and the air flow rate Va may be controlled so that the temperature difference between the two falls within a predetermined constant value range (for example, less than 50 ° C.).

１ 電池本体
５ 予熱・蒸発器(水蒸気供給回路)
７ 改質用空気供給回路(空気供給回路)
８ カソード空気供給回路
９ 水供給処理回路(水蒸気供給回路)
１０ コントローラ
２１ アノード
２２ カソード
２３ 電解質
２４，２５ 温度センサ 1 Battery body 5 Preheating / evaporator (water vapor supply circuit)
7 Air supply circuit for reforming (air supply circuit)
8 Cathode air supply circuit 9 Water supply processing circuit (water vapor supply circuit)
10 Controller 21 Anode 22 Cathode 23 Electrolytes 24, 25 Temperature Sensor

Claims (3)

固体酸化物よりなる電解質を挟んで一側のアノードに燃料ガスを供給する一方、他側のカソードに空気を供給することにより発電する電池本体と、この電池本体のカソードに対し空気を供給流量可変に供給するカソード空気供給回路と、上記アノードに対し水蒸気を供給流量可変に供給する水蒸気供給回路とを備えた固体酸化物型燃料電池を対象にして、上記電池本体の発電運転を停止する際の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
停止処理の開始に伴い、上記アノードに対する燃料ガスの供給を停止して上記アノードに対し水蒸気を流す一方、上記カソードに対し空気を流すようにして冷却処理を行いつつ、上記アノードの温度及び上記カソードの温度の互いの変動を監視し、両温度値の温度差が一定値範囲内におさまるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにし、かつ、
上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量のそれぞれの初期値として、その水蒸気と上記アノードとの間の伝熱特性と、その空気と上記カソードとの間の伝熱特性とが互いに等しくなるレイノルズ数を割り出した上で、割り出したレイノルズ数に基づいて設定する、
ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の停止方法。 Supplying fuel gas to the anode on one side with the electrolyte made of solid oxide, while supplying air to the cathode on the other side, and the supply flow rate of air to the cathode of this battery body is variable When stopping the power generation operation of the battery body for a solid oxide fuel cell including a cathode air supply circuit for supplying water to the anode and a water vapor supply circuit for supplying water vapor to the anode in a variable supply flow rate A method for stopping a solid oxide fuel cell, comprising:
Along with the start of the stop process, the supply of fuel gas to the anode is stopped and water vapor flows to the anode, while the cooling process is performed by flowing air to the cathode, the temperature of the anode and the cathode The flow rate of water vapor flowing to the anode and the flow rate of air flowing to the cathode are respectively controlled to increase / decrease so that the temperature difference between the two temperature values falls within a certain range. And
As initial values of the water vapor flow rate flowing through the anode and the air flow rate flowing through the cathode, the heat transfer characteristics between the water vapor and the anode and the heat transfer characteristics between the air and the cathode are equal to each other. the Reynolds number on you out split made, to be set on the basis of the Reynolds number of indexing,
Solid body oxide fuel cell how to stop, characterized in that. 請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
上記アノードの温度及び上記カソードの温度が互いに実質的に等しくなるように、上記アノードに流す水蒸気流量及び上記カソードに流す空気流量の両流量値をそれぞれ増減変更制御するようにする、固体酸化物型燃料電池の停止方法。 A method for stopping a solid oxide fuel cell according to claim 1,
Solid oxide type, wherein both the flow rate value of water vapor flowing to the anode and the flow rate of air flowing to the cathode are controlled to increase / decrease so that the temperature of the anode and the temperature of the cathode are substantially equal to each other How to stop the fuel cell. 請求項１又は請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池の停止方法であって、
上記アノードに対し空気を供給流量可変に供給する空気供給回路をさらに備え、上記アノードに対する水蒸気の供給と、カソードに対する空気の供給とによって上記アノード又はカソードの温度値が設定値まで低下したとき、上記アノードに対する水蒸気の供給を停止し、代わりに上記空気供給回路からアノードに対し空気を供給して水蒸気をパージするようにする、固体酸化物型燃料電池の停止方法。 A method for stopping a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2 ,
An air supply circuit for supplying air to the anode at a variable supply flow rate, and when the temperature value of the anode or the cathode is lowered to a set value by the supply of water vapor to the anode and the supply of air to the cathode, A method for stopping a solid oxide fuel cell, wherein supply of water vapor to the anode is stopped, and instead, air is supplied from the air supply circuit to the anode to purge water vapor.
JP2009226725A 2009-09-30 2009-09-30 Method for stopping solid oxide fuel cell Expired - Fee Related JP5521467B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009226725A JP5521467B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Method for stopping solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009226725A JP5521467B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Method for stopping solid oxide fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2011076846A JP2011076846A (en) 2011-04-14
JP5521467B2 true JP5521467B2 (en) 2014-06-11

Family

ID=44020635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009226725A Expired - Fee Related JP5521467B2 (en) 2009-09-30 2009-09-30 Method for stopping solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5521467B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5988037B2 (en) * 2012-03-23 2016-09-07 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5316830B1 (en) * 2012-03-23 2013-10-16 Ｔｏｔｏ株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5316829B1 (en) * 2012-04-09 2013-10-16 Ｔｏｔｏ株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5991673B2 (en) * 2013-01-28 2016-09-14 三菱日立パワーシステムズ株式会社 Combined power generation system operation control device, combined power generation system, and combined power generation system operation method
JP6183775B2 (en) * 2013-03-25 2017-08-23 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell system
JP6183774B2 (en) * 2013-03-25 2017-08-23 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell system
CN108370051B (en) * 2015-12-15 2020-03-10 日产自动车株式会社 Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP6707894B2 (en) * 2016-02-23 2020-06-10 アイシン精機株式会社 Fuel cell system

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005282951A (en) * 2004-03-30 2005-10-13 Institute Of Tsukuba Liaison Co Ltd Heat exchanger having integrated laminate structure
CA2562716C (en) * 2004-04-15 2012-08-28 Versa Power Systems, Ltd. Fuel cell shutdown with steam purging
JP4906242B2 (en) * 2004-05-28 2012-03-28 京セラ株式会社 How to shut down the fuel cell
JP4924787B2 (en) * 2005-04-26 2012-04-25 日産自動車株式会社 Fuel cell stack structure
JP5064861B2 (en) * 2007-03-30 2012-10-31 アズビル株式会社 FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING FUEL CELL SYSTEM

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011076846A (en) 2011-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5521467B2 (en) Method for stopping solid oxide fuel cell
US10396377B2 (en) Fuel cell device
EP2237354B1 (en) Fuel cell system
JP5253134B2 (en) Fuel cell device
CN109643811A (en) Catalyst degradation recovery device and catalyst degradation restoration methods
JP2013073903A (en) Solid oxide fuel cell
JP5408994B2 (en) Fuel cell device
JP5101360B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP2017050049A (en) Fuel battery system
JP5926135B2 (en) Fuel cell device
JP5902542B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP5148681B2 (en) Fuel cell system
JP2010267450A (en) Fuel cell system
JP2016122507A (en) Solid oxide type fuel battery
JP6050036B2 (en) Fuel cell device
JP2023007050A (en) Fuel cell system and method of controlling fuel cell system
JP2009110666A (en) Fuel cell system and its control method
JP2007200771A (en) Reforming catalyst temperature control system and control method of fuel cell power generator
JP5231896B2 (en) Fuel cell system
JP6148072B2 (en) Fuel cell device
JP7422007B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP7409971B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JPH08111228A (en) Fuel cell power generation plant
JP2010108770A (en) Fuel cell power generation system, and control method of fuel cell power generation system
JP2006100153A (en) Operation method of solid oxide fuel cell, and power generation facility of solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20120822

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20131031

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131203

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140203

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: 20140311

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140324

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5521467

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees