JP7221641B2 - Solid oxide fuel cell system - Google Patents

Solid oxide fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
JP7221641B2
JP7221641B2 JP2018191791A JP2018191791A JP7221641B2 JP 7221641 B2 JP7221641 B2 JP 7221641B2 JP 2018191791 A JP2018191791 A JP 2018191791A JP 2018191791 A JP2018191791 A JP 2018191791A JP 7221641 B2 JP7221641 B2 JP 7221641B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
gas
gas supply
air
fuel gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2018191791A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020061268A (en
Inventor
稔 鈴木
将和 依田
伸 岩田
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.)
Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Gas Co Ltd filed Critical Osaka Gas Co Ltd
Priority to JP2018191791A priority Critical patent/JP7221641B2/en
Publication of JP2020061268A publication Critical patent/JP2020061268A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7221641B2 publication Critical patent/JP7221641B2/en
Active 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、水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide fuel cell system having a cell stack that generates power through a fuel cell reaction between hydrogen gas and oxygen in the air.

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

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

この固体酸化物形燃料電池システムでは、基本的に昼夜連続運転が行われ、熱利用に関しては、貯湯タンクが活用され、貯湯タンクに貯湯された温水を熱需要に対応させることにより、高い運転効率を保っている。現状の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、７００Ｗ程度の発電出力規模でも高い発電効率を得ることができ、２０１８年時点で市販されている家庭用の固体酸化物形燃料電池システムでは、定格発電効率が５２％程度（ＡＣ送電端、低位発熱量基準）となっている。発電効率が高いと、熱需要の少ない住宅に設置しても設置者は経済的メリットが得られ、対象市場の拡大が見込めるので、発電効率の向上が貯湯タンクの小型化とセットで市場拡大策として推進されている。今後、さらに発電効率が向上すれば、熱利用なし、もしくは貯湯タンクなしの簡易な熱利用形態で、設置者は経済的メリット、環境性が得られることになり、発電効率の一層の向上が重要となっている。 This solid oxide fuel cell system basically operates continuously day and night, and with regard to heat utilization, a hot water storage tank is used. keeps In the current solid oxide fuel cell system, high power generation efficiency can be obtained even at a power generation output scale of about 700 W. The efficiency is about 52% (AC sending end, lower heating value standard). If the power generation efficiency is high, the installer can obtain economic benefits even if it is installed in a house with low heat demand, and the target market is expected to expand. promoted as In the future, if the power generation efficiency is further improved, the installer will be able to obtain economic benefits and environmental friendliness with a simple form of heat utilization without heat utilization or hot water storage tanks, so further improvement of power generation efficiency is important. It has become.

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

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

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

このような固体酸化物燃料電池システムの発電効率は、燃料電池セルの平均発電電圧と燃料利用率との積にほぼ比例しており、この燃料利用率を高めていくと、燃料電池セルの燃料極側ガス中の水素（Ｈ２）が消費されて水（Ｈ２Ｏ）が生成されていく。一般的に、固体酸化物形の燃料電池セルの燃料極は、金属ニッケル粒子がセラミックス粒子とともに存在するサーメット（金属ニッケルとセラミックスの混合物）が用いられており、それ故に、燃料利用率を高めて水に対する水素の比率（Ｈ２／Ｈ２Ｏ）が高まっていくと、金属ニッケル粒子が酸化しはじめることになる。燃料電池セルの燃料極側の金属ニッケル粒子が酸化すると、その電気抵抗が増大するので、燃料電池セルの燃料極側出口付近では発電が行われなくなり、これにより、燃料電池セルの燃料極側のニッケル粒子が酸化する領域が広がり、発電が困難な領域が拡大していくことになる。 The power generation efficiency of such a solid oxide fuel cell system is approximately proportional to the product of the average generated voltage of the fuel cell and the fuel utilization rate. Hydrogen (H 2 ) in the pole-side gas is consumed to produce water (H 2 O). In general, the fuel electrode of a solid oxide fuel cell uses a cermet (a mixture of metallic nickel and ceramics) in which metallic nickel particles are present together with ceramic particles. As the hydrogen to water ratio (H 2 /H 2 O) increases, the metallic nickel particles will begin to oxidize. When the metal nickel particles on the fuel electrode side of the fuel cell are oxidized, their electrical resistance increases, so that no power is generated in the vicinity of the fuel electrode side exit of the fuel cell. The area where nickel particles are oxidized will expand, and the area where power generation will be difficult will expand.

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

また、反応平衡上、固体酸化物形の燃料電池セル（セルスタック）の作動温度範囲においては、水素（Ｈ２）：水（Ｈ２０）が５：９５より水素（Ｈ２）が少ないと酸化することが知られている。実際には、燃料電池セルの電解質／燃料極界面で発電によって水蒸気が生成されるので、バルク（ガス流路）よりも電解質／燃料極界面ではＨ２／Ｈ２０の値が下がる傾向にある。更に、燃料ガスの各燃料電池セルへの分配状態、燃料電池セル内での燃料ガス分配状態といったものも加わって、実際に使える燃料利用率の上限は、水素（Ｈ２）：水（Ｈ２０）が５：９５になるよりもかなり低い燃料利用率に制限されている。 In addition, in terms of reaction equilibrium, in the operating temperature range of the solid oxide fuel cell (cell stack), if hydrogen (H 2 ):water (H 2 0) is less than 5:95, hydrogen (H 2 ) is known to oxidize. In fact, since water vapor is generated by power generation at the electrolyte/anode interface of the fuel cell, the H 2 /H 2 0 value tends to be lower at the electrolyte/anode interface than in the bulk (gas flow path). . In addition, the distribution state of the fuel gas to each fuel cell and the distribution state of the fuel gas within the fuel cell are also added, and the upper limit of the fuel utilization rate that can actually be used is hydrogen (H 2 ):water (H 2 0) is limited to much lower fuel utilization than 5:95.

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

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

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

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

このような固体酸化物形燃料電池システムにおいては、燃料ガスとして水素ガスを用いて発電を行うことができる。一般的に、燃料電池システムにおける直流発電効率は、燃料電池セルのセル平均電圧と燃料利用率との積に比例するが、燃料ガスとして水素ガスを用いて発電した場合におけるこの直流発電効率は、同一のセル平均電圧及び同一の燃料利用率としたとしても燃料ガスとして天然ガスで代表される炭化水素燃料ガスを用いて発電をした場合に比して７～１０ポイント低下するというデメリットがある。 In such a solid oxide fuel cell system, electricity can be generated using hydrogen gas as the fuel gas. In general, the DC power generation efficiency in a fuel cell system is proportional to the product of the cell average voltage of the fuel cell and the fuel utilization rate. Even with the same cell average voltage and the same fuel utilization rate, there is a demerit of 7 to 10 points lower than in the case of power generation using hydrocarbon fuel gas represented by natural gas as fuel gas.

燃料ガスとして水素ガスを用いた場合におけるこのデメリットを少しでも解消するために、セルスタックからの燃料オフガスの一部を燃料ガス供給手段に戻すようにすることも考えられるが、燃料オフガスをリサイクルして発電効率を高めるようにしたときにはセルスタックのダメージを抑えるために適正な燃料利用率を保つことが望まれる。 In order to eliminate this demerit when hydrogen gas is used as the fuel gas, it is conceivable to return part of the fuel off-gas from the cell stack to the fuel gas supply means. In order to suppress damage to the cell stack, it is desired to maintain an appropriate fuel utilization rate when the power generation efficiency is to be increased by means of

本発明の目的は、燃料オフガスをリサイクルしても適正な燃料利用率を保つことができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell system capable of maintaining an appropriate fuel utilization rate even when fuel off-gas is recycled.

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、

燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記燃料オフガス送給流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路における前記冷却器の配設部位より下流側に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に前記燃料オフガス送給流路には酸素濃度を検知するための酸素イオン導電性の酸素濃度検知手段が設けられており、

前記セルスタックからの燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃焼器に送給され、前記冷却器から前記燃焼器に送給される燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧により前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記酸素濃度検知手段の検知濃度が設定値を超えると前記燃料ガス供給手段の回転数を増大させ、燃料ガスの供給流量を増加させて燃料利用率を下げることを特徴とする。 A solid oxide fuel cell system according to claim 1 of the present invention comprises a cell stack that generates power through a fuel cell reaction between hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, and hydrogen gas on the fuel electrode side of the cell stack. a fuel gas supply passage for guiding gas; a fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through the fuel gas supply passage; a fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas; an air supply passage for guiding air to the air electrode side of the stack; air supply means for supplying air through the air supply passage; fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack; a combustor for burning the air off-gas after the power generation reaction; a fuel off-gas supply passage for guiding the fuel off-gas from the cell stack to the combustor; and a fuel off-gas from the cell stack to the combustor. and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means, wherein

A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided , the cooler is arranged in the fuel off-gas supply passage, and the fuel gas pressure adjusting means is disposed on the upstream side of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and the upstream side of the recycling passage is disposed in the fuel off-gas supply passage at the location of the cooler. is connected further downstream, the downstream side is connected between the arrangement portion of the fuel gas pressure adjustment means and the arrangement portion of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and further the fuel off-gas An oxygen ion-conducting oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration is provided in the feed channel,

The fuel off-gas from the cell stack is supplied to the combustor after being cooled by the cooler, and part of the fuel off-gas supplied to the combustor from the cooler is supplied to the fuel gas supply means. is returned to the fuel gas supply passage through the recycling passage by the negative pressure generated by the operation of the controller, and the controller reduces the rotation speed of the fuel gas supply means when the concentration detected by the oxygen concentration detection means exceeds a set value. It is characterized by increasing the supply flow rate of the fuel gas and lowering the fuel utilization rate .

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、

燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記燃料オフガス送給流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路における前記冷却器の配設部位より下流側に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に前記燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設されるとともに、前記リサイクル流路にリサイクル弁が配設されており、

前記セルスタックからの燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃焼器に送給され、前記冷却器から前記燃焼器に送給される燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧により前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると前記温度検知手段からの検知信号に基づいて前記リサイクル弁を開状態にすることを特徴とする。 Further, the solid oxide fuel cell system according to claim 2 of the present invention includes a cell stack that generates power by a fuel cell reaction of hydrogen gas as fuel gas and oxygen in the air, and a fuel electrode side of the cell stack. a fuel gas supply passage for guiding hydrogen gas to the fuel gas supply passage, a fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through the fuel gas supply passage, a fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas; an air supply channel for introducing air to the air electrode side of the cell stack; air supply means for supplying air through the air supply channel; fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack; a combustor for burning the air off-gas after the power generation reaction of the stack; a fuel off-gas supply passage for guiding the fuel off-gas from the cell stack to the combustor; and the air off-gas from the cell stack. A solid oxide fuel cell system comprising: an air off-gas supply passage leading to a combustor; and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means,

A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided , the cooler is arranged in the fuel off-gas supply passage , and the fuel gas pressure adjusting means is disposed on the upstream side of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and the upstream side of the recycling passage is disposed in the fuel off-gas supply passage at the location of the cooler. is connected further downstream, the downstream side is connected between the arrangement portion of the fuel gas pressure adjusting means and the arrangement portion of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and further the fuel gas temperature sensing means is provided in association with the supply means, and a recycling valve is provided in the recycling flow path;

The fuel off-gas from the cell stack is supplied to the combustor after being cooled by the cooler, and part of the fuel off-gas supplied to the combustor from the cooler is supplied to the fuel gas supply means. is returned to the fuel gas supply passage through the recycling passage by the negative pressure generated by the operation of the controller, and the controller responds to the detection signal from the temperature detection means when the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature. The recycle valve is opened based on the above.

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、

燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記リサイクル流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に前記燃料オフガス送給流路には酸素濃度を検知するための酸素イオン導電性の酸素濃度検知手段が設けられており、

前記セルスタックからの燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧によって前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に流れ、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記酸素濃度検知手段の検知濃度が設定値を超えると前記燃料ガス供給手段の回転数を増大させ、燃料ガスの供給流量を増加させて燃料利用率を下げることを特徴とする。 In addition, a solid oxide fuel cell system according to claim 3 of the present invention comprises a cell stack that generates power by a fuel cell reaction of hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, and a fuel electrode side of the cell stack. a fuel gas supply passage for guiding hydrogen gas to the fuel gas supply passage, a fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through the fuel gas supply passage, a fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas; an air supply channel for introducing air to the air electrode side of the cell stack; air supply means for supplying air through the air supply channel; fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack; a combustor for burning the air off-gas after the power generation reaction of the stack; a fuel off-gas supply passage for guiding the fuel off-gas from the cell stack to the combustor; and the air off-gas from the cell stack. A solid oxide fuel cell system comprising: an air off-gas supply passage leading to a combustor; and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means,

A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided, the cooler is arranged in the recycling passage, and the fuel gas pressure adjusting means The fuel gas supply means is arranged in the fuel gas supply channel upstream of the location where the fuel gas supply means is arranged, the upstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel, and the downstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel. It is connected between the portion where the fuel gas pressure adjusting means is arranged and the portion where the fuel gas supply means is arranged in the gas supply passage . An ionically conductive oxygen concentration detection means is provided,

Part of the fuel off-gas from the cell stack flows into the fuel gas supply passage through the recycling passage due to the negative pressure generated by the operation of the fuel gas supply means, and the fuel off-gas flowing through the recycling passage is After being cooled by a cooler, it is returned to the fuel gas supply passage, and the controller increases the rotation speed of the fuel gas supply means when the concentration detected by the oxygen concentration detection means exceeds a set value, and the fuel gas is is characterized by increasing the supply flow rate of the fuel and lowering the fuel utilization rate .

更に、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、

燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記リサイクル流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に 前記燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設されるとともに、前記リサイクル流路にリサイクル弁が配設されており、
前記セルスタックからの燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧によって前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に流れ、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると前記温度検知手段からの検知信号に基づいて前記リサイクル弁を開状態にすることを特徴とする。 Further, the solid oxide fuel cell system according to claim 4 of the present invention comprises a cell stack that generates power by a fuel cell reaction with hydrogen gas as fuel gas and oxygen in the air, and a fuel electrode side of the cell stack. a fuel gas supply passage for guiding hydrogen gas to the fuel gas supply passage, a fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through the fuel gas supply passage, a fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas; an air supply channel for introducing air to the air electrode side of the cell stack; air supply means for supplying air through the air supply channel; fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack; a combustor for burning the air off-gas after the power generation reaction of the stack; a fuel off-gas supply passage for guiding the fuel off-gas from the cell stack to the combustor; and the air off-gas from the cell stack. A solid oxide fuel cell system comprising: an air off-gas supply passage leading to a combustor; and a controller for controlling the operation of the fuel gas supply means and the air supply means,

A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided, the cooler is arranged in the recycling passage, and the fuel gas pressure adjusting means The fuel gas supply means is arranged in the fuel gas supply channel upstream of the location where the fuel gas supply means is arranged, the upstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel, and the downstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel. A temperature detection means is connected between a portion where the fuel gas pressure adjusting means is arranged and a portion where the fuel gas supply means is arranged in the gas supply flow path, and further a temperature detection means is arranged in relation to the fuel gas supply means. and a recycling valve is disposed in the recycling flow path,
Part of the fuel off-gas from the cell stack flows into the fuel gas supply passage through the recycling passage due to the negative pressure generated by the operation of the fuel gas supply means, and the fuel off-gas flowing through the recycling passage is After the fuel gas is cooled by a cooler, it is returned to the fuel gas supply passage, and when the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature, the controller closes the recycle valve based on a detection signal from the temperature detection means. is opened.

本発明の請求項１及び３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの燃料極側に燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、セルスタックの空気極側に空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスとセルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器とを備え、更に、燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられているので、燃料オフガスが冷却器にて冷却されてこの燃料オフガスに含まれる水蒸気が凝縮されて除去され、水蒸気が除去された燃料オフガス（ほとんど水素ガスのみとなる）が燃料ガス供給流路に戻され、これによって、システムの発電効率を高めることができる。 According to the solid oxide fuel cell system according to claims 1 and 3 of the present invention, a cell stack that generates power by a fuel cell reaction of hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, and a fuel electrode of the cell stack fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through the fuel gas supply channel to the side of the cell stack, air supply means for supplying air through the air supply channel to the air electrode side of the cell stack, and power generation reaction in the cell stack a combustor for combusting the post-fuel off-gas and air off-gas after the power generation reaction of the cell stack, and further a cooler for cooling the fuel off-gas and a recycle stream for recycling a portion of the fuel off-gas. Since the passage is provided, the fuel off-gas is cooled by the cooler, the water vapor contained in this fuel off-gas is condensed and removed, and the fuel off-gas from which the water vapor is removed (almost hydrogen gas only) becomes the fuel gas. It is returned to the feed channel, which can increase the power generation efficiency of the system.

また、燃料ガスとしての水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段が燃料ガス供給流路における燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、リサイクル流路の下流側が燃料ガス供給流路における燃料ガス圧力調整手段の配設部位と燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続されているので、燃焼器に送給される燃料オフガスの一部を燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧を利用してリサイクル流路を通して燃料ガス供給流路に戻すことができる。 Further, the fuel gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the hydrogen gas as the fuel gas is arranged upstream of the arrangement portion of the fuel gas supply means in the fuel gas supply channel, and the downstream side of the recycling channel is the fuel gas. Since it is connected between the location of the fuel gas pressure adjustment means and the location of the fuel gas supply means in the gas supply passage, part of the fuel off-gas supplied to the combustor is supplied to the fuel gas supply means. can be returned to the fuel gas supply channel through the recycling channel using the negative pressure generated by the operation of .

また、燃料オフガス送給流路に酸素濃度を検知するための酸素イオン導電性の酸素濃度検知手段が設けられているので、この酸素濃度検知手段の検知濃度に基づいて燃料ガス供給手段を作動制御する、即ちこの検知濃度が設定値を超えると燃料ガスの供給流量を増大させて燃料利用率を下げることにより、燃料オフガスのリサイクル率が経時的にずれたとしても燃料利用率が大きく変動することがなく、長期にわたって適正な燃料利用率に保って運転することができる。 Further, since an oxygen ion-conducting oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration is provided in the fuel off-gas supply passage, the operation of the fuel gas supply means is controlled based on the concentration detected by the oxygen concentration detection means. That is, when the detected concentration exceeds the set value, the fuel gas supply flow rate is increased to lower the fuel utilization rate, so that even if the fuel off-gas recycling rate deviates over time, the fuel utilization rate will fluctuate greatly. Therefore, it is possible to maintain an appropriate fuel utilization rate over a long period of time.

また、本発明の請求項２及び４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、それらの基本的構成が本発明の請求項１及び３に記載の発明と同様であるので、上述したと同様の効果を奏することができる。加えて、燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設され、この温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると、リサイクル弁が開状態となって燃料オフガスの一部が燃料ガス供給手段の上流側にリサイクルされるので、燃料ガス供給手段の温度状態が低いときに燃料オフガスがリサイクル流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に流れることはなく、その結果、燃料ガス供給手段における結露発生を抑えることができる。 Further, according to the solid oxide fuel cell systems of claims 2 and 4 of the present invention , the basic configuration thereof is the same as that of the inventions of claims 1 and 3 of the present invention. Similar effects can be obtained. In addition, a temperature detection means is provided in relation to the fuel gas supply means, and when the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature, the recycle valve is opened and a part of the fuel off-gas is converted into fuel gas. Since it is recycled to the upstream side of the fuel gas supply means, the fuel off-gas does not flow to the upstream side of the fuel gas supply means through the recycling channel when the temperature of the fuel gas supply means is low. Condensation can be suppressed.

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態の全体を示す簡略図。1 is a simplified diagram showing the entirety of a first embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention; FIG. 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態の全体を示す簡略図。FIG. 4 is a simplified diagram showing the entirety of a second embodiment of a solid oxide fuel cell system according to the present invention;

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

図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料ガスとして低圧（例えば、約２ｋＰａ）の水素ガスを消費して発電を行うものであり、燃料ガスとしての水素ガス及び酸化剤としての空気を用いて発電を行う固体酸化物形のセルスタック６を備えている。 In FIG. 1, the illustrated solid oxide fuel cell system 2 consumes hydrogen gas at a low pressure (for example, about 2 kPa) as fuel gas to generate power, and hydrogen gas as fuel gas and It is equipped with a solid oxide cell stack 6 that generates electricity using the air.

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

このセルスタック６の燃料極側８は、燃料ガス供給流路１４を介して水素ガスを供給するための燃料ガス供給源（図示せず）（例えば、水素ガスタンクなどから構成される）に接続され、燃料ガス供給源からの水素ガスが燃料ガス供給流路１４を通してセルスタック６の燃料極側８に供給される。 The fuel electrode side 8 of the cell stack 6 is connected to a fuel gas supply source (not shown) (consisting of, for example, a hydrogen gas tank) for supplying hydrogen gas through a fuel gas supply passage 14. , hydrogen gas from a fuel gas supply source is supplied to the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 through the fuel gas supply channel 14 .

この燃料ガス供給流路１４には、セルスタック６から上流側に向けて順に第１絞り部材２２、燃料ガスポンプ２４（燃料ガス供給手段を構成する）、第２絞り部材２６、圧力調整部材としてのゼロガバナ２８、燃料流量センサ３０（燃料流量計測手段を構成する）及び遮断弁３２が配設されている。燃料ガスポンプ２４は、燃料ガス供給流路１４を流れる水素ガスを昇圧してセルスタック６の燃料極側８に供給する。また、ゼロガバナ２８は、燃料ガス供給源（図示せず）から燃料ガス供給流路１４を通して供給される水素ガスを大気圧付近の所定圧力に調整し、燃料ガス流量センサ３０は、燃料ガス供給流路１４を通して供給される水素ガスの流量を測定し、遮断弁３２は、閉状態になると燃料ガス供給流路１４を遮断して水素ガスの供給を停止する。 In this fuel gas supply channel 14, there are, in order from the cell stack 6 toward the upstream side, a first throttling member 22, a fuel gas pump 24 (constituting fuel gas supply means), a second throttling member 26, and a pressure adjusting member. A zero governor 28, a fuel flow rate sensor 30 (constituting fuel flow rate measuring means), and a shutoff valve 32 are provided. The fuel gas pump 24 pressurizes the hydrogen gas flowing through the fuel gas supply passage 14 and supplies it to the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 . Further, the zero governor 28 adjusts the hydrogen gas supplied from the fuel gas supply source (not shown) through the fuel gas supply passage 14 to a predetermined pressure near atmospheric pressure, and the fuel gas flow rate sensor 30 detects the fuel gas supply flow rate. The flow rate of the hydrogen gas supplied through the passage 14 is measured, and when the shutoff valve 32 is closed, it shuts off the fuel gas supply passage 14 to stop the supply of hydrogen gas.

また、燃料ガスポンプ２４の両側に位置する第１及び第２絞り部材２２，２６は、燃料ガス供給流路１４を流れる水素ガスの流量を安定させるために設けられ、第１絞り部材２２は例えばキャピラリー管から構成され、第２絞り部材２６は、例えば小さいオリフィスを有する絞り部材から構成される。また、燃料ガス流量センサ３０は、例えば熱式流量センサから構成することができ、この熱式流量センサを用いることにより、水素ガスの流量を瞬時に計測することができる。尚、水素ガスを安定的して供給することができるときには、第１絞り部材２２を省略するようにしてもよく、また第２絞り部材２６に代えてバッファ－タンクを用いるようにしてもよい。 First and second throttle members 22 and 26 located on both sides of the fuel gas pump 24 are provided to stabilize the flow rate of hydrogen gas flowing through the fuel gas supply passage 14. The first throttle member 22 is, for example, a capillary. Consisting of a tube, the second throttling member 26 consists of, for example, a throttling member having a small orifice. Further, the fuel gas flow sensor 30 can be composed of, for example, a thermal flow sensor, and by using this thermal flow sensor, the flow rate of hydrogen gas can be instantaneously measured. When hydrogen gas can be stably supplied, the first throttle member 22 may be omitted, or the second throttle member 26 may be replaced with a buffer tank.

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

この実施形態では、燃料ガスポンプ２４及び空気ブロア４０は、例えば、システム全体を制御するためのコントローラ（例えば、マイクロプロセッサから構成される）（図示せず）により制御される。燃料ガスポンプ２４（及び空気ブロア４０）の回転制御は、駆動電流のデューティ比（所謂、駆動デューティ比）でもって制御され、駆動デューティ比が大きくなると、燃料ガスポンプ２４（及び空気ブロア４０）の回転数が大きくなって水素ガス（及び空気）の供給流量が増え、一方駆動デューティ比が小さくなると、燃料ガスポンプ２４（及び空気ブロア４０）の回転数が小さくなって水素ガス（及び空気）の供給流量が減少し、このようにして水素ガス（及び空気）の供給流量が制御される。 In this embodiment, the fuel gas pump 24 and air blower 40 are controlled by, for example, a controller (eg, comprising a microprocessor) (not shown) for controlling the overall system. The rotation control of the fuel gas pump 24 (and the air blower 40) is controlled by the duty ratio of the drive current (so-called drive duty ratio). increases and the supply flow rate of hydrogen gas (and air) increases. and thus the hydrogen gas (and air) feed rate is controlled.

セルスタック６の燃料極側８から排出される燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）は、後に詳述するように、燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給され、またセルスタック６の空気極側３６から排出される空気オフガス（即ち、カソードオフガス）は、空気オフガス送給流路４８を通して燃焼器４６に送給され、この燃焼器４６において、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（水素ガスを含んでいる）と空気極側３６からの空気オフガス（酸素を含んでいる）とが燃焼され、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して高温ハウジング５４（後述する）内が加熱される。燃焼器４６からの燃焼排気ガスは排気ガス排出流路５０を通して大気に排出される。 Fuel off-gas (that is, anode off-gas) discharged from the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 is supplied to the combustor 46 through the fuel off-gas supply passage 44, as will be described in detail later. Air off-gas discharged from the cathode side 36 (that is, cathode off-gas) is fed through an air off-gas feed channel 48 to a combustor 46 where it is fed from the fuel electrode side 8 of the cell stack 6. The fuel off-gas (containing hydrogen gas) and the air off-gas (containing oxygen) from the cathode side 36 are combusted, and the combustion heat of the fuel off-gas is used to heat the inside of the high temperature housing 54 (described later). heated. Combustion exhaust gas from the combustor 46 is discharged to the atmosphere through an exhaust gas discharge passage 50 .

この実施形態では、排気ガス排出流路５０に関連して第１熱交換器５６が配設され、この第１熱交換器５６は、燃焼器４６から排気ガス排出流路５０を流れる燃焼排気ガスと空気供給流路３８を流れる空気との間で熱交換を行い、この熱交換により加熱された空気がセルスタック６の空気極側３６に供給される。 In this embodiment, a first heat exchanger 56 is disposed in association with the exhaust gas discharge flow path 50 , the first heat exchanger 56 disposing the combustion exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge flow path 50 from the combustor 46 . and the air flowing through the air supply passage 38 , and the air heated by this heat exchange is supplied to the air electrode side 36 of the cell stack 6 .

この実施形態では、セルスタック６、燃焼器４６及び第１熱交換器５６が高温ハウジング５４に収容されている。この高温ハウジング５４は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）であり、その内面は断熱部材（図示せず）で覆われており、その内側に高温空間５８を規定し、セルスタック６、燃焼器４６及び第１熱交換器５６がこの高温空間５８内で高温状態に保たれる。 In this embodiment, cell stack 6 , combustor 46 and first heat exchanger 56 are housed in high temperature housing 54 . The high-temperature housing 54 is made of metal (for example, stainless steel), the inner surface of which is covered with a heat insulating member (not shown), and defines a high-temperature space 58 inside thereof, the cell stack 6 and the combustor. 46 and first heat exchanger 56 are kept hot in this hot space 58 .

この固体酸化物形燃料電池システム２では、更に、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（アノードオフガス）の一部が燃料ガス供給流路１４に戻されるように構成されている。この実施形態では、燃料オフガス送給流路４４から分岐してリサイクル流路６６が設けられ、このリサイクル流路６６に第２熱交換器６０が配設されている。リサイクル流路６６の一端側は、高温ハウジング５４内にて燃料オフガス送給流路４４に接続され、その他端側は、高温ハウジング５４外に導出されて燃料ガス供給流路１４（具体的には、燃料ガスポンプ２４と第２絞り部材２６との間の部位）に接続され、第２熱交換器６０は、リサイクル流路６６における高温ハウジング５４外に導出された部位に配設されている。 The solid oxide fuel cell system 2 is further configured such that part of the fuel off-gas (anode off-gas) from the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 is returned to the fuel gas supply channel 14 . In this embodiment, a recycle channel 66 is provided by branching from the fuel offgas supply channel 44 , and the second heat exchanger 60 is arranged in this recycle channel 66 . One end of the recycle channel 66 is connected to the fuel off-gas supply channel 44 inside the high temperature housing 54, and the other end is led out of the high temperature housing 54 and connected to the fuel gas supply channel 14 (specifically, the fuel gas supply channel 14). , a portion between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26 ), and the second heat exchanger 60 is disposed in a portion of the recycle flow path 66 led out of the high temperature housing 54 .

この第２熱交換器６０は、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ－ジェネレーションシステム用の貯湯装置（図示せず）の循環流路６２と組み合わせて用いられ、リサイクル流路６６を流れる燃料オフガスと貯湯装置からの水との間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された温水が貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）に貯えられる。この第２熱交換器６０は、燃料オフガスを冷却するための冷却器として機能し、冷却された燃料オフガスが燃料ガス供給流路１４に戻される。 This second heat exchanger 60 is used, for example, in combination with a circulation flow path 62 of a hot water storage device (not shown) for a co-generation system for storing the heat of the fuel off-gas as hot water. Heat is exchanged between the fuel off-gas flowing through the water tank and the water from the hot water storage device, and hot water heated by this heat exchange is stored in a hot water storage tank (not shown) of the hot water storage device. This second heat exchanger 60 functions as a cooler for cooling the fuel off-gas, and the cooled fuel off-gas is returned to the fuel gas supply passage 14 .

この第２熱交換器６０の下流側にはドレンセパレータ６４が配設され、第２熱交換器６０による熱交換によって冷却された燃料オフガスに含まれた水蒸気は凝縮されて水となり、この凝縮水がドレンセパレータ６４において燃料オフガスから分離されて外部に排水される。 A drain separator 64 is disposed downstream of the second heat exchanger 60, and water vapor contained in the fuel off-gas cooled by heat exchange by the second heat exchanger 60 is condensed into water. is separated from the fuel off-gas at the drain separator 64 and drained to the outside.

次に、この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転について説明する。発電運転のときには、燃料ガス供給源（図示せず）からの燃料ガスとしての水素ガスが、燃料ガスポンプ２４によって燃料ガス供給流路１４を通して供給され、かく供給される燃料ガス（水素ガス）には、上述したようにしてリサイクル流路６６を通してリサイクルされる燃料オフガス（アノードオフガス）が混合され、混合された混合ガスが燃料ガスポンプ２４に送給され、燃料ガスポンプ２４により昇圧された混合ガスが燃料ガス供給流路１４を通してセルスタック６の燃料極側８に送給される。また、空気ブロア４０からの空気が空気供給流路３８を通してセルスタック６の空気極側３６に送給される。 Next, the power generation operation of this solid oxide fuel cell system 2 will be described. During power generation operation, hydrogen gas as fuel gas from a fuel gas supply source (not shown) is supplied by the fuel gas pump 24 through the fuel gas supply passage 14, and the supplied fuel gas (hydrogen gas) , the fuel off-gas (anode off-gas) recycled through the recycling passage 66 as described above is mixed, the mixed gas is fed to the fuel gas pump 24, and the mixed gas pressurized by the fuel gas pump 24 becomes the fuel gas. It is fed to the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 through the feed channel 14 . Also, the air from the air blower 40 is supplied to the air electrode side 36 of the cell stack 6 through the air supply channel 38 .

セルスタック６においては、燃料極側８を流れる水素ガス及び空気極側３６を流れる空気（空気中の酸素）による燃料電池反応によって発電が行われ、発電により得られた直流の電力は、図示していないが、パワーコンディショナーを通して交流電力に変換されて家庭用の需要端に供給される。このような固体酸化物形燃料電池システムにおける燃料利用率とは、燃料ガス流量センサ３０（燃料ガス流量計測手段）を通過した燃料ガス（水素ガス）のうちセルスタック６の燃料極側８で酸化する割合、換言するとセルスタック６での発電で消費される割合をいう。 In the cell stack 6, power is generated by a fuel cell reaction of hydrogen gas flowing on the fuel electrode side 8 and air (oxygen in the air) flowing on the air electrode side 36. However, it is converted to AC power through a power conditioner and supplied to the household demand end. The fuel utilization rate in such a solid oxide fuel cell system means that the fuel gas (hydrogen gas) that has passed through the fuel gas flow rate sensor 30 (fuel gas flow rate measuring means) is oxidized at the fuel electrode side 8 of the cell stack 6. In other words, it refers to the rate of consumption in power generation in the cell stack 6 .

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

この発電運転中においては、第１熱交換器５６において、排気ガス排出流路５０を流れる燃焼排気ガスと空気供給流路３８を流れる空気との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック６の空気極側３６に送給される。 During the power generation operation, in the first heat exchanger 56, heat is exchanged between the combustion exhaust gas flowing through the exhaust gas discharge passage 50 and the air flowing through the air supply passage 38, and heat is generated by this heat exchange. The depressurized air is delivered to the cathode side 36 of the cell stack 6 .

また、燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給される燃料オフガスの一部がリサイクル流路６６を通して燃料ガス供給流路１４に戻される。このとき、第２熱交換器６０において、リサイクル流路６６を流れる燃料オフガスと例えば貯湯装置の循環流路６２を流れる水との間で熱交換が行われ、この熱交換により燃料オフガス中の水蒸気が凝縮され、この凝縮水がドレンセパレータ６４にて除去された後に燃料ガス供給流路１４（具体的には、燃料ガスポンプ２４と第２絞り部材２６との間の部位）に戻され、この熱交換により加温された温水が貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）に貯えられる。 Also, part of the fuel off-gas that is delivered to the combustor 46 through the fuel off-gas delivery channel 44 is returned to the fuel gas supply channel 14 through the recycling channel 66 . At this time, in the second heat exchanger 60, heat is exchanged between the fuel off-gas flowing through the recycling flow path 66 and the water flowing through the circulation flow path 62 of the hot water storage device, for example. is condensed, and after this condensed water is removed by the drain separator 64, it is returned to the fuel gas supply passage 14 (specifically, the portion between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26), and this heat Hot water heated by the exchange is stored in a hot water storage tank (not shown) of the hot water storage device.

この実施形態では、リサイクル流路６６の下流側が燃料ガス供給流路１４における燃料ガスポンプ２４と第２絞り部材２６との間の部位、換言すると燃料ガスポンプ２４とゼロガバナ８（圧力調整部材）との間の部位に接続されているので、燃料ガスポンプ２４の作動状態においては燃料ガスポンプ２４の上流側に負圧が生成され、かかる負圧により燃料オフガス送給流路４４を流れる燃料オフガスの一部がリサイクル流路６６を通して燃料ガス供給流路１４に流れ、これにより、リサイクルブロア（燃料オフガスの一部をリサイクル流路６６を通して送給するためのブロア）やエゼクタ（燃料ガスの流れを利用して燃料オフガスの一部を吸引するための吸引装置）などを用いることなく燃料オフガスの一部を燃料ガス供給流路１４に戻すことができる。 In this embodiment, the downstream side of the recycling passage 66 is located between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26 in the fuel gas supply passage 14, in other words, between the fuel gas pump 24 and the zero governor 8 (pressure adjusting member). , a negative pressure is generated on the upstream side of the fuel gas pump 24 when the fuel gas pump 24 is in operation, and part of the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas supply passage 44 is recycled due to the negative pressure. It flows through the flow path 66 to the fuel gas supply flow path 14 , whereby a recycling blower (a blower for feeding a portion of the fuel off-gas through the recycling flow path 66 ) or an ejector (fuel off-gas using the fuel gas flow) A part of the fuel off-gas can be returned to the fuel gas supply channel 14 without using a suction device for sucking a part of the gas.

この固体酸化物形燃料電池システム２においては、燃料ガスとして水素ガスが用いられるので、セルスタック６の燃料極側８では水素ガスが酸化して水が生成されるのみであり、従って、燃料オフガスは水素ガスと水蒸気とが混合した混合ガスとなり、かかる混合ガスが燃焼器４６に送給され、またこの混合ガスから水蒸気が除去されたガス（即ち、水素ガス）がリサイクル流路６６を通して燃料ガス供給流路１４に戻される。 In this solid oxide fuel cell system 2, since hydrogen gas is used as the fuel gas, the hydrogen gas is only oxidized at the fuel electrode side 8 of the cell stack 6 to produce water. becomes a mixed gas in which hydrogen gas and water vapor are mixed, and the mixed gas is fed to the combustor 46, and the gas (i.e., hydrogen gas) obtained by removing the water vapor from the mixed gas is passed through the recycle flow path 66 as fuel gas. It is returned to the supply channel 14 .

このような固体酸化物形燃料電池システムでは、燃料オフガスのリサイクル率は主として、ａ）燃料ガス供給流路１４とリサイクル流路６６との接続部（即ち、燃料オフガスの合流部）からセルスタック６の燃料極側出口までの燃料ガス流路の流路抵抗と、ｂ）セルスタック６の燃料極側出口から排気ガス排出流路５０の排出口までの燃料オフガス流路の流路抵抗と、ｃ）リサイクル経路６６の流路抵抗と、ｄ）燃料ガスポンプ２４の上流側に生成される負圧によって決定される。このリサイクル率とは、燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給される燃料オフガスのうちリサイクル流路６６を通して燃料ガス供給流路１４に戻される割合をいう。 In such a solid oxide fuel cell system, the recycling rate of the fuel off-gas is mainly: b) the flow resistance of the fuel off-gas flow path from the fuel electrode side outlet of the cell stack 6 to the discharge port of the exhaust gas discharge flow path 50; and c d) the negative pressure generated upstream of the fuel gas pump 24; The recycling rate refers to the ratio of the fuel off-gas supplied to the combustor 46 through the fuel off-gas supply channel 44 that is returned to the fuel gas supply channel 14 through the recycling channel 66 .

１０年程度のメンテナンスフリーを目指す場合、これらのうちの変化の程度が大きいのは、ｂ）セルスタック６の燃料極側出口から排気ガス排出流路５０の排出口までにおける圧力損失への影響の大きい空気流量である。これは、セルスタック６が経時劣化したときに発熱が増えるが、この発熱によるセルスタック６の温度上昇を抑えるために空気の供給流量を多くし、この空気の供給流量によってセルスタック６の温度制御を行うためである。 In the case of aiming for maintenance-free operation for about 10 years, the degree of change among these is large due to b) the influence on the pressure loss from the fuel electrode side outlet of the cell stack 6 to the outlet of the exhaust gas discharge passage 50. Large air flow rate. When the cell stack 6 deteriorates over time, heat generation increases. In order to suppress the temperature rise of the cell stack 6 due to this heat generation, the air supply flow rate is increased, and the temperature of the cell stack 6 is controlled by this air supply flow rate. to do

そこで、かかる流路抵抗などの変化に伴うリサイクル率の変動による影響を抑えるために、燃料オフガス送給流路６６に酸素濃度を検知するための酸素濃度検知手段６８（酸素濃度検知センサ）が配設されている。この酸素濃度検知手段６８は、燃料オフガス送給流路６６の上流部（換言すると、セルスタック６の燃料極８側の下流側）に配設され、セルスタック６の燃料極８側から流れる燃料オフガスの酸素濃度を検知する。 Therefore, in order to suppress the influence of fluctuations in the recycling rate due to changes in the flow path resistance, etc., an oxygen concentration detection means 68 (oxygen concentration detection sensor) for detecting the oxygen concentration is arranged in the fuel offgas supply flow path 66. is set. The oxygen concentration detection means 68 is disposed upstream of the fuel off-gas supply flow path 66 (in other words, downstream of the fuel electrode 8 side of the cell stack 6), and detects fuel flowing from the fuel electrode 8 side of the cell stack 6. Detects oxygen concentration in off-gas.

酸素濃度検知手段６８は、酸素イオン導電性の酸素濃度検知手段、例えばジルコニア式酸素濃度検知センサから構成することができ、このような酸素濃度検知センサを用いることにより、燃料オフガス中の酸素濃度を速い応答速度でもって検知することができる。 The oxygen concentration detection means 68 can be composed of an oxygen ion conductive oxygen concentration detection means such as a zirconia type oxygen concentration detection sensor. It can be detected with a fast response speed.

この実施形態においては、コントローラ（図示せず）は、酸素濃度検知手段６８の検知信号（検知濃度）に基づいて燃料ガスポンプ２４を次のように制御する。即ち、酸素濃度検知手段６８の検知信号に基づいて燃料ガスポンプ２４の回転数が制御され、その検知濃度が所定値（即ち、設定された水（Ｈ２Ｏ）／水素（Ｈ２）の比率）を越えないように燃料ガスの供給流量が制御され、このように制御することによって、セルスタック６での燃料利用率を適正な値に維持することができる。 In this embodiment, a controller (not shown) controls the fuel gas pump 24 based on the detection signal (detection concentration) of the oxygen concentration detection means 68 as follows. That is, the number of rotations of the fuel gas pump 24 is controlled based on the detection signal of the oxygen concentration detection means 68, and the detection concentration is a predetermined value (that is, the set ratio of water (H 2 O)/hydrogen (H 2 )). The fuel gas supply flow rate is controlled so as not to exceed , and by controlling in this manner, the fuel utilization rate in the cell stack 6 can be maintained at an appropriate value.

例えば、水／水素の比率がこの所定値を超えたときには燃料オフガス中の水素ガスの比率が少なく、このようなときには、燃料ガスポンプ２４の回転数を増やして燃料ガス（水素ガス）の供給流量を増加させて燃料利用率を下げるように制御し、また水／水素の比率がこの所定値よりある程度小さくなったときには燃料オフガス中の水素ガスの比率が多く、このようなときには、燃料ガスポンプ２４の回転数を減らして燃料ガス（水素ガス）の供給流量を減らして燃料利用率を上げるように制御し、このように燃料ガスポンプ２４を制御することにより、リサイクル率が経時的に変化しても長期間にわたって燃料利用率を適正な値に維持し続けることができる。 For example, when the ratio of water/hydrogen exceeds this predetermined value, the ratio of hydrogen gas in the fuel off-gas is small. When the ratio of water/hydrogen is somewhat smaller than this predetermined value, the ratio of hydrogen gas in the fuel off-gas is large, and in such a case, the rotation of the fuel gas pump 24 is controlled. By reducing the number of fuel gas (hydrogen gas) supply flow rates to increase the fuel utilization rate and controlling the fuel gas pumps 24 in this way, even if the recycling rate changes over time, the Fuel utilization can continue to be maintained at a proper value over a period of time.

燃料ガスとして水素ガスを用いた場合、セルスタック６での生成物は水蒸気のみであるために、燃料オフガス（アノードオフガス）の冷却とこの燃料オフガス中の水蒸気除去（即ち、冷却による凝縮水の除去）とを組み合わせた燃料オフガスのリサイクル効果は、発電効率を高める上で極めて有効に働く。また、高発電効率の動作条件では平均セル電圧が例えば０．０８Ｖ以上の高い領域となるが、水素ガスを用いて発電した場合、天然ガス（例えば、都市ガス）の水蒸気改質での発電条件に比して高い電圧領域での電流－電圧特性が高くなる（例えば、数十ｍＶ程度高くなる）ために、燃料オフガスの冷却と燃料オフガス中の水蒸気除去（所謂、凝縮水除去）とを組み合わせた燃料オフガスのリサイクルと、水素ガスを用いることによる高い電流－電圧特性とにより、燃料ガスとして水素ガスを用いた場合にも充分に高い発電効率を得ることができる。 When hydrogen gas is used as the fuel gas, the product in the cell stack 6 is only water vapor, so cooling the fuel off-gas (anode off-gas) and removing water vapor in this fuel off-gas (that is, removing condensed water by cooling) ) is extremely effective in increasing power generation efficiency. In addition, under operating conditions of high power generation efficiency, the average cell voltage is in a high range, for example, 0.08 V or more, but when power is generated using hydrogen gas, natural gas (for example, city gas) is steam reformed. Since the current-voltage characteristics in the high voltage region are higher (for example, about several tens of mV higher) than in Due to the recycling of the fuel off-gas and the high current-voltage characteristics due to the use of hydrogen gas, sufficiently high power generation efficiency can be obtained even when hydrogen gas is used as the fuel gas.

燃料ガスとして水素ガスを用い、燃料オフガスのリサイクルを行ったときの効果を検証するために、次の通りのシミュレーションを行った。例えば、燃料ガスとして水素ガスを用い、リサイクルなしで燃料利用率８５％まで安定して発電を行うことができるセルスタックを用いた場合、表１に示すように、ＤＣ発電端効率（低位発熱量基準）は５６．６％である。 In order to verify the effect when hydrogen gas is used as the fuel gas and the fuel off-gas is recycled, the following simulation was performed. For example, when using hydrogen gas as the fuel gas and using a cell stack that can stably generate power up to a fuel utilization rate of 85% without recycling, as shown in Table 1, the DC power generation efficiency (lower calorific value standard) is 56.6%.

このような固体酸化物形燃料電池システムにおいて、リサイクル率を６０％とし、リサイクル流路を通して戻される燃料オフガスの温度を温度２０℃まで冷却する（露点２０℃まで冷却して水蒸気を除去する）という条件でシミュレーションすると、酸素濃度検知センサ（酸素濃度検知手段）の検知濃度がリサイクルなしのときの条件での検知濃度となるまで燃料ガス（水素ガス）の供給流量を下げたときの燃料利用率は９３．３％となり、また、このときのＤＣ発電端効率は６２．１％となり、このＤＣ発電端効率の向上は、５．５ポイントとなった（表１参照）。 In such a solid oxide fuel cell system, the recycling rate is set to 60%, and the temperature of the fuel off-gas returned through the recycling channel is cooled to a temperature of 20 ° C. (cooled to a dew point of 20 ° C. to remove water vapor). When simulating under the conditions, the fuel utilization rate when the supply flow rate of the fuel gas (hydrogen gas) is lowered until the detection concentration of the oxygen concentration detection sensor (oxygen concentration detection means) reaches the detection concentration under the conditions without recycling is The DC power generation efficiency at this time was 93.3%, and the DC power generation efficiency at this time was 62.1%, and the improvement of this DC power generation efficiency was 5.5 points (see Table 1).

Figure 0007221641000001
家庭用の固体酸化物形燃料電池システムにおける補機類、パワーコンディショナーなどの消費電力を考慮すると、ＤＣ発電端効率に約０．９を積算した値がＡＣ送電端発電効率（低位発熱量基準）となる。尚、燃料オフガスのリサイクル率は実用構成では直接測定することができないが、リサイクル流路に圧力損失の小さい流量計測センサを挿入することにより、流量計測センサの計測流量を利用してリサイクル率を求めることができる。
Figure 0007221641000001
 Considering the power consumption of auxiliary equipment, power conditioners, etc. in a solid oxide fuel cell system for home use, the value obtained by multiplying the DC net power generation efficiency by about 0.9 is the AC net power generation efficiency (lower calorific value standard). becomes. The fuel off-gas recycling rate cannot be directly measured in a practical configuration, but by inserting a flow rate measuring sensor with low pressure loss into the recycling flow path, the recycling rate can be obtained using the flow rate measured by the flow rate measuring sensor. be able to.

このような固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックの経時変化に伴い空気の供給流量を約１．５倍程度まで増加するように空気ブロアの制御が行われる。このように空気の供給流量を約１．５倍まで増加させた場合、燃料オフガスのリサイクル率は成り行きで約６３％まで上昇し、このような状態において酸素濃度検知センサ（酸素濃度検知手段）の検知濃度がリサイクルなしのときの条件での検知濃度となるまで燃料ガス（水素ガス）の供給流量を下げたときの燃料利用率は９３．８％となり、またこのときのＤＣ発電端効率は６２．４％となり、このＤＣ発電端効率の向上は、５．８ポイントとなった。 In such a solid oxide fuel cell system, the air blower is controlled so as to increase the supply flow rate of air by about 1.5 times as the cell stack changes over time. When the air supply flow rate is increased to about 1.5 times as described above, the fuel off-gas recycling rate naturally increases to about 63%. When the supply flow rate of the fuel gas (hydrogen gas) is lowered until the detection concentration reaches the detection concentration under the conditions without recycling, the fuel utilization rate is 93.8%, and the DC power generation efficiency at this time is 62. .4%, and the improvement in DC power generation efficiency was 5.8 points.

図１に示す実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２では、セルスタック６からの燃料オフガスを燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給するとともに、燃料オフガス送給流路４４を通して流れる燃料オフガスの一部をリサイクル流路６６を通して高温ハウジング５４外に導き、この高温ハウジング５４外にて第２熱交換器６０で冷却して水蒸気を凝縮させて除去し、この冷却し且つ水蒸気を除去した燃料オフガスを燃料ガスポンプ２４の上流側に戻しているが、次のような形態の固体酸化物形燃料電池システムにも同様に適用することができる。 In the solid oxide fuel cell system 2 of the embodiment shown in FIG. A portion of the flowing fuel off-gas is directed out of the high temperature housing 54 through a recycle passage 66 and cooled outside the high temperature housing 54 in the second heat exchanger 60 to condense and remove water vapor, which cools and removes water vapor. Although the removed fuel off-gas is returned to the upstream side of the fuel gas pump 24, it can be similarly applied to solid oxide fuel cell systems of the following forms.

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

図２において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２Ａでは、セルスタック６からの燃料オフガスを燃焼器４６に導く燃料オフガス送給流路４４Ａは、高温ハウジング５４外に導かれた後に再び高温ハウジング５４内に導入されて燃焼器４６に接続されている。そして、このことに関連して、高温ハウジング５４内に第３熱交換器７２が配設され、この第３熱交換器７２において、燃料オフガス送給流路４４Ａの上流側部位を通して高温ハウジング５４外に流れる燃料オフガスと燃料オフガス送給流路４４Ａの下流側部位を通して燃焼器４６に流れる燃料オフガスとの間で熱交換が行われ、高温ハウジング５４外で冷却された燃料オフガスが熱交換により加熱された後に燃焼器４６に送給される。 In FIG. 2, in the illustrated solid oxide fuel cell system 2A, the fuel offgas feed passage 44A that guides the fuel offgas from the cell stack 6 to the combustor 46 is led out of the high temperature housing 54 and then again into the high temperature housing. 54 and connected to combustor 46 . In relation to this, a third heat exchanger 72 is disposed within the high temperature housing 54, and in this third heat exchanger 72, heat is supplied to the outside of the high temperature housing 54 through the upstream portion of the fuel offgas feed passage 44A. and the fuel off-gas flowing to the combustor 46 through the downstream portion of the fuel off-gas supply passage 44A, and the fuel off-gas cooled outside the high temperature housing 54 is heated by heat exchange. Afterwards, it is delivered to combustor 46 .

また、燃料オフガス送給流路４４Ａの中間部位（換言すると、高温ハウジング５４外に位置する部位）には、第２熱交換器６０及びドレンセパレータ６４が配設されている。この第２熱交換器６０は、上述した第１の実施形態と同様に、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ－ジェネレーションシステム用の貯湯装置（図示せず）の循環流路６２と組み合わせて用いられ、燃料オフガス送給流路４４Ａを流れる燃料オフガスと貯湯装置から循環流路６２を通して流れる水との間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された温水が貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）に貯えられる。この第２熱交換器６０は、燃料オフガスを冷却するための冷却器としても機能し、冷却された燃料オフガス中の水蒸気が凝縮し、この凝縮水がドレンセパレータ６４から外部に排水される。 A second heat exchanger 60 and a drain separator 64 are arranged at an intermediate portion of the fuel off-gas supply flow path 44A (in other words, a portion located outside the high temperature housing 54). This second heat exchanger 60 is, for example, a circulation flow path of a hot water storage device (not shown) for a co-generation system for storing the heat of the fuel off-gas as hot water, as in the first embodiment described above. 62, heat exchange is performed between the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas supply passage 44A and the water flowing through the circulation passage 62 from the hot water storage device, and hot water heated by this heat exchange is stored. It is stored in the hot water storage tank (not shown) of the device. This second heat exchanger 60 also functions as a cooler for cooling the fuel off-gas, water vapor in the cooled fuel off-gas is condensed, and this condensed water is drained outside through the drain separator 64 .

この第２の実施形態においては、燃料オフガス送給流路４４Ａの中間部位（具体的には、高温ハウジング５４外に位置する部位であって、ドレンセパレータ６４よりも下流側の部位）から分岐してリサイクル流路６６Ａが設けられ、このリサイクル流路６６Ａの下流側が燃料ガス供給流路１４（具体的には、燃料ガスポンプ２４と第２絞り部材２６との間の部位）に接続されている。このように構成されているので、冷却され水蒸気が除去された燃料オフガスがリサイクル流路６６Ａを通して燃料ガス供給流路１４に戻される。 In the second embodiment, the fuel offgas feed channel 44A branches from an intermediate portion (specifically, a portion located outside the high temperature housing 54 and downstream of the drain separator 64). A recycle flow path 66A is provided at the end, and the downstream side of the recycle flow path 66A is connected to the fuel gas supply flow path 14 (specifically, the portion between the fuel gas pump 24 and the second throttle member 26). With this configuration, the fuel off-gas from which water vapor has been removed by cooling is returned to the fuel gas supply channel 14 through the recycling channel 66A.

この第２の実施形態においては、更に、リサイクル流路６６Ａにリサイクル弁７４が配設され、このリサイクル弁７４を次のように制御するようにしてもよい。例えば、燃料ガスポンプ２４（燃料ガス供給手段）に温度検知手段（例えば、温度検知センサ）を設け、この温度検知手段の検知温度が所定温度（例えば、３０℃）を超えたときに、この温度検知手段からの検知信号に基づいてリサイクル弁７４を開状態にするようにしてもよい。このように構成した場合、燃料ガスポンプ２４の温度が低いときには燃料オフガスがリサイクル流路６６Ａを通して燃料ガスポンプ２４の上流側に流れることはなく、これにより、燃料オフガス中に残留する水蒸気が燃料ガスポンプ２４で結露することが防止される。 In this second embodiment, a recycle valve 74 may be further provided in the recycle flow path 66A, and the recycle valve 74 may be controlled as follows. For example, the fuel gas pump 24 (fuel gas supply means) is provided with temperature detection means (for example, a temperature detection sensor), and when the temperature detected by this temperature detection means exceeds a predetermined temperature (for example, 30° C.), this temperature detection is performed. The recycle valve 74 may be opened based on the detection signal from the means. With this configuration, when the temperature of the fuel gas pump 24 is low, the fuel off-gas does not flow to the upstream side of the fuel gas pump 24 through the recycle flow path 66A. Condensation is prevented.

尚、このようなリサイクル弁７４を設ける構成は、第１の実施形態にも適用することができ、また温度検知手段による検知温度として、発電システムの庫内温度、燃料オフガスの冷却温度などを検知するようにしてもよく、この温度検知手段を燃料ガスポンプ２４に関連して設けることができる。この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ａのその他の構成は、上述した第１の実施形態のものと実質上同一である。 The configuration provided with such a recycle valve 74 can also be applied to the first embodiment, and the temperature detected by the temperature detection means includes the temperature inside the power generation system, the cooling temperature of the fuel off-gas, and the like. This temperature sensing means may be provided in association with the fuel gas pump 24 . Other configurations of the solid oxide fuel cell system 2A of the second embodiment are substantially the same as those of the first embodiment described above.

この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ａにおいては、セルスタック６の燃料極側からの燃料オフガスは、燃料オフガス送給流路４４Ａを通して燃焼器４６に送給され、かく送給された燃料オフガスは、セルスタック６の空気極側から空気オフガス送給流路４８を通して送給される空気オフガスにより燃焼される。また、燃料オフガス送給流路４４Ａを流れる燃料オフガスの一部はリサイクル流路６６Ａを通して燃料ガス供給流路１４（具体的には、燃料ガスポンプ２４の上流側部位）に戻され、燃料ガス供給流路１４を流れる燃料ガス（水素ガス）に混合されてセルスタック６に供給される。 In the solid oxide fuel cell system 2A of the second embodiment, the fuel off-gas from the fuel electrode side of the cell stack 6 is supplied to the combustor 46 through the fuel off-gas supply passage 44A. The fuel off-gas thus produced is combusted by the air off-gas supplied from the air electrode side of the cell stack 6 through the air off-gas supply passage 48 . In addition, part of the fuel off-gas flowing through the fuel off-gas supply channel 44A is returned to the fuel gas supply channel 14 (specifically, the upstream portion of the fuel gas pump 24) through the recycling channel 66A, and the fuel gas supply flow It is mixed with the fuel gas (hydrogen gas) flowing through the passage 14 and supplied to the cell stack 6 .

リサイクル流路６６Ａを流れる燃料オフガスは、第２熱交換器６０にて熱交換により冷却され、この冷却により燃料オフガス中の水分が凝縮され、ドレンセパレータ６４にて凝縮水が燃料オフガスから分離された後に、水蒸気が除去された燃料オフガスが燃料ガス供給流路１４に戻される。 The fuel off-gas flowing through the recycle flow path 66A is cooled by heat exchange in the second heat exchanger 60, water in the fuel off-gas is condensed by this cooling, and the condensed water is separated from the fuel off-gas by the drain separator 64. Afterwards, the fuel off-gas from which water vapor has been removed is returned to the fuel gas supply channel 14 .

この固体酸化物形燃料電池システム２Ａにおいても、燃料オフガス送給流路４４Ａに酸素濃度検知手段６８（酸素濃度検知センサ）が配設され、この酸素濃度検知手段６８の検知濃度に基づいて燃料ガスポンプ２４が制御されるので、リサイクル率が経時的に変わっても燃料ガスポンプ２４による燃料ガス（水素ガス）の供給流量を所要の通りに制御することができ、上述の第１の実施形態と同様に、長期にわたって燃料利用率を適正な値に維持することができる。 Also in this solid oxide fuel cell system 2A, an oxygen concentration detection means 68 (oxygen concentration detection sensor) is disposed in the fuel off-gas supply passage 44A, and the fuel gas pump is operated based on the concentration detected by this oxygen concentration detection means 68. 24 is controlled, even if the recycling rate changes over time, the flow rate of the fuel gas (hydrogen gas) supplied by the fuel gas pump 24 can be controlled as required. , the fuel utilization rate can be maintained at a proper value for a long period of time.

２，２Ａ 固体酸化物形燃料電池システム
６ セルスタック
１４ 燃料ガス供給流路
２４ 燃料ガスポンプ
４４，４４Ａ 燃料オフガス送給流路
４６ 燃焼器
５４ 高温ハウジング
６６，６６Ａ リサイクル流路
７４ リサイクル弁















2, 2A Solid oxide fuel cell system 6 Cell stack 14 Fuel gas supply channel 24 Fuel gas pump 44, 44A Fuel off-gas supply channel 46 Combustor 54 High temperature housing 66, 66A Recycle channel 74 Recycle valve

Claims (4)

燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記燃料オフガス送給流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路における前記冷却器の配設部位より下流側に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に前記燃料オフガス送給流路には酸素濃度を検知するための酸素イオン導電性の酸素濃度検知手段が設けられており、
前記セルスタックからの燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃焼器に送給され、前記冷却器から前記燃焼器に送給される燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧により前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記酸素濃度検知手段の検知濃度が設定値を超えると前記燃料ガス供給手段の回転数を増大させ、燃料ガスの供給流量を増加させて燃料利用率を下げることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A cell stack that generates electricity by a fuel cell reaction of hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, a fuel gas supply channel for guiding the hydrogen gas to the fuel electrode side of the cell stack, and the fuel gas supply channel. fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through, fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas, an air supply passage for introducing air to the air electrode side of the cell stack, and the air supply means for supplying air through an air supply passage; a combustor for burning fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack and air off-gas after power generation reaction in the cell stack; a fuel offgas feed passage for guiding fuel offgas from the stack to the combustor; an air offgas feed passage for guiding air offgas from the cell stack to the combustor; the fuel gas supply means; A solid oxide fuel cell system comprising a controller for controlling the operation of the air supply means,
A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided , the cooler is arranged in the fuel off-gas supply passage, and the fuel gas pressure adjusting means is disposed on the upstream side of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and the upstream side of the recycling passage is disposed in the fuel off-gas supply passage at the location of the cooler. is connected further downstream, the downstream side is connected between the arrangement portion of the fuel gas pressure adjustment means and the arrangement portion of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and further the fuel off-gas An oxygen ion-conducting oxygen concentration detection means for detecting the oxygen concentration is provided in the feed channel,
The fuel off-gas from the cell stack is supplied to the combustor after being cooled by the cooler, and part of the fuel off-gas supplied to the combustor from the cooler is supplied to the fuel gas supply means. is returned to the fuel gas supply passage through the recycling passage by the negative pressure generated by the operation of the controller, and the controller reduces the rotation speed of the fuel gas supply means when the concentration detected by the oxygen concentration detection means exceeds a set value. A solid oxide fuel cell system characterized by increasing the supply flow rate of the fuel gas and lowering the fuel utilization rate . 燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、A cell stack that generates electricity by a fuel cell reaction of hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, a fuel gas supply channel for guiding the hydrogen gas to the fuel electrode side of the cell stack, and the fuel gas supply channel. fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through, fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas, an air supply passage for introducing air to the air electrode side of the cell stack, and the air supply means for supplying air through an air supply passage; a combustor for burning fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack and air off-gas after power generation reaction in the cell stack; a fuel offgas feed passage for guiding fuel offgas from the stack to the combustor; an air offgas feed passage for guiding air offgas from the cell stack to the combustor; the fuel gas supply means; A solid oxide fuel cell system comprising a controller for controlling the operation of the air supply means,
燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記燃料オフガス送給流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路における前記冷却器の配設部位より下流側に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に前記燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設されるとともに、前記リサイクル流路にリサイクル弁が配設されており、A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided, the cooler is arranged in the fuel off-gas supply passage, and the fuel gas pressure adjusting means is disposed on the upstream side of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and the upstream side of the recycling passage is disposed in the fuel off-gas supply passage at the location of the cooler. is connected further downstream, the downstream side is connected between the arrangement portion of the fuel gas pressure adjusting means and the arrangement portion of the fuel gas supply means in the fuel gas supply passage, and further the fuel gas temperature sensing means is provided in association with the supply means, and a recycling valve is provided in the recycling flow path;
前記セルスタックからの燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃焼器に送給され、前記冷却器から前記燃焼器に送給される燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧により前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると前記温度検知手段からの検知信号に基づいて前記リサイクル弁を開状態にすることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。The fuel off-gas from the cell stack is supplied to the combustor after being cooled by the cooler, and part of the fuel off-gas supplied to the combustor from the cooler is supplied to the fuel gas supply means. is returned to the fuel gas supply passage through the recycling passage by the negative pressure generated by the operation of the controller, and the controller responds to the detection signal from the temperature detection means when the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature. A solid oxide fuel cell system, characterized in that the recycle valve is opened based on the above. 燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記リサイクル流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に前記燃料オフガス送給流路には酸素濃度を検知するための酸素イオン導電性の酸素濃度検知手段が設けられており、
前記セルスタックからの燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧によって前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に流れ、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記酸素濃度検知手段の検知濃度が設定値を超えると前記燃料ガス供給手段の回転数を増大させ、燃料ガスの供給流量を増加させて燃料利用率を下げることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。 A cell stack that generates electricity by a fuel cell reaction of hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, a fuel gas supply channel for guiding the hydrogen gas to the fuel electrode side of the cell stack, and the fuel gas supply channel. fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through, fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas, an air supply passage for introducing air to the air electrode side of the cell stack, and the air supply means for supplying air through an air supply passage; a combustor for burning fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack and air off-gas after power generation reaction in the cell stack; a fuel offgas feed passage for guiding fuel offgas from the stack to the combustor; an air offgas feed passage for guiding air offgas from the cell stack to the combustor; the fuel gas supply means; A solid oxide fuel cell system comprising a controller for controlling the operation of the air supply means,
A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided , the cooler is arranged in the recycling passage, and the fuel gas pressure adjusting means The fuel gas supply means is arranged in the fuel gas supply channel upstream of the location where the fuel gas supply means is arranged, the upstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel, and the downstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel. It is connected between the portion where the fuel gas pressure adjusting means is arranged and the portion where the fuel gas supply means is arranged in the gas supply passage. An ionically conductive oxygen concentration detection means is provided,
Part of the fuel off-gas from the cell stack flows into the fuel gas supply passage through the recycling passage due to the negative pressure generated by the operation of the fuel gas supply means, and the fuel off-gas flowing through the recycling passage is After being cooled by a cooler, it is returned to the fuel gas supply passage, and the controller increases the rotation speed of the fuel gas supply means when the concentration detected by the oxygen concentration detection means exceeds a set value, and the fuel gas is A solid oxide fuel cell system characterized by increasing the supply flow rate of and lowering the fuel utilization rate . 燃料ガスとしての水素ガス及び空気中の酸素による燃料電池反応によって発電を行うセルスタックと、前記セルスタックの燃料極側に水素ガスを導くための燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス供給流路を通して水素ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、水素ガスの圧力を調整するための燃料ガス圧力調整手段と、前記セルスタックの空気極側に空気を導くための空気供給流路と、前記空気供給流路を通して空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガスと前記セルスタックの発電反応後の空気オフガスとを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に導くための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に導くための空気オフガス送給流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えた固体酸化物形燃料電池システムであって、
燃料オフガスを冷却するための冷却器及び燃料オフガスの一部をリサイクルするためのリサイクル流路が設けられ、前記冷却器は前記リサイクル流路に配設され、また前記燃料ガス圧力調整手段は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス供給手段の配設部位より上流側に配設され、前記リサイクル流路の上流側は、前記燃料オフガス送給流路に接続され、その下流側は、前記燃料ガス供給流路における前記燃料ガス圧力調整手段の配設部位と前記燃料ガス供給手段の配設部位との間に接続され、更に
前記燃料ガス供給手段に関連して温度検知手段が配設されるとともに、前記リサイクル流路にリサイクル弁が配設されており、
前記セルスタックからの燃料オフガスの一部は、前記燃料ガス供給手段の作動により発生する負圧によって前記リサイクル流路を通して前記燃料ガス供給流路に流れ、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスは、前記冷却器にて冷却された後に前記燃料ガス供給流路に戻され、前記コントローラは、前記温度検知手段の検知温度が所定設定温度を超えると前記温度検知手段からの検知信号に基づいて前記リサイクル弁を開状態に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 cell stack that generates electricity by a fuel cell reaction of hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air, a fuel gas supply channel for guiding the hydrogen gas to the fuel electrode side of the cell stack, and the fuel gas supply channel. fuel gas supply means for supplying hydrogen gas through, fuel gas pressure adjustment means for adjusting the pressure of the hydrogen gas, an air supply passage for introducing air to the air electrode side of the cell stack, and the air supply means for supplying air through an air supply passage; a combustor for burning fuel off-gas after power generation reaction in the cell stack and air off-gas after power generation reaction in the cell stack; a fuel offgas feed passage for guiding fuel offgas from the stack to the combustor; an air offgas feed passage for guiding air offgas from the cell stack to the combustor; the fuel gas supply means; A solid oxide fuel cell system comprising a controller for controlling the operation of the air supply means,
A cooler for cooling the fuel off-gas and a recycling passage for recycling a part of the fuel off-gas are provided, the cooler is arranged in the recycling passage, and the fuel gas pressure adjusting means The fuel gas supply means is arranged in the fuel gas supply channel upstream of the location where the fuel gas supply means is arranged, the upstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel, and the downstream side of the recycling channel is connected to the fuel off-gas supply channel. A temperature detection means is connected between a portion where the fuel gas pressure adjustment means is arranged and a portion where the fuel gas supply means is arranged in the gas supply passage, and temperature detection means is connected to the fuel gas supply means. and a recycling valve is disposed in the recycling flow path,
Part of the fuel off-gas from the cell stack flows into the fuel gas supply passage through the recycling passage due to the negative pressure generated by the operation of the fuel gas supply means, and the fuel off-gas flowing through the recycling passage is After the fuel gas is cooled by a cooler, it is returned to the fuel gas supply passage, and when the temperature detected by the temperature detection means exceeds a predetermined set temperature, the controller closes the recycle valve based on a detection signal from the temperature detection means. in an open state.
JP2018191791A 2018-10-10 2018-10-10 Solid oxide fuel cell system Active JP7221641B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018191791A JP7221641B2 (en) 2018-10-10 2018-10-10 Solid oxide fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018191791A JP7221641B2 (en) 2018-10-10 2018-10-10 Solid oxide fuel cell system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020061268A JP2020061268A (en) 2020-04-16
JP7221641B2 true JP7221641B2 (en) 2023-02-14

Family

ID=70220848

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018191791A Active JP7221641B2 (en) 2018-10-10 2018-10-10 Solid oxide fuel cell system

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7221641B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113764706B (en) * 2020-12-31 2023-03-21 厦门大学 Secondary fuel cell with active circulation system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004206896A (en) 2002-12-24 2004-07-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell-gas turbine power generation facility
JP2006100153A (en) 2004-09-30 2006-04-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Operation method of solid oxide fuel cell, and power generation facility of solid oxide fuel cell
JP2006244882A (en) 2005-03-03 2006-09-14 Tokyo Gas Co Ltd Operation control method of solid oxide fuel cell, and system
JP2013235735A (en) 2012-05-09 2013-11-21 Denso Corp Fuel cell system
JP2017199564A (en) 2016-04-27 2017-11-02 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004206896A (en) 2002-12-24 2004-07-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Fuel cell-gas turbine power generation facility
JP2006100153A (en) 2004-09-30 2006-04-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Operation method of solid oxide fuel cell, and power generation facility of solid oxide fuel cell
JP2006244882A (en) 2005-03-03 2006-09-14 Tokyo Gas Co Ltd Operation control method of solid oxide fuel cell, and system
JP2013235735A (en) 2012-05-09 2013-11-21 Denso Corp Fuel cell system
JP2017199564A (en) 2016-04-27 2017-11-02 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2020061268A (en) 2020-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102171743B1 (en) Improved fuel cell systems and methods
KR101097494B1 (en) A method and apparatus for operating a solid-oxide fuel cell stack with a mixed ionic/electronic conducting electrolyte
KR100531698B1 (en) System and method of water management in the operation of a fuel cell
JP4886170B2 (en) Fuel cell system
KR102132314B1 (en) Temperature distribution control system for fuel cell, fuel cell, and temperature distribution control method for fuel cell
US10396377B2 (en) Fuel cell device
US6855442B2 (en) Fuel cell and method of operating same
CN108400351A (en) The method of fuel cell operation system and the relative humidity of setting cathode operation gas
JP7221641B2 (en) Solid oxide fuel cell system
US20130221675A1 (en) Gas turbine combined power generation system with high temperature fuel cell and operating method thereof
JP2011076941A (en) Solid oxide fuel cell
US7531259B2 (en) Fuel cell cooling and water management system
JP7116651B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP5411901B2 (en) Fuel cell system
JP5109284B2 (en) Fuel cell system
JP2023179893A (en) fuel cell system
JP2010055979A (en) Fuel cell system
JP2007200771A (en) Reforming catalyst temperature control system and control method of fuel cell power generator
JP6272639B2 (en) Fuel cell system with improved anode gas recirculation and method of operating a fuel cell system
JP6222958B2 (en) Method of operating polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system and polymer electrolyte fuel cell for cogeneration system
JP7422007B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP7409971B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP7355710B2 (en) Solid oxide fuel cell system
JP5659868B2 (en) Fuel cell system
KR101114389B1 (en) Humidification system for fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210621

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20220622

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220705

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220824

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: 20230110

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230202

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7221641

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150