JP7408855B1 - Fuel cell system and how to operate the fuel cell system - Google Patents
Fuel cell system and how to operate the fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP7408855B1 JP7408855B1 JP2023011983A JP2023011983A JP7408855B1 JP 7408855 B1 JP7408855 B1 JP 7408855B1 JP 2023011983 A JP2023011983 A JP 2023011983A JP 2023011983 A JP2023011983 A JP 2023011983A JP 7408855 B1 JP7408855 B1 JP 7408855B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxidizing gas
- control valve
- fuel
- gas
- heating
- 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
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 271
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 434
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims abstract description 390
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 295
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 141
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 32
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 claims description 20
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 11
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 119
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 8
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 42
- 230000004044 response Effects 0.000 description 18
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 16
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 15
- 230000008859 change Effects 0.000 description 13
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 12
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 12
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 11
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 10
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 10
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 9
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 9
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- -1 and for example Substances 0.000 description 6
- 238000007084 catalytic combustion reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 3
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 3
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 3
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002367 SrTiO Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 2
- 239000003949 liquefied natural gas Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 2
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical group [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000003134 recirculating effect Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- 229910018279 LaSrMnO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
- H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
- H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
- H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04701—Temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- 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
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮する。【解決手段】燃料電池３１３と、ターボチャージャ４１１と、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスを空気極１１３へ供給する酸化性ガス供給ライン３３１と、酸化性ガス制御弁３３５と、燃料ガスＬ１を燃料極１０９へ供給する燃料ガスライン３４１と、燃料ガス制御弁３４２と、加熱部と、を備え、加熱部は、起動用空気加熱ライン４５５と、加熱制御弁４５７と、を有し、予め設定された燃料電池３１３の運転状態に応じて、加熱制御弁４５７の開度を増加あるいは減少させるとともに酸化性ガス制御弁３３５の開度を減少あるいは増加させるよう加熱制御弁４５７および酸化性ガス制御弁３３５を制御する制御装置２０を備える燃料電池システム３１０を提供する。【選択図】図４An object of the present invention is to shorten the startup time required from the start of supply of fuel gas to a fuel electrode until a power generation chamber reaches a predetermined heating state. [Solution] A fuel cell 313, a turbocharger 411, an oxidizing gas supply line 331 that supplies oxidizing gas compressed by a compressor 421 to an air electrode 113, an oxidizing gas control valve 335, and a fuel gas L1. The heating section includes a fuel gas line 341 that supplies to the fuel electrode 109, a fuel gas control valve 342, and a heating section, and the heating section includes a starting air heating line 455 and a heating control valve 457. The heating control valve 457 and the oxidizing gas control valve are configured to increase or decrease the opening degree of the heating control valve 457 and to decrease or increase the opening degree of the oxidizing gas control valve 335 depending on the operating state of the fuel cell 313. A fuel cell system 310 including a control device 20 that controls 335 is provided. [Selection diagram] Figure 4
Description
本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。 The present disclosure relates to a fuel cell system and a method of operating a fuel cell system.
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている（例えば、特許文献１参照）。 Fuel cells that generate electricity by chemically reacting fuel gas and oxidizing gas have characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness. Among these, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as the electrolyte, and use hydrogen, city gas, natural gas, petroleum, methanol, and carbon-containing raw materials. Gas such as gasified gas produced by gasification equipment is supplied as a fuel gas and reacted in a high temperature atmosphere of approximately 700° C. to 1000° C. to generate electricity (see, for example, Patent Document 1).
特許文献１には、ＳＯＦＣとターボチャージャを組み合わせたＳＯＦＣシステムが開示されている。特許文献１では、ＳＯＦＣから排出される排燃料ガスを燃焼器で燃焼させてタービンに燃焼ガスを供給してタービンを回転駆動する。タービンに連結された圧縮機は、酸化性ガスを圧縮して空気極へ供給する。 Patent Document 1 discloses an SOFC system that combines an SOFC and a turbocharger. In Patent Document 1, exhaust fuel gas discharged from the SOFC is combusted in a combustor, and the combustion gas is supplied to a turbine to rotationally drive the turbine. A compressor connected to the turbine compresses the oxidizing gas and supplies it to the air electrode.
また、特許文献１には、ＳＯＦＣを起動する際に発電室を高温雰囲気とするために、空気極へ供給される酸化性ガスを起動用加熱器により加熱すること、空気極へ燃料ガスを供給して触媒反応により発電室を昇温させることが開示されている。 Additionally, Patent Document 1 describes that in order to create a high-temperature atmosphere in the power generation room when starting up the SOFC, oxidizing gas supplied to the air electrode is heated by a startup heater, and fuel gas is supplied to the air electrode. It is disclosed that the power generation chamber is heated by a catalytic reaction.
しかしながら、発電室が低温雰囲気（例えば、４００℃～５００℃）である場合には燃料電池の触媒の活性が低いため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となる場合がある。この場合、発電室における燃焼が十分に行えず、低温雰囲気から高温雰囲気に至るまでの起動時間が長くなってしまう。 However, when the power generation room is in a low-temperature atmosphere (for example, 400°C to 500°C), the activity of the fuel cell catalyst is low, so the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode is supplied to the fuel electrode. The amount may be excessive compared to the amount of fuel gas supplied. In this case, combustion in the power generation chamber cannot be sufficiently performed, and the startup time from a low-temperature atmosphere to a high-temperature atmosphere becomes long.
発電室を昇温させるために、空気極へ供給する燃料ガスを増加させて触媒反応を促進する方法が考えられるが、低温雰囲気における触媒反応の能力には限界がある。そのため、空気極へ供給する燃料ガスを増加させても、発電室を十分に昇温させることができない可能性がある。 In order to raise the temperature of the power generation chamber, a method can be considered to increase the amount of fuel gas supplied to the air electrode to promote the catalytic reaction, but there is a limit to the ability of the catalytic reaction in a low-temperature atmosphere. Therefore, even if the amount of fuel gas supplied to the air electrode is increased, there is a possibility that the temperature of the power generation chamber cannot be raised sufficiently.
また、空気極へ供給する燃料ガスを増加させて空気極から排出される未反応の排燃料ガスが増加すると、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数と、圧縮機が空気極に供給する酸化性ガスの流量が増加する。そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となってしまい、起動時間が更に長くなってしまう。 In addition, if the amount of unreacted exhaust fuel gas discharged from the air electrode increases by increasing the amount of fuel gas supplied to the air electrode, the number of rotations per unit time of the turbine driven by the exhaust fuel gas and the compressor will increase. The flow rate of oxidizing gas supplied to the air electrode increases. Therefore, the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode becomes excessive with respect to the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode, and the startup time becomes even longer.
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of these circumstances, and it is possible to shorten the startup time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state. The purpose of the present invention is to provide a fuel cell system and a method of operating the fuel cell system.
上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置を備える。
In order to solve the above problems, the present disclosure employs the following means.
A fuel cell system according to the present disclosure is driven by a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and the turbine. a turbocharger having a compressor; an oxidizing gas supply line that supplies the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; an oxidizing gas control valve disposed in the oxidizing gas supply line; a fuel gas line that supplies the oxidizing gas to the fuel electrode, a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line, and a heating section that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line, The heating section includes an oxidizing gas heating line having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve, and an oxidizing gas heating line connected to the oxidizing gas heating line. a heating control valve disposed, and increases or decreases the opening degree of the heating control valve and decreases the opening degree of the oxidizing gas control valve according to a preset operating state of the fuel cell. Alternatively, a control device is provided that controls the heating control valve and the oxidizing gas control valve to increase the heating.
本開示に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御工程を備える。 A method of operating a fuel cell system according to the present disclosure is a method of operating a fuel cell system, wherein the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas discharged from the fuel cell. a turbocharger having a turbine to which exhaust oxidizing gas is supplied as combustion gas and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; an oxidizing gas control valve disposed in the oxidizing gas supply line; a fuel gas line supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line; and the oxidizing gas supply. a heating section that heats the oxidizing gas flowing through the line, the heating section having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve. It has an oxidizing gas heating line to which an end is connected, and a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line, and the heating control valve is controlled according to a preset operating state of the fuel cell. The method includes a control step of controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to increase or decrease the opening degree and also decrease or increase the opening degree of the oxidizing gas control valve.
本開示によれば、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することができる。 According to the present disclosure, there is provided a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system that can shorten the startup time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state. can be provided.
〔第１実施形態〕
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその運転方法の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
[First embodiment]
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Below, a first embodiment of a fuel cell system and an operating method thereof according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものであり、鉛直方向は厳密ではなく誤差を含むものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。 In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component explained using the expressions "above" and "below" with respect to the paper surface indicates the vertically upper side and the vertically lower side, respectively, and the vertical direction is not exact and contains errors. In addition, in this embodiment, the same effect can be obtained in the vertical direction and the horizontal direction without necessarily limiting the vertical direction in the plane of the paper to the vertical vertical direction. good.
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形（筒状）を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極１０９もしくは空気極１１３）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。 In addition, in the following description, a cylindrical (cylindrical) cell stack will be explained as an example of a solid oxide fuel cell (SOFC) cell stack, but it is not necessarily limited to this, and for example, a flat cell stack may be used. Good too. Although the fuel cell is formed on the base, an electrode (fuel electrode 109 or air electrode 113) may be formed thick instead of the base so that it also serves as the base.
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極１０９を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。 First, a cylindrical cell stack using a base tube will be described as an example of the present embodiment with reference to FIG. If the base tube is not used, for example, the fuel electrode 109 may be formed thick and also serve as the base tube, and the use is not limited to the base tube. Furthermore, although the base tube in this embodiment is described as having a cylindrical shape, the base tube may be cylindrical, and the cross section is not necessarily limited to a circular shape, and may be, for example, an elliptical shape. A cell stack such as a flat cylinder in which the circumferential side of the cylinder is vertically crushed may be used.
ここで、図１は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。 Here, FIG. 1 shows one aspect of a cell stack according to this embodiment. The cell stack 101 includes, for example, a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. . The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte membrane 111, and an air electrode 113.
また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。 In addition, the cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 that is formed at one end of the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103 in the axial direction of the base tube 103. , a lead film 115 electrically connected via an interconnector 107, and a lead film 115 electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end.
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。 The base tube 103 is made of a porous material, such as CaO-stabilized ZrO 2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ+NiO), or Y 2 O 3- stabilized ZrO 2 (YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 etc. The base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead membrane 115, and also supplies fuel gas to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. The fuel is diffused into the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the fuel electrode 109.
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。 The fuel electrode 109 is made of a composite oxide of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni/YSZ is used. The thickness of the fuel electrode 109 is 50 μm to 250 μm, and the fuel electrode 109 may be formed by screen printing a slurry. In this case, in the fuel electrode 109, Ni, which is a component of the fuel electrode 109, has a catalytic effect on the fuel gas. This catalytic action causes the fuel gas supplied through the base pipe 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, to react and reform into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is something.
また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。 Further, the fuel electrode 109 transfers hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming, and oxygen ions (O 2− ) supplied via the solid electrolyte membrane 111 to the solid electrolyte membrane 111. This is an electrochemical reaction that occurs near the interface to generate water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). Note that the fuel cell 105 generates power using electrons released from oxygen ions at this time.
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。 Fuel gases that can be supplied to the fuel electrode 109 of the solid oxide fuel cell include hydrogen (H 2 ), hydrocarbon gases such as carbon monoxide (CO) and methane (CH 4 ), city gas, and natural gas. Other examples include gasified gas produced from carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal using gasification equipment.
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料極１０９に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。 The solid electrolyte membrane 111 is mainly made of YSZ, which has airtightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. This solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 109. The thickness of the solid electrolyte membrane 111 located on the surface of the fuel electrode 109 is 10 μm to 100 μm, and the solid electrolyte membrane 111 may be formed by screen printing a slurry.
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２－）を生成するものである。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 -based oxide or a LaCoO 3 -based oxide, and a slurry is applied to the air electrode 113 by screen printing or using a dispenser. The air electrode 113 dissociates oxygen in the supplied oxidizing gas such as air near the interface with the solid electrolyte membrane 111 to generate oxygen ions (O 2− ).
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。 The air electrode 113 can also have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (air electrode intermediate layer) on the solid electrolyte membrane 111 side is made of a material that exhibits high ionic conductivity and has excellent catalytic activity. The air cathode layer (air cathode conductive layer) on the air cathode intermediate layer may be composed of a perovskite oxide represented by Sr and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, power generation performance can be further improved.
酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。 Oxidizing gas is a gas containing about 15% to 30% oxygen, and air is typically preferred, but other gases include a mixture of combustion exhaust gas and air, a mixture of oxygen and air, etc. is available.
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。 The interconnector 107 is made of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as SrTiO 3 system, and is made by screen printing a slurry. do. The interconnector 107 is a dense film to prevent fuel gas and oxidizing gas from mixing.
また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。 Further, the interconnector 107 has stable durability and electrical conductivity under both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. This interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel cell 105 in the adjacent fuel cells 105, and connects the adjacent fuel cells 105 to each other. are connected in series.
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。 The lead film 115 needs to have electronic conductivity and have a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101. It is composed of M1-xLxTiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanide element) such as a composite material or SrTiO 3 system. This lead film 115 guides the DC power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector 107 to near the end of the cell stack 101.
燃料極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に１３５０℃～１４５０℃とされる。次に、共焼結された基体管１０３上に、空気極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃～１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３～インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。 The base tube 103 on which the slurry film of the fuel electrode 109, the solid electrolyte membrane 111, and the interconnector 107 has been formed is co-sintered in the atmosphere. The sintering temperature is specifically 1350°C to 1450°C. Next, the base tube 103 on which the slurry film of the air electrode 113 is formed is sintered in the atmosphere. The sintering temperature is specifically 1100°C to 1250°C. The sintering temperature here is lower than the co-sintering temperature after forming the base tube 103 to the interconnector 107.
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。 Next, the SOFC module and SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. Here, FIG. 2 shows one aspect of the SOFC module according to this embodiment. Further, FIG. 3 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.
ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。 As shown in FIG. 2, the SOFC module (fuel cell module) 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (fuel cell cartridges) 203 and a pressure vessel 205 that accommodates the plurality of SOFC cartridges 203. Note that although FIG. 2 illustrates a cylindrical SOFC cell stack 101, this is not necessarily the case; for example, a flat cell stack may be used.
また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。 The SOFC module 201 also includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 also includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), an oxidizing gas supply branch pipe (not shown), an oxidizing gas exhaust pipe (not shown), and a plurality of oxidizing gas exhaust branch pipes (not shown). Equipped with.
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205, is connected to a fuel gas supply section that supplies fuel gas with a predetermined gas composition and a predetermined flow rate in accordance with the amount of power generated by the SOFC module 201, and is connected to a plurality of It is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a. This fuel gas supply pipe 207 branches and guides a predetermined flow rate of fuel gas supplied from the above-mentioned fuel gas supply section to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a.
また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。 Further, the fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and to the plurality of SOFC cartridges 203. This fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, thereby making the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. .
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and also to the fuel gas discharge pipe 209. This fuel gas discharge branch pipe 209a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. Further, the fuel gas exhaust pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas exhaust branch pipes 209a, and a part of the fuel gas exhaust pipe 209 is disposed outside the pressure vessel 205. This fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas, which is discharged from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially uniform flow rate, to the outside of the pressure vessel 205.
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ～約３ＭＰa、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。 The pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to approximately 3 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to approximately 550°C, so it is important to have strength and corrosion resistance against oxidizing agents such as oxygen contained in oxidizing gas. Materials in stock will be used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。 Here, in this embodiment, a mode is described in which a plurality of SOFC cartridges 203 are collected and stored in the pressure vessel 205, but the present invention is not limited to this, and for example, the SOFC cartridges 203 are not collected and stored in the pressure vessel 205. It can also be configured to be housed within the container 205.
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス供給ヘッダ（空気供給ヘッダ）２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。 As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply header 217, a fuel gas discharge header 219, an oxidizing gas supply header (air supply header) 221, and an oxidizing gas exhaust header 223. Further, the SOFC cartridge 203 includes an upper tube sheet 225a, a lower tube sheet 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b.
なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 In this embodiment, the SOFC cartridge 203 has a fuel gas supply header 217, a fuel gas exhaust header 219, an oxidizing gas supply header 221, and an oxidizing gas exhaust header 223 arranged as shown in FIG. Although the structure is such that the fuel gas and the oxidizing gas flow oppositely between the inside and outside of the cell stack 101, this is not necessarily necessary; for example, the fuel gas and the oxidizing gas may flow in parallel between the inside and outside of the cell stack 101. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cell stack 101.
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is an area formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is an area where the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged, and is an area where fuel gas and oxidizing gas are electrochemically reacted to generate electricity. The temperature near the longitudinal center of the cell stack 101 in the power generation chamber 215 is monitored by a temperature measurement unit (temperature sensor, thermocouple, etc.), and is approximately 700°C to 1000°C during steady operation of the SOFC module 201. This creates a high temperature atmosphere.
燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas supply branch pipe 207a by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper part of the upper casing 229a. It is communicated with. Further, the plurality of cell stacks 101 are joined by an upper tube plate 225a and a sealing member 237a, and the fuel gas supply header 217 is connected to a fuel gas supply header 217 for receiving fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a. is introduced into the base tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, thereby making the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 substantially uniform.
燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。 The fuel gas discharge header 219 is a region surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203, and is connected to the fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. It is communicated with. Further, the plurality of cell stacks 101 are joined by a lower tube plate 225b and a sealing member 237b, and the fuel gas exhaust header 219 passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 to connect to the fuel gas exhaust header 219. The exhaust fuel gas supplied to the fuel gas is collected and guided to the fuel gas exhaust branch pipe 209a via the fuel gas exhaust hole 231b.
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。 The oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate is branched to an oxidizing gas supply branch pipe in accordance with the amount of power generated by the SOFC module 201, and is supplied to the plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply header 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulating body 227b of the SOFC cartridge 203. , and is communicated with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). This oxidizing gas supply header 221 generates electricity by using a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a through an oxidizing gas supply gap 235a to be described later. It leads to room 215.
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。 The oxidizing gas exhaust header 223 is an area surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper insulating body 227a of the SOFC cartridge 203, and is an area surrounded by the oxidizing gas exhaust hole 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. , and is communicated with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown). The oxidizing gas exhaust header 223 collects the exhaust oxidizing gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidizing gas exhaust header 223 through an oxidizing gas exhaust gap 235b (described later) through an oxidizing gas exhaust hole 233b. This leads to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。 The upper tube sheet 225a is arranged between the top plate of the upper casing 229a and the upper insulator 227a so that the upper tube sheet 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper insulator 227a are approximately parallel to each other. is fixed to the side plate. Further, the upper tube plate 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. This upper tube plate 225a airtightly supports one end of the plurality of cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237a and the adhesive member, and also supports the fuel gas supply header 217 and the oxidizing gas discharge header. 223.
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。 The upper insulating body 227a is arranged at the lower end of the upper casing 229a so that the upper insulating body 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper tube plate 225a are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. There is. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper insulator 227a includes an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper insulator 227a.
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。 The upper heat insulating body 227a partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge header 223, and prevents the atmosphere around the upper tube sheet 225a from becoming hot, resulting in a decrease in strength and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress the increase. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material that is durable at high temperatures, such as Inconel. This prevents thermal deformation. Further, the upper heat insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas that has passed through the power generation chamber 215 and been exposed to high temperature to the oxidizing gas exhaust header 223 through the oxidizing gas exhaust gap 235b.
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。 According to this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely between the inside and outside of the cell stack 101. As a result, heat exchange is performed between the exhaust oxidizing gas and the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube plate 225a made of metal material is prevented from buckling or the like. The gas is cooled to a temperature that does not cause deformation and is supplied to the oxidizing gas discharge header 223. Further, the temperature of the fuel gas is increased by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215, and then the fuel gas is supplied to the power generation chamber 215. As a result, fuel gas that has been preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。 The lower tube plate 225b is attached to the side plate of the lower casing 229b between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulating body 227b so that the bottom plate of the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulating body 227b are approximately parallel to each other. Fixed. Further, the lower tube plate 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are respectively inserted into the holes. This lower tube plate 225b airtightly supports the other end of the plurality of cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237b and the adhesive member, and also supports the fuel gas discharge header 219 and the oxidizing gas supply header. 221.
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。 The lower insulator 227b is arranged at the upper end of the lower casing 229b so that the lower insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. . Further, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 included in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower insulator 227b includes an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower insulator 227b.
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。 The lower heat insulating body 227b partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply header 221, and prevents the atmosphere around the lower tube sheet 225b from becoming hot, resulting in a decrease in strength and corrosion due to the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress the increase. Although the lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material such as Inconel that is durable at high temperatures, it is important to note that if the lower tube sheet 225b and the like are exposed to high temperatures and the temperature difference within the lower tube sheet 225b becomes large, thermal deformation may occur. It is something to prevent. Further, the lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。 According to this embodiment, the structure of the SOFC cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow oppositely between the inside and outside of the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the inside of the base tube 103 and the power generation chamber 215 undergoes heat exchange with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube sheet 225b made of metal material is heated. etc. are cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling and are supplied to the fuel gas discharge header 219. Further, the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas, and is supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to a temperature necessary for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead membranes 115 made of Ni/YSZ etc. provided in the plurality of fuel cells 105, and then transferred to the current collector rod (non-conductor) of the SOFC cartridge 203. The current is collected through a current collector plate (not shown) and taken out to the outside of each SOFC cartridge 203 .
前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。 The DC power led out to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined number of series and parallel numbers, and led out to the outside of the SOFC module 201. It is converted into predetermined alternating current power by a power conversion device (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown), and is supplied to a power supply destination (for example, a load facility or a power system).
本開示の一実施形態に係る燃料電池システム３１０の概略構成について説明する。
図４は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム３１０の概略構成を示した概略構成図である。図４に示すように、燃料電池システム３１０は、ターボチャージャ４１１、及びＳＯＦＣ３１３を備えている。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「ＳＯＦＣ」と記載する。この燃料電池システム３１０は、ＳＯＦＣ３１３により発電を行っている。そして、燃料電池システム３１０は、制御装置２０によって制御が行われている。
A schematic configuration of a fuel cell system 310 according to an embodiment of the present disclosure will be described.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system 310 according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 4, the fuel cell system 310 includes a turbocharger 411 and an SOFC 313. The SOFC 313 is configured by combining one or more SOFC modules (not shown), and will be simply referred to as "SOFC" hereinafter. This fuel cell system 310 generates power using an SOFC 313. The fuel cell system 310 is controlled by the control device 20.
ターボチャージャ４１１は、圧縮機４２１、及びタービン４２３を備えており、圧縮機４２１とタービン４２３とは回転軸４２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン４２３が回転することで圧縮機４２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機４２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。 The turbocharger 411 includes a compressor 421 and a turbine 423, and the compressor 421 and the turbine 423 are connected by a rotating shaft 424 so that they can rotate together. The compressor 421 is rotationally driven by the rotation of a turbine 423, which will be described later. This embodiment is an example in which air is used as the oxidizing gas, and the compressor 421 compresses air A taken in from the air intake line 325.
ターボチャージャ４１１を構成する圧縮機４２１に空気Ａを取り込んで圧縮し、圧縮された空気Ａを酸化性ガスＡ２としてＳＯＦＣの空気極１１３へと供給する。ＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスＡ３は、排酸化性ガスライン３３３を介して触媒燃焼器（燃焼器）４２２へ送られ、及びＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３は再循環ブロワ３４８で昇圧して、一部は燃料ガス再循環ライン３４９を介して燃料ガスライン３４１に再循環して供給するが、他部は排燃料ガスライン３４３を介して触媒燃焼器４２２へ送られる。 Air A is taken in and compressed by a compressor 421 that constitutes a turbocharger 411, and the compressed air A is supplied to the air electrode 113 of the SOFC as an oxidizing gas A2. The exhaust oxidizing gas A3 after being used in the chemical reaction for power generation in the SOFC is sent to the catalytic combustor (combustor) 422 via the exhaust oxidizing gas line 333, and is then used in the chemical reaction for power generation in the SOFC. The exhaust fuel gas L3 used in the reaction is pressurized by a recirculation blower 348, and part of it is recirculated and supplied to the fuel gas line 341 via a fuel gas recirculation line 349, while the other part is exhausted. The fuel gas is sent to the catalytic combustor 422 via the gas line 343.
このように、触媒燃焼器４２２には、排酸化性ガスＡ３及び排燃料ガスＬ３の一部とが供給されて図示しない触媒燃焼部において燃焼触媒を用いて比較的低温でも安定に燃焼させ（後述参照）、燃焼ガスＧを生成する。 In this way, the catalytic combustor 422 is supplied with the exhaust oxidizing gas A3 and part of the exhaust fuel gas L3, and is stably combusted even at a relatively low temperature using a combustion catalyst in the catalytic combustion section (not shown) (described later). ), producing combustion gas G.
触媒燃焼器４２２は、排燃料ガスＬ３、排酸化性ガスＡ３、及び必要に応じて燃料ガスＬ１を混合して触媒燃焼部において燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。触媒燃焼部には、例えばプラチナやパラジウムを主成分とする燃焼触媒が充填されており、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼が可能となっている。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じてタービン４２３に供給される。タービン４２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転駆動し、燃焼ガスＧが燃焼排ガスライン３２９から排出される。 The catalytic combustor 422 mixes the exhaust fuel gas L3, the exhaust oxidizing gas A3, and, if necessary, the fuel gas L1, and combusts the mixture in a catalytic combustion section to generate combustion gas G. The catalytic combustion section is filled with a combustion catalyst whose main component is platinum or palladium, for example, and enables stable combustion at relatively low temperatures and low oxygen concentrations. Combustion gas G is supplied to turbine 423 through combustion gas supply line 328. The turbine 423 is rotationally driven by the adiabatic expansion of the combustion gas G, and the combustion gas G is discharged from the combustion exhaust gas line 329.
触媒燃焼器４２２へは、制御弁３５２で流量を制御されて燃料ガスＬ１が供給される。燃料ガスＬ１は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。 The fuel gas L1 is supplied to the catalytic combustor 422 with its flow rate controlled by the control valve 352. The fuel gas L1 is a flammable gas, such as gas obtained by vaporizing liquefied natural gas (LNG), natural gas, city gas, hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), etc. Hydrocarbon gas and gas produced by gasification equipment for carbonaceous raw materials (oil, coal, etc.) are used. Fuel gas means fuel gas whose calorific value has been adjusted to be substantially constant in advance.
触媒燃焼器４２２で燃焼により高温化した燃焼ガスＧは、燃焼ガス供給ライン３２８を通じてターボチャージャ４１１を構成するタービン４２３に送られ、タービン４２３を回転駆動させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機４２１を駆動することで、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮して圧縮空気が発生する。酸化性ガス（空気）を圧縮して送風する回転機器の動力をターボチャージャ４１１で発生させることができるため、所要動力を低減して発電システムの発電効率を向上できる。 Combustion gas G heated to high temperature by combustion in the catalytic combustor 422 is sent to the turbine 423 that constitutes the turbocharger 411 through the combustion gas supply line 328, and rotates the turbine 423 to generate rotational power. By driving the compressor 421 with this rotational power, air A taken in from the air intake line 325 is compressed to generate compressed air. Since the turbocharger 411 can generate power for the rotating equipment that compresses and blows oxidizing gas (air), the required power can be reduced and the power generation efficiency of the power generation system can be improved.
熱交換器（再生熱交換器）４３０は、タービン４２３から排出された排ガスと圧縮機４２１から供給される酸化性ガスＡ２との間で熱交換を行う。排ガスは、酸化性ガスＡ２との熱交換で冷却された後に、例えば排熱回収装置４４２を介して、煙突（不図示）を通して外部に放出される。 The heat exchanger (regenerative heat exchanger) 430 performs heat exchange between the exhaust gas discharged from the turbine 423 and the oxidizing gas A2 supplied from the compressor 421. After the exhaust gas is cooled by heat exchange with the oxidizing gas A2, it is emitted to the outside through a chimney (not shown), for example, via the exhaust heat recovery device 442.
ＳＯＦＣ３１３は、還元剤として燃料ガスＬ１と、酸化剤として酸化性ガスＡ２とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールから構成され、ＳＯＦＣモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜１１１を備えている。 The SOFC 313 is supplied with fuel gas L1 as a reducing agent and oxidizing gas A2 as an oxidizing agent, and reacts at a predetermined operating temperature to generate electricity. The SOFC 313 is composed of an SOFC module (not shown), and houses an assembly of a plurality of cell stacks provided in a pressure vessel of the SOFC module.The cell stack (not shown) includes a fuel electrode 109, an air electrode 113, and a solid electrolyte. A membrane 111 is provided.
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に酸化性ガスＡ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ１が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の電力へと変換されて、電力需要先へ供給される。 The SOFC 313 generates electricity by supplying oxidizing gas A2 to the air electrode 113 and supplying the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, and converts the power to a predetermined amount of power by a power converter (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown). It is converted into electricity and supplied to the electricity demand destination.
ＳＯＦＣ３１３には、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスＡ２を空気極１１３へ供給する酸化性ガス供給ライン３３１が接続されている。酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスＡ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する酸化性ガスＡ２の流量を調整するための制御弁（酸化性ガス制御弁）３３５が設けられている。熱交換器４３０において、酸化性ガスＡ２は、燃焼排ガスライン３２９から排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温される。 An oxidizing gas supply line 331 that supplies oxidizing gas A2 compressed by a compressor 421 to the air electrode 113 is connected to the SOFC 313 . The oxidizing gas A2 is supplied to an oxidizing gas introducing portion (not shown) of the air electrode 113 through the oxidizing gas supply line 331. This oxidizing gas supply line 331 is provided with a control valve (oxidizing gas control valve) 335 for adjusting the flow rate of the oxidizing gas A2 to be supplied. In the heat exchanger 430, the oxidizing gas A2 is heated by exchanging heat with the combustion gas discharged from the combustion exhaust gas line 329.
更に、酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器４３０の伝熱部分をバイパスする熱交換器バイパスライン３３２が設けられている。熱交換器バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、酸化性ガスのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁３３５及び制御弁３３６の開度が制御されることで、熱交換器４３０を通過する酸化性ガスと熱交換器４３０をバイパスする酸化性ガスとの流量割合が調整され、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度が調整される。 Further, the oxidizing gas supply line 331 is provided with a heat exchanger bypass line 332 that bypasses the heat transfer portion of the heat exchanger 430. A control valve 336 is provided in the heat exchanger bypass line 332, and the bypass flow rate of the oxidizing gas can be adjusted. By controlling the opening degrees of the control valve 335 and the control valve 336, the flow rate ratio of the oxidizing gas passing through the heat exchanger 430 and the oxidizing gas bypassing the heat exchanger 430 is adjusted, and the flow rate is adjusted. The temperature of the oxidizing gas A2 is adjusted.
ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度は、ＳＯＦＣ３１３の燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う温度を維持するとともに、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。 The temperature of the oxidizing gas A2 supplied to the SOFC 313 is maintained at a temperature at which the fuel gas of the SOFC 313 and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate electricity, and the temperature of each SOFC module (not shown) constituting the SOFC 313 is maintained. The upper temperature limit is limited to prevent damage to component materials.
ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられて排出された排酸化性ガスＡ３を触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３へ供給する排酸化性ガスライン３３３が接続されている。排酸化性ガスライン３３３は、排空気冷却器３５１が設けられている。具体的には、排酸化性ガスライン３３３において、後述するオリフィス４４１よりも上流側に排空気冷却器３５１が設けられており、酸化性ガス供給ライン３３１を流れる酸化性ガスＡ２との熱交換によって排酸化性ガスＡ３を冷却する。 The SOFC 313 is connected to an exhaust oxidant gas line 333 that supplies the exhaust oxidant gas A3 used and discharged from the air electrode 113 to the turbine 423 via the catalytic combustor 422. The exhaust oxidizing gas line 333 is provided with an exhaust air cooler 351. Specifically, in the exhaust oxidizing gas line 333, an exhaust air cooler 351 is provided upstream of an orifice 441, which will be described later. Cool the exhaust oxidizing gas A3.
また、排酸化性ガスライン３３３には、圧損部が設けられている。本実施形態では、圧損部として、オリフィス４４１が設けられている。オリフィス４４１は、排酸化性ガスライン３３３を流通する排酸化性ガスＡ３に対して圧損を付加する。なお、圧損部としては、オリフィス４４１に限らず、例えばベンチュリ管など絞り部を設けてもよく、排酸化性ガスＡ３に圧力損失を付加することが可能な手段であれば用いることが可能である。 Further, the exhaust oxidizing gas line 333 is provided with a pressure loss portion. In this embodiment, an orifice 441 is provided as a pressure loss section. The orifice 441 applies pressure loss to the exhaust oxidizing gas A3 flowing through the exhaust oxidizing gas line 333. Note that the pressure loss part is not limited to the orifice 441, and a constriction part such as a venturi pipe may be provided, for example, and any means capable of adding pressure loss to the exhaust oxidizing gas A3 can be used. .
また、圧損部としては例えば、追設バーナを設けることでもよい。追設バーナにより排酸化性ガスに圧力損出を発生させるとともに、触媒燃焼器４２２での燃焼容量を超える燃焼が必要になった際に追加燃料分を燃焼させることができるので、排酸化性ガスに充分な熱量を供給可能となる。 Further, as the pressure loss section, for example, an additional burner may be provided. The additional burner generates a pressure drop in the exhaust oxidizing gas, and when it becomes necessary to burn more than the combustion capacity of the catalytic combustor 422, additional fuel can be combusted, so the exhaust oxidizing gas It is possible to supply sufficient heat to the
燃料電池システム３１０では空気極１１３側と燃料極１０９側の圧力差が所定の範囲内となるように排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７によって制御するため、排燃料ガスライン３４３と合流する排酸化性ガスライン３３３に対して圧力損失を付加することで、排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７を安定的に制御するのに必要な動作差圧を確保することができる。 In the fuel cell system 310, the pressure difference between the air electrode 113 side and the fuel electrode 109 side is controlled by a regulating valve 347 provided in the exhaust gas line 343 so that the pressure difference between the air electrode 113 side and the fuel electrode 109 side is within a predetermined range. By adding a pressure loss to the exhaust oxidizing gas line 333, it is possible to secure the operating pressure difference necessary to stably control the regulating valve 347 provided in the exhaust fuel gas line 343.
また、排酸化性ガスライン３３３に対しては、排酸化性ガスＡ３を大気（系外）へ放出するベント系統およびベント弁は設けられていない。例えば、ＳＯＦＣと空気極１１３から排出される排酸化性ガスＡ３と燃料極１０９から排出される排燃料ガスＬ３を燃焼させるガスタービン（例えばマイクロガスタービン）とを組み合わせる発電システムの場合には、起動時や停止時などに、マイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極１１３へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化する場合がある。 Further, the exhaust oxidizing gas line 333 is not provided with a vent system and a vent valve for discharging the exhaust oxidizing gas A3 to the atmosphere (outside the system). For example, in the case of a power generation system that combines an SOFC and a gas turbine (for example, a micro gas turbine) that burns exhaust oxidizing gas A3 discharged from the air electrode 113 and exhaust fuel gas L3 discharged from the fuel electrode 109, starting The pressure state of the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 may change depending on the change in the state of the micro gas turbine, such as when the micro gas turbine is in operation or stopped.
更には圧力の急変動により燃料極１０９と空気極１１３の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスＡ３を大気など系外へ放出するベント系統およびベント弁が必要となる。 Furthermore, there is a possibility that the differential pressure control between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 will malfunction due to sudden changes in pressure, and if a trip occurs for some reason, the micro gas turbine generator will be placed under no load. Therefore, it may be necessary to take protective measures for the micro gas turbine. Therefore, a vent system and a vent valve are required to discharge the exhaust oxidizing gas A3 to the outside of the system, such as the atmosphere.
本実施形態では、ターボチャージャ４１１を用いており、回転軸に連通した発電機がなく負荷を負っていないので、トリップ時に負荷が消失して過回転となり急激に圧力が上昇するということもなく、調整弁３４７によって差圧状態を安定的に制御することが可能であるため、排酸化性ガスＡ３を大気放出する機構（べント系統およびベント弁）を省略することができる。 In this embodiment, the turbocharger 411 is used, and since there is no generator connected to the rotating shaft and there is no load on it, there is no possibility that the load will disappear at the time of tripping, resulting in overspeed and a sudden increase in pressure. Since the differential pressure state can be stably controlled by the regulating valve 347, the mechanism (vent system and vent valve) for releasing the exhaust oxidizing gas A3 into the atmosphere can be omitted.
ＳＯＦＣ３１３には、更に、燃料ガスＬ１を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する燃料ガスライン３４１と、燃料極１０９で反応に用いられて排出された排燃料ガスＬ３とを、触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３へ供給する排燃料ガスライン３４３とが接続されている。燃料ガスライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ１の流量を調整するための制御弁（燃料ガス制御弁）３４２が設けられている。 The SOFC 313 further includes a fuel gas line 341 that supplies the fuel gas L1 to a fuel gas inlet (not shown) of the fuel electrode 109, and a fuel gas line 341 that supplies the fuel gas L1 to a fuel gas inlet (not shown) of the fuel electrode 109, and a fuel gas line 341 that supplies the exhaust fuel gas L3 discharged from the fuel electrode 109 by catalytic combustion. An exhaust fuel gas line 343 that supplies the turbine 423 via the vessel 422 is connected to the exhaust gas line 343 . The fuel gas line 341 is provided with a control valve (fuel gas control valve) 342 for adjusting the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109.
排燃料ガスライン３４３には、再循環ブロワ３４８が設けられている。また、排燃料ガスライン３４３には、触媒燃焼器４２２に供給する排燃料ガスＬ３の一部の流量を調整するための調整弁３４７が設けられている。換言すると調整弁３４７は、排燃料ガスＬ３の圧力状態を調整していることとなる。このため、後述するように、制御装置２０によって、調整弁３４７を制御することにより、燃料極１０９と空気極１１３の差圧を調整することができる。 A recirculation blower 348 is provided in the exhaust gas line 343 . Further, the exhaust gas line 343 is provided with a regulating valve 347 for adjusting the flow rate of a portion of the exhaust fuel gas L3 supplied to the catalytic combustor 422. In other words, the regulating valve 347 regulates the pressure state of the exhaust fuel gas L3. Therefore, as will be described later, by controlling the regulating valve 347 using the control device 20, the differential pressure between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 can be adjusted.
排燃料ガスライン３４３には、再循環ブロワ３４８の下流側に、排燃料ガスＬ３を大気（系外）へ放出する排燃料ガス放出ライン３５０が接続されている。そして、排燃料ガス放出ライン３５０には遮断弁（燃料ベント弁）３４６が設けられている。すなわち、遮断弁３４６を開とすることによって、排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３の一部を排燃料ガス放出ライン３５０から放出することができる。 The exhaust fuel gas line 343 is connected downstream of the recirculation blower 348 to an exhaust fuel gas release line 350 that discharges the exhaust fuel gas L3 to the atmosphere (outside the system). A cutoff valve (fuel vent valve) 346 is provided in the exhaust fuel gas release line 350. That is, by opening the cutoff valve 346, a part of the exhaust fuel gas L3 in the exhaust gas line 343 can be released from the exhaust fuel gas release line 350.
排燃料ガスＬ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が燃料ガスライン３４１に接続されている。 Excessive pressure can be quickly adjusted by discharging the exhaust fuel gas L3 out of the system. Furthermore, a fuel gas recirculation line 349 for recirculating the exhaust fuel gas L3 to the fuel gas introduction part of the fuel electrode 109 of the SOFC 313 is connected to the fuel gas line 341 .
更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ１を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。純水供給ライン３６１にはポンプ３６２が設けられている。ポンプ３６２の吐出流量が制御されることにより、燃料極１０９に供給される純水量が調整される。発電中には燃料極にて水蒸気が生成されるので排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３には水蒸気が含まれるので、燃料ガス再循環ライン３４９で水蒸気を再循環して供給することによって、純水供給ライン３６１で供給する純水流量を低減もしくは遮断することができる。 Further, the fuel gas recirculation line 349 is provided with a pure water supply line 361 that supplies pure water for reforming the fuel gas L1 to the fuel electrode 109. A pump 362 is provided in the pure water supply line 361. By controlling the discharge flow rate of the pump 362, the amount of pure water supplied to the fuel electrode 109 is adjusted. Since water vapor is generated at the fuel electrode during power generation, the waste fuel gas L3 in the waste fuel gas line 343 contains water vapor, so by recirculating and supplying the water vapor in the fuel gas recirculation line 349, The flow rate of pure water supplied by the pure water supply line 361 can be reduced or cut off.
次に、圧縮機４２１から吐出された酸化性ガスを放出する構成について説明する。具体的には、圧縮機４２１の下流側における酸化性ガス供給ライン３３１において、酸化性ガスが熱交換器４３０をバイパスして系外（外部）へ排出するように流通可能な酸化性ガスブローライン４４４が設けられている。酸化性ガスブローライン４４４は、一端が酸化性ガス供給ライン３３１の熱交換器４３０の上流側に接続されており、他端は、タービン４２３の後流側となる燃焼排ガスライン３２９の熱交換器４３０の下流側に接続されている。 Next, a configuration for releasing the oxidizing gas discharged from the compressor 421 will be described. Specifically, in the oxidizing gas supply line 331 on the downstream side of the compressor 421, there is an oxidizing gas blow line through which the oxidizing gas can bypass the heat exchanger 430 and be discharged outside the system (outside). 444 are provided. One end of the oxidizing gas blow line 444 is connected to the upstream side of the heat exchanger 430 of the oxidizing gas supply line 331, and the other end is connected to the heat exchanger of the combustion exhaust gas line 329 downstream of the turbine 423. 430 on the downstream side.
そして、酸化性ガスブローライン４４４には、ブロー弁（制御弁）４４５が設けられている。すなわち、ブロー弁４４５を開とすることによって、圧縮機４２１から吐出された酸化性ガスの一部が、酸化性ガスブローライン４４４を介して煙突（不図示）を通して系外部の大気などに放出される。 The oxidizing gas blow line 444 is provided with a blow valve (control valve) 445. That is, by opening the blow valve 445, a part of the oxidizing gas discharged from the compressor 421 is released into the atmosphere outside the system through the oxidizing gas blow line 444 and the chimney (not shown). Ru.
次に、燃料電池システム３１０の起動に用いる構成について説明する。酸化性ガス供給ライン３３１には、酸化性ガスブローライン４４４との接続点の下流側に制御弁４５１が設けられており、制御弁４５１の下流側（熱交換器４３０の上流側）に、起動用空気を供給するブロワ（送風機）４５２及び制御弁４５３を有する起動用空気ライン４５４が接続されている。燃料電池システム３１０の起動を行う場合に、ブロワ４５２により起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給しつつ、制御弁４５１及び制御弁４５３によって圧縮機４２１からの酸化性ガスと切り替えを行う。 Next, the configuration used to start up the fuel cell system 310 will be described. The oxidizing gas supply line 331 is provided with a control valve 451 downstream of the connection point with the oxidizing gas blow line 444. A starting air line 454 having a blower 452 and a control valve 453 for supplying air is connected. When starting the fuel cell system 310, the blower 452 supplies starting air to the oxidizing gas supply line 331, and the control valves 451 and 453 switch between starting air and the oxidizing gas from the compressor 421.
また、酸化性ガス供給ライン３３１において、熱交換器４３０の下流側（制御弁３３５の上流側）には起動用空気加熱ライン（酸化性ガス加熱ライン）４５５が接続されており、制御弁４５６を介して排空気冷却器３５１の下流側の排酸化性ガスライン３３３へ接続されると共に、制御弁（加熱制御弁）４５７を介して酸化性ガス供給ライン３３１（空気極１１３の入口側）へ接続されている。 Further, in the oxidizing gas supply line 331, a starting air heating line (oxidizing gas heating line) 455 is connected to the downstream side of the heat exchanger 430 (upstream side of the control valve 335). It is connected to the exhaust oxidizing gas line 333 on the downstream side of the exhaust air cooler 351 through the oxidizing gas supply line 331 (inlet side of the air electrode 113) through the control valve (heating control valve) 457. has been done.
また、起動用空気加熱ライン４５５には、起動用加熱器４５８が設けられており、燃料ガスＬ１が制御弁４５９を介して供給され、起動用空気加熱ライン４５５を流通する酸化性ガスの加熱が行われる。なお、制御弁４５７は、起動用加熱器４５８へ供給する酸化性ガスの流量を調整し、ＳＯＦＣ３１３へ供給する酸化性ガスの温度を制御する。このように、起動用空気加熱ライン４５５と、制御弁４５７と、起動用加熱器４５８とは、酸化性ガス供給ライン３３１を流通する酸化性ガスを加熱する加熱部として機能する。 Further, the starting air heating line 455 is provided with a starting heater 458, to which the fuel gas L1 is supplied via a control valve 459, and the oxidizing gas flowing through the starting air heating line 455 is heated. It will be done. Note that the control valve 457 adjusts the flow rate of the oxidizing gas supplied to the startup heater 458 and controls the temperature of the oxidizing gas supplied to the SOFC 313 . In this way, the starting air heating line 455, the control valve 457, and the starting heater 458 function as a heating section that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line 331.
また、燃料ガスＬ１は、制御弁４６０を介して空気極１１３へも供給される。制御弁４６０は、例えばＳＯＦＣ３１３の起動時に起動用空気加熱ライン４５５における制御弁４５７の下流側から空気極１１３へ燃料ガスＬ１が供給され、触媒燃焼により発電室温度が昇温される際の、空気極１１３へ供給する燃料ガスＬ１の流量を制御する。 Further, the fuel gas L1 is also supplied to the air electrode 113 via the control valve 460. For example, the control valve 460 supplies air when the fuel gas L1 is supplied from the downstream side of the control valve 457 in the startup air heating line 455 to the air electrode 113 when the SOFC 313 is started, and the temperature of the power generation chamber is increased by catalytic combustion. The flow rate of the fuel gas L1 supplied to the pole 113 is controlled.
制御装置２０は、燃料電池システム３１０に対する起動制御を行う。ＳＯＦＣとターボチャージャ４１１とを組み合わせた燃料電池システムにおいて、ターボチャージャ４１１は例えばマイクロガスタービンと異なり単独で起動することができない。このため、外部から起動用空気を供給する必要がある。このため、起動の際には、ＳＯＦＣへ供給する酸化性ガスの供給を、起動用空気から、ターボチャージャ４１１の圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスへと切り替えを行う必要がある。このため制御装置２０では、制御弁４５１と、ブロー弁４４５とを制御する。 The control device 20 performs startup control for the fuel cell system 310. In a fuel cell system that combines an SOFC and a turbocharger 411, the turbocharger 411 cannot be started independently, unlike, for example, a micro gas turbine. Therefore, it is necessary to supply starting air from outside. Therefore, at startup, it is necessary to switch the supply of oxidizing gas to the SOFC from startup air to the oxidizing gas compressed by the compressor 421 of the turbocharger 411. Therefore, the control device 20 controls the control valve 451 and the blow valve 445.
図５は、本実施形態に係る制御装置２０のハードウェア構成の一例を示した図である。
図５に示すように、制御装置２０は、コンピュータシステム（計算機システム）であり、例えば、ＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１３と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）１４と、ネットワーク等に接続するための通信部１５とを備えている。なお、大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）を用いることとしてもよい。これら各部は、バス１８を介して接続されている。
FIG. 5 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the control device 20 according to this embodiment.
As shown in FIG. 5, the control device 20 is a computer system, and includes, for example, a CPU 11, a ROM (Read Only Memory) 12 for storing programs executed by the CPU 11, and a ROM (Read Only Memory) 12 for storing programs executed by the CPU 11. A RAM (Random Access Memory) 13 that functions as a work area, a hard disk drive (HDD) 14 as a mass storage device, and a communication section 15 for connecting to a network or the like. Note that a solid state drive (SSD) may be used as the mass storage device. These parts are connected via a bus 18.
また、制御装置２０は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。なお、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭ１２に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。 Further, the control device 20 may include an input unit such as a keyboard and a mouse, and a display unit such as a liquid crystal display device that displays data. Note that the storage medium for storing programs and the like executed by the CPU 11 is not limited to the ROM 12. For example, other auxiliary storage devices such as a magnetic disk, a magneto-optical disk, and a semiconductor memory may be used.
後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でハードディスクドライブ１４等に記録されており、このプログラムをＣＰＵ１１がＲＡＭ１３等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭ１２やその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体には、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等がある。 A series of processing steps for realizing various functions described below are recorded in the form of a program in the hard disk drive 14, etc., and the CPU 11 reads this program into the RAM 13 etc. to process information and perform arithmetic processing. As a result, various functions described below are realized. Note that the program may be pre-installed in the ROM 12 or other storage medium, provided as being stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. etc. may also be applied. Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, semiconductor memories, and the like.
次に、燃料電池システム３１０の起動方法について図面を参照して説明する。図６は、本実施形態の燃料電池システム３１０の起動方法を示すフローチャートである。図６に示す各処理は、制御装置２０が燃料電池システム３１０の各部を制御することにより実行される。 Next, a method for starting the fuel cell system 310 will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a flowchart showing a method for starting the fuel cell system 310 of this embodiment. Each process shown in FIG. 6 is executed by the control device 20 controlling each part of the fuel cell system 310.
図７は、触媒燃焼器４２２へ供給される燃料ガスＬ１の変化を示すグラフである。図８は、ブロー弁４４５の開度の変化を示すグラフである。図９は、燃料極１０９へ供給される燃料ガスＬ１の流量の変化を示すグラフである。図１０は、発電室２１５の温度の変化を示すグラフである。図１１は、タービン４２３の回転数の変化を示すグラフである。図１２は、発電室２１５へ供給される酸化性ガスの流量の変化を示すグラフである。 FIG. 7 is a graph showing changes in the fuel gas L1 supplied to the catalytic combustor 422. FIG. 8 is a graph showing changes in the opening degree of the blow valve 445. FIG. 9 is a graph showing changes in the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109. FIG. 10 is a graph showing changes in temperature of the power generation chamber 215. FIG. 11 is a graph showing changes in the rotation speed of the turbine 423. FIG. 12 is a graph showing changes in the flow rate of oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215.
ステップＳ１０１において、制御装置２０は、系統パージを実行する。制御装置２０は、制御弁４４３、制御弁４５３、ブロー弁４４５、制御弁３３５、制御弁４５６、及び調整弁３４７を開状態とし、他の弁を閉状態とする。燃料極１０９側には、制御弁４４３を介して窒素が通気される。そして、ブロワ４５２が起動され、起動用空気が制御弁４５３と制御弁３３５が開にあることで空気極１１３側へ供給されて通気される。これによってＳＯＦＣ３１３がパージされる。 In step S101, the control device 20 executes system purge. The control device 20 opens the control valve 443, the control valve 453, the blow valve 445, the control valve 335, the control valve 456, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. Nitrogen is vented to the fuel electrode 109 side via a control valve 443. Then, the blower 452 is activated, and when the control valve 453 and the control valve 335 are open, the air for activation is supplied to the air electrode 113 side and ventilated. This purges the SOFC 313.
制御弁４５６が開となることによって、起動用空気がＳＯＦＣ３１３をバイパスして起動用加熱器４５８を介して触媒燃焼器４２２へ通気される。これによって、タービン４２３が起動用空気によって回転を開始する。タービン４２３の回転に伴い同軸で接続された圧縮機４２１が回転を開始する。 By opening the control valve 456, the startup air bypasses the SOFC 313 and is vented to the catalytic combustor 422 via the startup heater 458. As a result, the turbine 423 starts rotating using the starting air. As the turbine 423 rotates, the coaxially connected compressor 421 starts rotating.
圧縮機４２１では酸化性ガスを圧縮し、圧縮された酸化性ガスはブロー弁４４５が開にあることで酸化性ガスブローライン４４４を通じて系外へ排出される。系外へ排出されることによって圧縮機４２１のサージングが防止される。サージングとは、圧縮機４２１の出口の圧力が上昇して圧縮機４２１が失速したり、圧縮空気が逆流したりする等の異常状態である。なお、燃料極１０９と空気極１１３との差圧制御は調整弁３４７によって行われる。 The compressor 421 compresses the oxidizing gas, and when the blow valve 445 is open, the compressed oxidizing gas is discharged to the outside of the system through the oxidizing gas blow line 444. Surging of the compressor 421 is prevented by being discharged to the outside of the system. Surging is an abnormal state in which the pressure at the outlet of the compressor 421 increases and the compressor 421 stalls or compressed air flows backward. Note that the differential pressure between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 is controlled by a regulating valve 347.
ステップＳ１０２で、制御装置２０は、起動用加熱器４５８の着火を行う。制御装置２０は、制御弁４５３、ブロー弁４４５、制御弁３３５、制御弁４５６、制御弁４５９、及び調整弁３４７を開状態とし、他の弁を閉状態とする。また、制御弁４５７は状況に応じて開状態としてもよい。すなわち、パージ完了後、制御弁４５６を絞り、制御弁３３５を開くことによって、ＳＯＦＣ３１３をバイパスして触媒燃焼器４２２へ供給する起動用空気の流量を減少させ、ＳＯＦＣ３１３へ供給する起動用空気を増加させる。 In step S102, the control device 20 ignites the startup heater 458. The control device 20 opens the control valve 453, the blow valve 445, the control valve 335, the control valve 456, the control valve 459, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. Further, the control valve 457 may be in an open state depending on the situation. That is, after the purge is completed, by throttling the control valve 456 and opening the control valve 335, the flow rate of the startup air bypassed by the SOFC 313 and supplied to the catalytic combustor 422 is reduced, and the amount of startup air supplied to the SOFC 313 is increased. let
燃料極１０９と空気極１１３との差圧制御は調整弁３４７によって行われる。そして、制御弁４５９から燃料ガスＬ１の一部を供給して起動用加熱器４５８を着火し、起動用空気を昇温する。これによって、タービン４２３の入口温度が上昇し、系内圧力が上昇する。 The pressure difference between the fuel electrode 109 and the air electrode 113 is controlled by a regulating valve 347. Then, a part of the fuel gas L1 is supplied from the control valve 459 to ignite the startup heater 458 and raise the temperature of the startup air. As a result, the inlet temperature of the turbine 423 increases, and the system pressure increases.
ステップＳ１０３で、制御装置２０は、触媒燃焼器４２２の着火を行う。制御装置２０は、制御弁４５３、ブロー弁４４５、制御弁３３５、制御弁４５６、制御弁４５９、制御弁３５２、及び調整弁３４７を開状態とし、他の弁は閉状態とする。触媒燃焼器４２２へは、制御弁４５６を少し開いた状態（起動用空気量の約２０％）で送られる約４００℃～５００℃程度の起動用空気と、制御弁４５７を経由してＳＯＦＣ３１３から送られる起動用空気とが混合して供給される。これによって触媒燃焼器４２２の温度が上昇する。 In step S103, the control device 20 ignites the catalytic combustor 422. The control device 20 opens the control valve 453, the blow valve 445, the control valve 335, the control valve 456, the control valve 459, the control valve 352, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. Starting air of about 400°C to 500°C is sent to the catalytic combustor 422 with the control valve 456 slightly open (about 20% of the amount of starting air), and air from the SOFC 313 via the control valve 457. It is supplied mixed with the starting air that is sent. This increases the temperature of the catalytic combustor 422.
触媒燃焼器４２２の入口温度が規定温度（例えば３００℃～４００℃）に達すると、触媒燃焼器４２２へ制御弁３５２を介して燃料ガスＬ１が供給される。なお、燃料ガスＬ１を投入する際には、制御弁３５２は規定開度で一旦保持し、触媒燃焼器４２２の出口温度の上昇をみることで着火が確認される。そして、制御弁３５２は、触媒燃焼器４２２の出口温度に応じて開度制御（燃料ガスＬ１の流量制御）が行われる。 When the inlet temperature of the catalytic combustor 422 reaches a specified temperature (for example, 300° C. to 400° C.), the fuel gas L1 is supplied to the catalytic combustor 422 via the control valve 352. Note that when the fuel gas L1 is introduced, the control valve 352 is temporarily held at a specified opening degree, and ignition is confirmed by observing the rise in the outlet temperature of the catalytic combustor 422. The opening degree of the control valve 352 is controlled according to the outlet temperature of the catalytic combustor 422 (flow rate control of the fuel gas L1).
ステップＳ１０４で、制御装置２０は、ターボチャージャ４１１の自立を行う。制御装置２０は、制御弁３４２、制御弁４５３、制御弁３３５、制御弁４５６、制御弁４５９、制御弁３５２、及び調整弁３４７を開状態とし、他の弁を閉状態とする。時刻Ｔ１において、制御装置２０は、燃料ガス供給用の制御弁３４２を開いて燃料ガスＬ１を燃料極１０９に供給し、純水供給ライン３６１のポンプ３６２を駆動することで純水を燃料極１０９に供給する。ブロー弁４４５は閉方向へ制御され、制御弁４５１は開方向に制御がされる。すなわち、ターボチャージャ４１１の自立可能要件が満たされる場合に、ブロー弁４４５を徐々に閉としていき、制御弁４５１を徐々に開としていく。 In step S104, the control device 20 makes the turbocharger 411 independent. The control device 20 opens the control valve 342, the control valve 453, the control valve 335, the control valve 456, the control valve 459, the control valve 352, and the adjustment valve 347, and closes the other valves. At time T1, the control device 20 opens the fuel gas supply control valve 342 to supply the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, and drives the pump 362 of the pure water supply line 361 to supply pure water to the fuel electrode 109. supply to. The blow valve 445 is controlled in the closing direction, and the control valve 451 is controlled in the opening direction. That is, when the requirements for self-sustainability of the turbocharger 411 are satisfied, the blow valve 445 is gradually closed, and the control valve 451 is gradually opened.
自立可能要件とは、ターボチャージャ４１１の回転数が所定値以上となり、タービン４２３へ供給される燃焼ガスＧの温度（触媒燃焼器４２２の出口温度）が所定温度以上となった場合である。ブロー弁４４５を徐々に閉とすることにより、系外へ排出する酸化性ガスの流量を減少させる。ブロー弁４４５が全閉となり、制御弁４５１が所定開度（例えば全開）となると、制御弁４５３が閉となり、ブロワ４５２が停止されて起動用空気の供給が終了する。 The self-sustaining requirement is a case where the rotational speed of the turbocharger 411 becomes a predetermined value or more, and the temperature of the combustion gas G supplied to the turbine 423 (the outlet temperature of the catalytic combustor 422) becomes a predetermined temperature or more. By gradually closing the blow valve 445, the flow rate of the oxidizing gas discharged to the outside of the system is reduced. When the blow valve 445 is fully closed and the control valve 451 is opened to a predetermined degree (for example, fully open), the control valve 453 is closed, the blower 452 is stopped, and the supply of starting air is ended.
なお、ターボチャージャ４１１の回転数の上昇と、触媒燃焼器４２２の出口温度の上昇とに合わせて起動用空気の供給量が増加されることが好ましい。これによって、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスによってタービン４２３が回って圧縮機４２１が回転駆動されるため、ターボチャージャ４１１は自立運転状態となる。 Note that it is preferable that the amount of starting air supplied be increased in accordance with the increase in the rotational speed of the turbocharger 411 and the increase in the outlet temperature of the catalytic combustor 422. As a result, the turbine 423 is rotated by the oxidizing gas compressed by the compressor 421, and the compressor 421 is rotationally driven, so that the turbocharger 411 enters a self-sustaining state.
制御装置２０は、ターボチャージャ４１１の自立後に、各弁を制御して昇温を継続する。制御装置２０は、制御弁４５６によって酸化性ガスの温度を調整することにより、触媒燃焼器４２２の入口温度を制御する。また、制御装置２０は、制御弁３５２によって燃料ガスＬ１の流量を調整することにより、触媒燃焼器４２２の出口温度を制御する。 After the turbocharger 411 becomes independent, the control device 20 controls each valve to continue raising the temperature. The control device 20 controls the inlet temperature of the catalytic combustor 422 by adjusting the temperature of the oxidizing gas using the control valve 456. Furthermore, the control device 20 controls the outlet temperature of the catalytic combustor 422 by adjusting the flow rate of the fuel gas L1 using the control valve 352.
また、制御装置２０は、制御弁４５７によって起動用加熱器４５８を通過する酸化性ガスの流量を制御する。また、制御装置２０は、制御弁４５９によって、起動用加熱器４５８へ供給する燃料ガスＬ１流量を調整して起動用加熱器４５８の出口温度を制御する。また、制御装置２０は、制御弁３３５の開度を、ターボチャージャ４１１の回転数や入口温度に応じて設定する。 Further, the control device 20 controls the flow rate of the oxidizing gas passing through the startup heater 458 using the control valve 457 . Further, the control device 20 controls the outlet temperature of the startup heater 458 by adjusting the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the startup heater 458 using the control valve 459 . Further, the control device 20 sets the opening degree of the control valve 335 according to the rotation speed and the inlet temperature of the turbocharger 411.
また、空気極１１３側の入口の酸化性ガスの温度が規定温度に到達することで（または発電室２１５の温度が規定温度に達することで）、制御弁４５７の開度が閉方向に制御されて、起動用加熱器４５８へ供給される空気流量が起動用加熱器４５８の使用下限に到達まで減少した場合に、起動用加熱器４５８を停止させる。すなわち、ターボチャージャの自立後において、空気極１１３へ供給される酸化性ガスの温度または発電室２１５の温度が規定温度に達するまで、起動用加熱器４５８で加熱した空気がＳＯＦＣ３１３へ供給されて昇温が行われる。 Furthermore, when the temperature of the oxidizing gas at the inlet on the air electrode 113 side reaches the specified temperature (or when the temperature of the power generation chamber 215 reaches the specified temperature), the opening degree of the control valve 457 is controlled in the closing direction. Then, when the air flow rate supplied to the startup heater 458 decreases to the lower limit of use of the startup heater 458, the startup heater 458 is stopped. That is, after the turbocharger becomes independent, air heated by the startup heater 458 is supplied to the SOFC 313 and raised until the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 or the temperature of the power generation chamber 215 reaches the specified temperature. Warmth is done.
ステップＳ１０５で、制御装置２０は、制御弁３５２を閉状態とし、触媒燃焼器４２２への燃料ガスＬ１の供給を停止する。触媒燃焼器４２２への燃料ガスＬ１の供給を停止するのは、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始することにより排燃料ガスが触媒燃焼器４２２へ導かれてタービン４２３の回転数が増加するのを抑制するためである。図７に実線で示すように、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給が開始される時刻Ｔ１に先立って、触媒燃焼器４２２へ供給される燃料ガスの流量がＦＬ１から０に変化する。 In step S105, the control device 20 closes the control valve 352 and stops supplying the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422. The reason why the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 is stopped is that by starting the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, the exhaust fuel gas is guided to the catalytic combustor 422 and the rotation speed of the turbine 423 is increased. This is to suppress the increase. As shown by the solid line in FIG. 7, the flow rate of the fuel gas supplied to the catalytic combustor 422 changes from FL1 to 0 prior to time T1 when the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started.
ステップＳ１０６で、制御装置２０は、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えて燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始したことに応じて、ブロー弁４４５を開状態とする。図８に示すように、制御装置２０は、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替える時刻Ｔ１の後に、ブロー弁４４５の開度を０からＯＰ１となるように制御する。 In step S106, the control device 20 opens the blow valve 445 in response to switching the control valve 342 from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas L1 to the fuel electrode 109. As shown in FIG. 8, the control device 20 controls the opening degree of the blow valve 445 from 0 to OP1 after time T1 when the control valve 342 is switched from the closed state to the open state.
ブロー弁４４５を開状態とするのは、空気極１１３へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極１０９へ供給される燃料ガスＬ１の供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止するためである。制御装置２０は、ブロー弁４４５の開度ＯＰ１を、タービン４２３の回転数が所定の回転数で一定となるように調整する。 Opening the blow valve 445 is because the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode 113 becomes excessive with respect to the amount of fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109, resulting in a longer startup time. This is to prevent this from happening. The control device 20 adjusts the opening degree OP1 of the blow valve 445 so that the rotation speed of the turbine 423 is constant at a predetermined rotation speed.
ステップＳ１０６において、制御装置２０は、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する時刻Ｔ１の後に、ブロー弁４４５を閉状態から開状態に切り替えるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、ターボチャージャ４１１の自立を行った後であれば、時刻Ｔ１と同時にブロー弁４４５を閉状態から開状態に切り替えてもよい。また、時刻Ｔ１よりも前にブロー弁４４５を閉状態から開状態に切り替えてもよい。 In step S106, the control device 20 switches the blow valve 445 from the closed state to the open state after the time T1 at which the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. good. For example, after the turbocharger 411 becomes independent, the blow valve 445 may be switched from the closed state to the open state at the same time as time T1. Further, the blow valve 445 may be switched from the closed state to the open state before time T1.
ステップＳ１０７で、制御装置２０は、発電室２１５の温度（例えば、複数の計測箇所のうち最高温度）が規定温度に到達した場合、制御弁４６０を開き小流量の燃料ガスＬ１を空気極１１３へ供給し、ＳＯＦＣ３１３の発電室２１５を更に昇温する。空気と燃料ガスＬ１とが流入した空気極１１３では、空気極１１３の触媒作用によって燃料ガスＬ１が空気極１１３で触媒燃焼し、この発熱を用いて発電室２１５の温度を上昇させる。 In step S107, when the temperature of the power generation chamber 215 (for example, the highest temperature among the plurality of measurement points) reaches the specified temperature, the control device 20 opens the control valve 460 and supplies a small flow rate of the fuel gas L1 to the air electrode 113. The power generation chamber 215 of the SOFC 313 is further heated. At the air electrode 113 into which the air and the fuel gas L1 have flowed, the fuel gas L1 is catalytically burned by the catalytic action of the air electrode 113, and the temperature of the power generation chamber 215 is increased using this heat generation.
ステップＳ１０８で、制御装置２０は、発電室２１５が所定の予熱状態であるかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０９に処理を進める。所定の予熱状態とは、例えば、発電室２１５の温度が規定温度Ｔｅ２（例えば、７００℃；図１０参照）以上となった状態をいう。 In step S108, the control device 20 determines whether the power generation chamber 215 is in a predetermined preheated state, and if YES, the process proceeds to step S109. The predetermined preheating state is, for example, a state in which the temperature of the power generation chamber 215 is equal to or higher than a specified temperature Te2 (for example, 700° C.; see FIG. 10).
ステップＳ１０９で、制御装置２０は、発電室２１５が所定の予熱状態となったことに応じて、ブロー弁４４５を閉状態に切り替えるよう制御する。図８に示すように、制御装置２０は、発電室２１５が所定の予熱状態となった時刻Ｔ２において、ブロー弁４４５を閉状態に切り替える。 In step S109, the control device 20 controls the blow valve 445 to be switched to the closed state in response to the power generation chamber 215 being in a predetermined preheated state. As shown in FIG. 8, the control device 20 switches the blow valve 445 to the closed state at time T2 when the power generation chamber 215 enters a predetermined preheated state.
ステップＳ１１０で、制御装置２０は、発電室２１５が所定の予熱状態となったことに応じて、制御弁３５２を開状態とし、触媒燃焼器４２２への燃料ガスＬ１の供給を再開する。触媒燃焼器４２２への燃料ガスＬ１の供給を再開するのは、発電室２１５が所定の予熱状態となって触媒燃焼器４２２へ導かれる排燃料ガスＬ３が減少したためである。図７に実線で示すように、発電室２１５が所定の予熱状態となった時刻Ｔ２の後に、触媒燃焼器４２２へ供給される燃料ガスの流量が０からＦＬ１に変化する。 In step S110, the control device 20 opens the control valve 352 in response to the generation chamber 215 being in a predetermined preheated state, and restarts the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422. The reason why the supply of the fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 is restarted is because the power generation chamber 215 is in a predetermined preheated state and the exhaust fuel gas L3 guided to the catalytic combustor 422 is reduced. As shown by the solid line in FIG. 7, after time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined preheated state, the flow rate of the fuel gas supplied to the catalytic combustor 422 changes from 0 to FL1.
ステップＳ１１１で、制御装置２０は、ＳＯＦＣ３１３で生成される電力を電力変換装置（例えば、インバータ装置）により所定の交流電力へと変換し、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）への電力供給を開始するよう制御する。制御装置２０は、発電室２１５の温度（例えば、複数の計測箇所のうち最低温度）が規定温度Ｔｅ２（例えば７００℃）に到達し、燃料極１０９および空気極１１３の運転状態が所定条件に到達した後、ＳＯＦＣ３１３の発電を開始させる。空気極１１３に燃料ガスＬ１を添加供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室２１５の温度を上昇させる。 In step S111, the control device 20 converts the power generated by the SOFC 313 into predetermined AC power using a power conversion device (for example, an inverter device), and supplies power to the power supply destination (for example, load equipment or power grid). Control to start supply. The control device 20 controls when the temperature of the power generation chamber 215 (for example, the lowest temperature among the plurality of measurement points) reaches a specified temperature Te2 (for example, 700° C.), and the operating states of the fuel electrode 109 and the air electrode 113 reach a predetermined condition. After that, the SOFC 313 starts generating electricity. The temperature of the power generation chamber 215 is increased by the heat generated by catalytic combustion by adding and supplying the fuel gas L1 to the air electrode 113 and the heat generated by both power generation.
ステップＳ１１２で、制御装置２０は、発電室２１５が所定の加熱状態であるかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１１３に処理を進める。所定の加熱状態とは、例えば、発電室２１５の温度が発電による自己発熱で温度維持ができる所定温度Ｔｅ３（例えば、７５０℃）以上となった状態をいう。制御装置２０は、発電室２１５の温度が所定温度以上に上昇をした後は、空気極１１３へ添加供給される燃料ガスＬ１の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極１１３への燃料ガスＬ１の添加供給がゼロになるように制御する。 In step S112, the control device 20 determines whether the power generation chamber 215 is in a predetermined heating state, and if YES, the process proceeds to step S113. The predetermined heating state is, for example, a state in which the temperature of the power generation chamber 215 is equal to or higher than a predetermined temperature Te3 (for example, 750° C.) at which the temperature can be maintained by self-heating due to power generation. After the temperature of the power generation chamber 215 rises to a predetermined temperature or higher, the control device 20 gradually reduces the supply amount of the fuel gas L1 additionally supplied to the air electrode 113, and for example, the control device 20 gradually reduces the supply amount of the fuel gas L1 added to the air electrode 113. The additional supply of fuel gas L1 to 113 is controlled to be zero.
ステップＳ１１３で、制御装置２０は、燃料電池システム３１０の起動が完了したかを判断し、ＹＥＳであれば本フローチャートの処理を終了させる。制御装置２０は、ＳＯＦＣ３１３の発電室２１５の温度が目標温度に到達し、負荷が定格負荷などの目標負荷に到達したと判断した場合、燃料電池システム３１０の起動が完了したと判断する。このようにして、燃料電池システム３１０が起動される。 In step S113, the control device 20 determines whether startup of the fuel cell system 310 is completed, and if YES, ends the process of this flowchart. When the control device 20 determines that the temperature of the power generation chamber 215 of the SOFC 313 has reached the target temperature and the load has reached a target load such as a rated load, the control device 20 determines that the startup of the fuel cell system 310 has been completed. In this way, fuel cell system 310 is activated.
以上のように、本実施形態の燃料電池システム３１０は、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する際にブロー弁４４５を開状態とすることで、空気極１１３へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極１０９へ供給される燃料ガスＬ１の供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止する。 As described above, in the fuel cell system 310 of the present embodiment, by opening the blow valve 445 when starting the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, the oxidizing gas L1 supplied to the air electrode 113 is This prevents the start-up time from becoming longer due to the amount of gas supplied being excessive with respect to the amount of fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109.
以下、図７から図１２を参照して、本実施形態の燃料電池システム３１０と比較例の燃料電池システムとを対比する。比較例の燃料電池システムは、発電室２１５における発電を開始する際にブロー弁４４５を閉状態に維持するものである。 Hereinafter, with reference to FIGS. 7 to 12, the fuel cell system 310 of this embodiment and the fuel cell system of a comparative example will be compared. The fuel cell system of the comparative example maintains the blow valve 445 in the closed state when starting power generation in the power generation chamber 215.
図７に示すように、本実施形態では、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する時刻Ｔ１に先立って、触媒燃焼器４２２へ供給される燃料ガスＬ１の流量はＦＬ１から０に変化する。一方、比較例では、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する時刻Ｔ１に先立って、触媒燃焼器４２２へ供給される燃料ガスＬ１の流量はＦＬ１から０より大きい最小流量に変化する。最小流量は、触媒燃焼器４２２の着火状態を維持するための流量である。 As shown in FIG. 7, in this embodiment, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the catalytic combustor 422 changes from FL1 to 0 prior to time T1 when supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. do. On the other hand, in the comparative example, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the catalytic combustor 422 changes from FL1 to a minimum flow rate greater than 0 prior to time T1 when supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started. The minimum flow rate is the flow rate for maintaining the ignition state of the catalytic combustor 422.
触媒燃焼器４２２への燃料ガスＬ１の供給を再開するタイミングは、本実施形態では時刻Ｔ２であるのに対し、比較例では時刻Ｔ２よりも遅い時刻Ｔ４の経過後である。時刻Ｔ４は、比較例の燃料電池システムの発電室が所定の加熱状態となるタイミングである。 The timing at which the supply of fuel gas L1 to the catalytic combustor 422 is restarted is time T2 in the present embodiment, whereas in the comparative example it is after time T4, which is later than time T2. Time T4 is the timing at which the power generation chamber of the fuel cell system of the comparative example enters a predetermined heating state.
図８に示すように、本実施形態では、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する時刻Ｔ１の後に、ブロー弁４４５の開度を０からＯＰ１となるように制御する。一方、比較例では、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する際にブロー弁４４５を閉状態に維持する。 As shown in FIG. 8, in this embodiment, after time T1 when supply of fuel gas L1 to fuel electrode 109 is started, the opening degree of blow valve 445 is controlled from 0 to OP1. On the other hand, in the comparative example, the blow valve 445 is maintained in the closed state when starting the supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109.
図９に示すように、本実施形態では、時刻Ｔ１で燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給が開始される。時刻Ｔ１から時刻Ｔ５までの期間において、燃料極１０９へ供給される燃料ガスＬ１の流量はＦＬ２で一定である。時刻Ｔ５でＳＯＦＣ３１３の発電室が目標温度に到達した後、燃料極１０９へ供給される燃料ガスＬ１の流量は目標負荷に応じて増減する。図９は、時刻Ｔ５から目標負荷が漸次増加する例を示している。なお、比較例において、燃料極１０９へ供給される燃料ガスＬ１の流量は、本実施形態と同様である。 As shown in FIG. 9, in this embodiment, supply of fuel gas L1 to the fuel electrode 109 is started at time T1. During the period from time T1 to time T5, the flow rate of fuel gas L1 supplied to fuel electrode 109 is constant at FL2. After the power generation chamber of the SOFC 313 reaches the target temperature at time T5, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 increases or decreases depending on the target load. FIG. 9 shows an example in which the target load gradually increases from time T5. Note that in the comparative example, the flow rate of the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 is the same as in the present embodiment.
図１０に示すように、本実施形態では、時刻Ｔ１から発電室２１５の温度がＴｅ１から漸次増加し、時刻Ｔ２においてＴｅ２に到達し、時刻Ｔ３において目標温度であるＴｅ３に到達する。一方、比較例では、時刻Ｔ１から発電室２１５の温度がＴｅ１から漸次増加し、時刻Ｔ２よりも後にＴｅ２に到達し、時刻Ｔ３よりも遅い時刻Ｔ５において目標温度であるＴｅ３に到達する。 As shown in FIG. 10, in this embodiment, the temperature of the power generation chamber 215 gradually increases from Te1 from time T1, reaches Te2 at time T2, and reaches Te3, which is the target temperature, at time T3. On the other hand, in the comparative example, the temperature of the power generation chamber 215 gradually increases from Te1 from time T1, reaches Te2 after time T2, and reaches the target temperature Te3 at time T5, which is later than time T3.
図１０から明らかなように、時刻Ｔ１から発電室２１５の温度が目標温度であるＴｅ２に到達するまでの起動時間は、本実施形態の燃料電池システム３１０の方が比較例の燃料電池システムよりも短い。これは、本実施形態では時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間でブローライン４４４から酸化性ガスが排出されるのに対し、比較例では、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の期間でブローライン４４４から酸化性ガスが排出されず発電室２１５の昇温に時間がかかるからである。 As is clear from FIG. 10, the startup time from time T1 until the temperature of the power generation chamber 215 reaches the target temperature Te2 is longer in the fuel cell system 310 of this embodiment than in the fuel cell system of the comparative example. short. This is because in the present embodiment, oxidizing gas is discharged from the blow line 444 during the period from time T1 to time T4, whereas in the comparative example, oxidizing gas is discharged from the blow line 444 during the period from time T1 to time T4. This is because the gas is not discharged and it takes time to raise the temperature of the power generation chamber 215.
図１１に示すように、本実施形態では、タービン４２３の回転数［ｒｐｍ］は、時刻Ｔ０でｒ４であったものが、ブロー弁４４５が開状態となったことに応じて低下し、時刻Ｔ１でｒ１となる。その後、時刻Ｔ１からタービン４２３の回転数が増加してｒ３となる。その後、タービン４２３の回転数は、漸次減少してｒ２となり、ブロー弁４４５を閉状態に切り替える時刻Ｔ２の後に再び増加して一定の回転数となる。タービン４２３の回転数がｒ３からｒ２に減少するのは、発電室２１５において燃料ガスＬ１が十分に反応することで排燃料ガスＬ３に含まれる未燃成分が減少し、触媒燃焼器４２２で生成される燃焼ガスＧが減少するからである。 As shown in FIG. 11, in this embodiment, the rotation speed [rpm] of the turbine 423, which was r4 at time T0, decreases in response to the blow valve 445 being in the open state, and at time T1 becomes r1. Thereafter, the rotation speed of the turbine 423 increases from time T1 to r3. Thereafter, the rotation speed of the turbine 423 gradually decreases to r2, and increases again to a constant rotation speed after time T2 when the blow valve 445 is switched to the closed state. The reason why the rotational speed of the turbine 423 decreases from r3 to r2 is because the fuel gas L1 reacts sufficiently in the power generation chamber 215, so that unburned components contained in the exhaust fuel gas L3 are reduced and are generated in the catalytic combustor 422. This is because the amount of combustion gas G is reduced.
一方、図１１に示すように、比較例では、タービン４２３の回転数は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４まで漸次増加し、その後に低下して一定の回転数となる。タービン４２３の回転数が時刻Ｔ１から時刻Ｔ４まで漸次増加するのは、時刻Ｔ１以降もブロー弁４４５の閉状態が維持されるからである。 On the other hand, as shown in FIG. 11, in the comparative example, the rotation speed of the turbine 423 gradually increases from time T1 to time T4, and then decreases to a constant rotation speed. The reason why the rotational speed of the turbine 423 gradually increases from time T1 to time T4 is because the blow valve 445 remains closed even after time T1.
図１２に示すように、本実施形態では、発電室２１５へ供給される酸化性ガスの流量は、時刻Ｔ０でＦＬ６であったものが、ブロー弁４４５が開状態となったことに応じて低下し、時刻Ｔ１でＦＬ３となる。その後、時刻Ｔ１から酸化性ガスの流量が増加してＦＬ５となる。その後、酸化性ガスの流量は、漸次減少してＦＬ４となり、ブロー弁４４５を閉状態に切り替える時刻Ｔ２の後に再び増加して一定の回転数となる。 As shown in FIG. 12, in this embodiment, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, which was FL6 at time T0, decreases in response to the blow valve 445 being opened. Then, at time T1, the state becomes FL3. Thereafter, the flow rate of the oxidizing gas increases from time T1 to FL5. Thereafter, the flow rate of the oxidizing gas gradually decreases to FL4, and increases again to a constant rotation speed after time T2 when the blow valve 445 is switched to the closed state.
一方、図１２に示すように、比較例では、発電室２１５へ供給される酸化性ガスの流量は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ４まで漸次増加し、その後に低下して一定の流量となる。酸化性ガスの流量が時刻Ｔ１から時刻Ｔ４まで漸次増加するのは、時刻Ｔ１以降もブロー弁４４５の閉状態が維持されるからである。 On the other hand, as shown in FIG. 12, in the comparative example, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215 gradually increases from time T1 to time T4, and then decreases to a constant flow rate. The reason why the flow rate of the oxidizing gas gradually increases from time T1 to time T4 is because the blow valve 445 remains closed even after time T1.
前述したフローチャートのステップＳ１０８では、発電室２１５の温度が発電による自己発熱で温度維持ができる所定温度以上となった場合に、発電室２１５が所定の加熱状態であると判断したが、他の態様であってもよい。例えば、図１１に示すように、タービン４２３（ターボチャージャ４１１）の単位時間当たりの回転数が上昇傾向（ｒ２からｒ３への変化）から低下傾向（ｒ３からｒ２への変化）に変化したことに応じて、発電室２１５が所定の加熱状態であると判断してもよい。この場合、制御装置２０は、タービン４２３の単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて、ブロー弁４４５を閉状態に切り替える。 In step S108 of the flowchart described above, it was determined that the power generation chamber 215 is in a predetermined heating state when the temperature of the power generation chamber 215 reaches or exceeds a predetermined temperature at which the temperature can be maintained by self-heating due to power generation. It may be. For example, as shown in FIG. 11, when the rotation speed per unit time of the turbine 423 (turbocharger 411) changes from an upward trend (change from r2 to r3) to a downward trend (change from r3 to r2), Accordingly, it may be determined that the power generation chamber 215 is in a predetermined heating state. In this case, the control device 20 switches the blow valve 445 to the closed state in response to the change in the number of rotations per unit time of the turbine 423 from an upward trend to a downward trend.
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム３１０が奏する作用および効果について説明する。 The functions and effects of the fuel cell system 310 of this embodiment described above will be described.
本実施形態の燃料電池システム３１０によれば、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えて燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給を開始する際に、ブロー弁４４５が開状態となる。圧縮機４２１で圧縮されて酸化性ガス供給ライン３３１に導かれた酸化性ガスＡ２の一部が開状態のブロー弁４４５から外部に排出されるため、ブロー弁４４５を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ライン３３１により空気極１１３へ供給される酸化性ガスＡ２の供給量が減少する。 According to the fuel cell system 310 of this embodiment, when the control valve 342 is switched from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas L1 to the fuel electrode 109, the blow valve 445 is opened. A part of the oxidizing gas A2 compressed by the compressor 421 and led to the oxidizing gas supply line 331 is discharged to the outside from the blow valve 445 in the open state, so compared to the case where the blow valve 445 is in the closed state. , the amount of oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 via the oxidizing gas supply line 331 decreases.
そのため、空気極１１３へ供給される酸化性ガスＡ２の供給量が燃料極１０９へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極１０９へ燃料ガスＬ１の供給を開始してから発電室２１５が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the supply amount of the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 from becoming excessive with respect to the supply amount of the fuel gas supplied to the fuel electrode 109, thereby preventing the startup time from becoming longer. Then, the startup time required from the start of supply of the fuel gas L1 to the fuel electrode 109 until the power generation chamber 215 reaches a predetermined heating state can be shortened.
本実施形態の燃料電池システム３１０によれば、燃料電池の発電室２１５が起動用加熱器４５８により加熱された酸化性ガスＡ２により所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁４４５が閉状態に切り替えられる。ブロー弁４４５が閉状態となると空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２の流量が増加するが、発電室２１５が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２と燃料極１０９に供給される燃料ガスＬ１とを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system 310 of the present embodiment, the blow valve 445 is in the closed state in response to the power generation chamber 215 of the fuel cell being brought into a predetermined heating state by the oxidizing gas A2 heated by the startup heater 458. can be switched to When the blow valve 445 is in the closed state, the flow rate of the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 increases, but the power generation chamber 215 is in a predetermined heated state and the activity of the catalyst of the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 and the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 can be caused to react appropriately.
本実施形態に係る燃料電池システム３１０によれば、発電室２１５の温度が所定温度以上となったことに応じてブロー弁４４５を閉状態に切り替えることにより、空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２の流量を増加する。発電室２１５の温度が所定温度以上となって燃料電池の触媒の活性が高まっているため、空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２と燃料極１０９に供給される燃料ガスＬ１とを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system 310 according to the present embodiment, the oxidizing gas is supplied to the air electrode 113 by switching the blow valve 445 to the closed state in response to the temperature of the power generation chamber 215 reaching a predetermined temperature or higher. Increase the flow rate of A2. Since the temperature of the power generation chamber 215 is higher than a predetermined temperature and the activity of the catalyst of the fuel cell is increasing, the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 and the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 are adjusted appropriately. can be reacted.
本実施形態に係る燃料電池システム３１０によれば、ターボチャージャ４１１の単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じてブロー弁４４５を閉状態に切り替える。上昇傾向から低下傾向への変化は、燃料電池の触媒の活性が高まったことにより未反応の排燃料ガスＬ３が減少したことを示す。ブロー弁４４５を閉状態とすることにより空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２の流量を増加するが、空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２と燃料極１０９に供給される燃料ガスＬ１とを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system 310 according to the present embodiment, the blow valve 445 is switched to the closed state in response to a change in the rotation speed per unit time of the turbocharger 411 from an upward trend to a downward trend. A change from an upward trend to a downward trend indicates that the unreacted exhaust fuel gas L3 has decreased due to an increase in the activity of the fuel cell catalyst. By closing the blow valve 445, the flow rate of the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 is increased, but the oxidizing gas A2 supplied to the air electrode 113 and the fuel gas L1 supplied to the fuel electrode 109 are can be reacted appropriately.
〔第２実施形態〕
以下、本開示の第２実施形態の燃料電池システム３１０について図面を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム３１０は、第１実施形態の燃料電池システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。
[Second embodiment]
Hereinafter, a fuel cell system 310 according to a second embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The fuel cell system 310 of this embodiment is a modification of the fuel cell system 310 of the first embodiment, and is the same as the first embodiment except when specifically explained below. Omitted.
本実施形態の燃料電池システム３１０は、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、制御弁４５７の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させ、発電を開始する際の発電室２１５の温度を上昇させるものである。 The fuel cell system 310 of this embodiment increases the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode by increasing the opening degree of the control valve 457 before switching the control valve 342 from the closed state to the open state. This increases the temperature of the power generation chamber 215 when starting power generation.
図１３は、制御弁（加熱制御弁）４５７の開度の変化を示すグラフである。図１４は、制御弁（酸化性ガス制御弁）３３５の開度の変化を示すグラフである。図１５は、発電室２１５の温度変化を示すグラフである。時刻Ｔ０，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５は、第１実施形態で説明したものと同様である。時刻Ｔ１は、燃料極１０９への燃料ガスＬ１の供給が開始される時刻である。時刻Ｔ２は、発電室２１５が所定の加熱状態となる時刻である。 FIG. 13 is a graph showing changes in the opening degree of the control valve (heating control valve) 457. FIG. 14 is a graph showing changes in the opening degree of the control valve (oxidizing gas control valve) 335. FIG. 15 is a graph showing temperature changes in the power generation chamber 215. Times T0, T1, T2, T3, T4, and T5 are the same as those described in the first embodiment. Time T1 is the time when supply of fuel gas L1 to fuel electrode 109 is started. Time T2 is the time when power generation chamber 215 enters a predetermined heating state.
図１３に示すように、本実施形態の制御装置２０は、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻Ｔ１ａにおいて、制御弁４５７の開度をＯＰ２からＯＰ３に増加させる。その後、制御装置２０は、発電室２１５が所定の加熱状態となる時刻Ｔ２において、制御弁４５７の開度をＯＰ３からＯＰ２に減少させる。 As shown in FIG. 13, the control device 20 of this embodiment increases the opening degree of the control valve 457 from OP2 to OP3 at time T1a prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. Thereafter, the control device 20 decreases the opening degree of the control valve 457 from OP3 to OP2 at time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined heating state.
第１実施形態において、制御装置２０は、時刻Ｔ２以降は、制御弁４５７の開度をＯＰ２で維持している。また、時刻Ｔ１ａは、ＳＯＦＣ３１３の起動完了後のある時刻における運転状態から負荷要求により予め設定された運転状態へ移行（例えば、５０％負荷から１００％負荷へ変化）するのに先立つ時刻であってもよい。制御弁（加熱制御弁）４５７及び制御弁（酸化性ガス制御弁）３３５の開度を負荷要求により予め設定された開度に制御することで発電室２１５の温度の変動を抑制することができる。 In the first embodiment, the control device 20 maintains the opening degree of the control valve 457 at OP2 after time T2. Further, the time T1a is a time prior to a transition from an operating state at a certain time after completion of startup of the SOFC 313 to an operating state preset by a load request (for example, a change from 50% load to 100% load). Good too. Fluctuations in the temperature of the power generation chamber 215 can be suppressed by controlling the opening degrees of the control valve (heating control valve) 457 and the control valve (oxidizing gas control valve) 335 to the opening degree set in advance according to the load request. .
制御装置２０は、例えば、５０％負荷から１００％負荷へ変化させる場合は制御弁３４２の開度を増加させるのに先立って加熱制御弁４５７および酸化性ガス制御弁３３５の開度を予め設定された１００％負荷運転時の開度となるように、それぞれの開度を増加および減少させることで負荷上昇に伴う発電室温度の過昇温およびターボチャージャ４１１の過回転を抑制することができる。 For example, when changing from 50% load to 100% load, the control device 20 presets the opening degrees of the heating control valve 457 and the oxidizing gas control valve 335 before increasing the opening degree of the control valve 342. By increasing and decreasing the respective opening degrees so that the opening degrees become the opening degrees at 100% load operation, it is possible to suppress an excessive rise in temperature in the power generation chamber and overspeed of the turbocharger 411 due to an increase in load.
また、制御装置２０は、例えば、１００%負荷から５０％負荷へ変化させる場合は制御弁３４２の開度を減少させるのに先立って加熱制御弁４５７および酸化性ガス制御弁３３５の開度を予め設定された５０％負荷運転時の開度となるように、それぞれの開度を減少および増加させることで負荷減少に伴う発電室温度の維持およびターボチャージャ４１１の必要回転数の確保を行うことができる。 Further, for example, when changing from 100% load to 50% load, the control device 20 adjusts the opening degrees of the heating control valve 457 and the oxidizing gas control valve 335 in advance before decreasing the opening degree of the control valve 342. By decreasing and increasing the respective opening degrees so that the opening degree becomes the set opening degree at 50% load operation, it is possible to maintain the temperature of the power generating room and ensure the necessary rotation speed of the turbocharger 411 as the load decreases. can.
図１４に示すように、本実施形態の制御装置２０は、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻Ｔ１ａにおいて、制御弁３３５の開度をＯＰ５からＯＰ４に減少させる。その後、制御装置２０は、発電室２１５が所定の加熱状態となる時刻Ｔ２において、制御弁３３５の開度をＯＰ４からＯＰ５に増加させる。第１実施形態において、制御装置２０は、制御弁３３５の開度をＯＰ５で維持している。 As shown in FIG. 14, the control device 20 of this embodiment reduces the opening degree of the control valve 335 from OP5 to OP4 at time T1a prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. Thereafter, the control device 20 increases the opening degree of the control valve 335 from OP4 to OP5 at time T2 when the power generation chamber 215 reaches a predetermined heating state. In the first embodiment, the control device 20 maintains the opening degree of the control valve 335 at OP5.
制御弁３３５の開度ＯＰ４は、制御弁４５７の開度がＯＰ２からＯＰ３に増加することによる酸化性ガスの増加量と、制御弁３３５の開度がＯＰ５からＯＰ４に減少することによる酸化性ガスの減少量とが一致するように設定される。すなわち、制御弁３３５の開度ＯＰ４は、起動用空気加熱ライン４５５から酸化性ガス供給ライン３３１に供給される酸化性ガスの増加量を相殺するように設定される。 The opening degree OP4 of the control valve 335 is determined by the amount of increase in oxidizing gas due to the opening degree of the control valve 457 increasing from OP2 to OP3, and the amount of oxidizing gas increasing due to the opening degree of the control valve 335 decreasing from OP5 to OP4. The amount of decrease is set to match the amount of decrease. That is, the opening degree OP4 of the control valve 335 is set so as to offset the increase in the amount of oxidizing gas supplied from the startup air heating line 455 to the oxidizing gas supply line 331.
図１５に示すように、第１実施形態では、時刻Ｔ１における発電室２１５の温度はＴｅ１であり、時刻Ｔ３において、発電室２１５の温度が目標温度である時刻Ｔｅ３に到達する。一方、第２実施形態では、時刻Ｔ１における発電室２１５の温度はＴｅ１よりも高いＴｅ１ａであり、時刻Ｔ３よりも早いタイミングで、発電室２１５の温度が目標温度である時刻Ｔｅ３に到達する。このように、本実施形態の制御装置２０は、時刻Ｔ１ａにおいて、制御弁４５７の開度をＯＰ２からＯＰ３に増加させるとともに制御弁３３５の開度をＯＰ５からＯＰ４に減少させるよう制御弁４５７および制御弁３３５を制御する。 As shown in FIG. 15, in the first embodiment, the temperature of the power generation chamber 215 at time T1 is Te1, and at time T3, the temperature of the power generation chamber 215 reaches time Te3, which is the target temperature. On the other hand, in the second embodiment, the temperature of the power generation chamber 215 at time T1 is Te1a, which is higher than Te1, and the temperature of the power generation chamber 215 reaches time Te3, which is the target temperature, at a timing earlier than time T3. In this way, the control device 20 of the present embodiment controls the control valve 457 and the control valve so that the opening degree of the control valve 457 is increased from OP2 to OP3 and the opening degree of the control valve 335 is decreased from OP5 to OP4 at time T1a. Control valve 335.
本実施形態の制御装置２０は、時刻Ｔ１ａにおいて、制御弁（加熱制御弁）４５７の開度を増加させるとともに制御弁（酸化性ガス制御弁）３３５の開度を減少させるよう制御弁４５７および制御弁３３５を制御する第１制御工程を実行する。また、制御装置２０は、時刻Ｔ１において、制御弁４５７の開度がＯＰ２からＯＰ３に増加し、かつ制御弁３３５の開度がＯＰ５からＯＰ４に減少した状態で、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるよう制御弁３４２を制御する。本実施形態の制御装置２０は、時刻Ｔ１において制御弁４５７の開度が増加し、かつ制御弁３３５の開度が減少した状態で、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるよう制御弁３４２を制御する第２制御工程を実行する。 The control device 20 of the present embodiment controls the control valve 457 and the control valve so as to increase the opening degree of the control valve (heating control valve) 457 and decrease the opening degree of the control valve (oxidizing gas control valve) 335 at time T1a. A first control step for controlling valve 335 is performed. Further, at time T1, the control device 20 opens the control valve 342 from the closed state while the opening degree of the control valve 457 increases from OP2 to OP3 and the opening degree of the control valve 335 decreases from OP5 to OP4. control valve 342 to switch to the state. The control device 20 of this embodiment operates the control valve 342 so that the control valve 342 is switched from the closed state to the open state when the opening degree of the control valve 457 increases and the opening degree of the control valve 335 decreases at time T1. A second control step is executed to control.
なお、制御装置２０は、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるのに先立つ時刻Ｔ１ａにおいて、制御弁（接続制御弁）４５６の開度を減少させるようにしてもよい。この場合、制御装置２０は、時刻Ｔ２において、制御弁４５６の開度を増加させて元の開度に戻すよう制御する。制御弁４５６は、排酸化性ガスライン３３３と起動用空気加熱ライン４５５とを接続する接続ラインに配置されている。 Note that the control device 20 may reduce the opening degree of the control valve (connection control valve) 456 at time T1a prior to switching the control valve 342 from the closed state to the open state. In this case, the control device 20 controls the opening degree of the control valve 456 to increase and return to the original opening degree at time T2. The control valve 456 is arranged in a connection line that connects the exhaust oxidizing gas line 333 and the starting air heating line 455.
本実施形態の燃料電池システム３１０によれば、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、制御弁４５７の開度を増加させることにより、空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度を増加させることができる。そのため、制御弁４５７の開度を増加させない場合に比べ、制御弁３４２を閉状態から開状態に切り替える際の発電室２１５の温度が上昇する。発電室２１５の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスＬ３が減少し、排燃料ガスＬ３により回転駆動されるタービン４２３の単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system 310 of this embodiment, the oxidizing gas supplied to the air electrode 113 is increased by increasing the opening degree of the control valve 457 before switching the control valve 342 from the closed state to the open state. The temperature of A2 can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber 215 increases when the control valve 342 is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the control valve 457 is not increased. As the temperature of the power generating chamber 215 rises, the activity of the fuel cell catalyst increases, so the unreacted exhaust fuel gas L3 decreases, and the number of revolutions per unit time of the turbine 423, which is rotationally driven by the exhaust fuel gas L3, decreases. The increase can be suppressed.
また、本実施形態の燃料電池システム３１０によれば、制御弁３３５の開度を減少させることにより、起動用空気加熱ライン４５５ら酸化性ガス供給ライン３３１に供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ライン３３１から空気極１１３に供給される酸化性ガスＡ２の供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the fuel cell system 310 of the present embodiment, by reducing the opening degree of the control valve 335, the increased amount of oxidizing gas supplied from the startup air heating line 455 to the oxidizing gas supply line 331 can be reduced. Can be offset. Therefore, it is possible to prevent the supply amount of the oxidizing gas A2 supplied from the oxidizing gas supply line 331 to the air electrode 113 from increasing excessively and lengthening the startup time.
以上説明した各実施形態に記載の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法は例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極と燃料極を有する燃料電池（３１３）と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャ（４１１）と、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスライン（３４１）と、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁（３４２）と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部（４５５、４５７，４５８）と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローライン（４４４）と、前記ブローラインに配置されるブロー弁（４４５）と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室（２１５）が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する制御装置（２０）と、を備える。
The fuel cell system and the method of operating the fuel cell system described in each of the embodiments described above can be understood, for example, as follows.
A fuel cell system (310) according to a first aspect of the present disclosure includes a fuel cell (313) having an air electrode and a fuel electrode, and exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas. a turbocharger (411) having a turbine driven by the compressor and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line (331) that supplies the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; A fuel gas line (341) that supplies the fuel electrode to the fuel electrode, a fuel gas control valve (342) disposed in the fuel gas line, and a heating section (341) that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. 455, 457, 458), a blow line (444) connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside, a blow valve (445) disposed in the blow line, When switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened, and the power generation chamber (215) of the fuel cell is heated by the heating section. A control device (20) that controls the fuel gas control valve and the blow valve to switch the blow valve to a closed state in response to a predetermined heating state due to the heated oxidizing gas.
本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state to start supplying fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is opened. A part of the oxidizing gas that has been compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, so the oxidizing gas supply is lower than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the air electrode by the line is reduced.
そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the start-up time from becoming longer due to the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode becoming excessive with respect to the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode. In addition, the startup time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state can be shortened.
本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the power generation chamber of the fuel cell being brought into a predetermined heating state by the oxidizing gas heated by the heating section. . When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined state and the activity of the catalyst of the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be caused to react appropriately.
本開示の第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、前記制御装置が、前記発電室の温度が所定温度以上となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムによれば、発電室の温度が所定温度以上となったことに応じてブロー弁を閉状態に切り替えることにより、空気極に供給される酸化性ガスの流量を増加する。発電室の温度が所定温度以上となって燃料電池の触媒の活性が高まっているため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。
In the fuel cell system according to a second aspect of the present disclosure, in the first aspect, the control device switches the blow valve to a closed state in response to the temperature of the power generation chamber becoming equal to or higher than a predetermined temperature.
According to the fuel cell system according to the second aspect of the present disclosure, by switching the blow valve to the closed state in response to the temperature of the power generation chamber reaching a predetermined temperature or higher, the oxidizing gas supplied to the air electrode is Increase flow rate. Since the temperature in the power generation chamber is above a predetermined temperature and the activity of the fuel cell catalyst is increased, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can react appropriately. .
本開示の第３態様に係る燃料電池システムは、第１態様または第２態様において、前記制御装置は、前記ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替える構成としてもよい。 In the fuel cell system according to a third aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, the control device controls the control device according to the change in the number of revolutions per unit time of the turbocharger from an upward trend to a downward trend. The blow valve may be configured to be switched to a closed state.
本開示の第３態様に係る燃料電池システムによれば、ターボチャージャの単位時間当たりの回転数が上昇傾向から低下傾向に変化したことに応じてブロー弁を閉状態に切り替える。上昇傾向から低下傾向への変化は、燃料電池の触媒の活性が高まったことにより未反応の排燃料ガスが減少したことを示す。ブロー弁を閉状態とすることにより空気極に供給される酸化性ガスの流量を増加するが、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the third aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to a change in the rotation speed per unit time of the turbocharger from an upward trend to a downward trend. A change from an upward trend to a downward trend indicates that the amount of unreacted exhaust fuel gas has decreased due to increased activity of the fuel cell catalyst. By closing the blow valve, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode is increased, but the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode must react appropriately. Can be done.
本開示の第４態様に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁（３３５）と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ライン（４５５）と、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁（４５７）と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置を備える。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present disclosure includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and the turbine. a turbocharger having a compressor driven by the compressor; an oxidizing gas supply line that supplies the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; and an oxidizing gas control valve disposed in the oxidizing gas supply line. (335), a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode, a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line, and heating that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. The heating section includes an oxidizing gas heating line (455) having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve. ), and a heating control valve (457) disposed in the oxidizing gas heating line, the opening degree of the heating control valve being increased or decreased according to a preset operating state of the fuel cell. Also provided is a control device that controls the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to decrease or increase the opening degree of the oxidizing gas control valve.
本開示の第４態様に係る燃料電池システムによれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, by increasing the opening degree of the heating control valve according to the preset operating state of the fuel cell, the oxidizing gas supplied to the air electrode is reduced. The temperature can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature in the power generation room increases, the activity of the fuel cell catalyst increases, which reduces unreacted exhaust fuel gas and suppresses the increase in the number of revolutions per unit time of the turbine, which is driven by the exhaust fuel gas. be able to.
また、本開示の第４態様に係る燃料電池システムによれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the fuel cell system according to the fourth aspect of the present disclosure, by reducing the opening degree of the oxidizing gas control valve according to the preset operating state of the fuel cell, the oxidizing gas heating line can be The increased amount of oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply line can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in startup time.
本開示の第５態様に係る燃料電池システムは、第４態様において、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を有し、前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とし、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁および前記ブロー弁を制御する。 In a fourth aspect, a fuel cell system according to a fifth aspect of the present disclosure includes a blow line connected to the oxidizing gas supply line and discharging the oxidizing gas to the outside, and a blow line disposed in the blow line. a valve, the control device opens the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; The fuel gas control valve and the blow valve are controlled to switch the blow valve to a closed state in response to the power generation chamber of the fuel cell reaching a predetermined heating state due to the oxidizing gas heated by the heating section. .
本開示の第５態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the fuel cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, when switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state to start supplying fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is in the open state. A part of the oxidizing gas that has been compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, so the oxidizing gas supply is lower than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the air electrode by the line is reduced.
そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the start-up time from becoming longer due to the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode becoming excessive with respect to the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode. In addition, the startup time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state can be shortened.
本開示の第５態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the fuel cell system according to the fifth aspect of the present disclosure, the blow valve is switched to the closed state in response to the power generation chamber of the fuel cell being brought into a predetermined heating state by the oxidizing gas heated by the heating section. . When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined state and the activity of the catalyst of the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be caused to react appropriately.
本開示の第６態様に係る燃料電池システムは、第５態様において、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる燃焼器（４２２）と、前記燃料電池から排出された前記排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスライン（３３３）と、前記排酸化性ガスラインと前記酸化性ガス加熱ラインとを接続する接続ラインに配置される接続制御弁（４５６）を備え、前記制御装置は、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記接続制御弁の開度を減少させるよう前記接続制御弁を制御する。 In the fifth aspect, the fuel cell system according to a sixth aspect of the present disclosure includes a combustor (422) that combusts the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell; An exhaust oxidizing gas line (333) that supplies gas to the combustor, and a connection control valve (456) disposed in a connection line connecting the exhaust oxidizing gas line and the oxidizing gas heating line, The control device controls the connection control valve to reduce the opening degree of the connection control valve prior to switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state.
本開示の第６態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、接続制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの流量を増加させ、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。 According to the fuel cell system according to the sixth aspect of the present disclosure, prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state, by reducing the opening degree of the connection control valve, the oxidizing gas heating line is removed from the oxidizing gas heating line. By increasing the flow rate of the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply line, it is possible to increase the temperature of the oxidizing gas supplied to the air electrode.
本開示の第７態様に係る燃料電池システムの運転方法は、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービンおよび前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、前記酸化性ガス供給ラインに接続されるとともに前記酸化性ガスを外部へ排出するブローラインと、前記ブローラインに配置されるブロー弁と、を備え、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する工程と、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて前記燃料極への前記燃料ガスの供給を開始する際に前記ブロー弁を開状態とする工程と、前記燃料電池の発電室が前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じて前記ブロー弁を閉状態に切り替えるよう前記ブロー弁を制御する制御工程を備える。 A method of operating a fuel cell system according to a seventh aspect of the present disclosure includes a fuel cell system that includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and an exhaust fuel gas and an exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell that are combusted. a turbocharger having a turbine supplied as gas and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; and a turbocharger supplying the fuel gas to the fuel electrode. a fuel gas line supplied to the fuel gas line, a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line, a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line, and connected to the oxidizing gas supply line. a blow line for discharging the oxidizing gas to the outside and a blow valve disposed in the blow line; a step of starting the supply of fuel gas, and a step of opening the blow valve when switching the fuel gas control valve from a closed state to an open state to start supplying the fuel gas to the fuel electrode; The method includes a control step of controlling the blow valve to switch the blow valve to a closed state in response to the power generation chamber of the fuel cell being brought into a predetermined heating state by the oxidizing gas heated by the heating section.
本開示の第７態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えて燃料極への燃料ガスの供給を開始する際に、ブロー弁が開状態となる。圧縮機で圧縮されて酸化性ガス供給ラインに導かれた酸化性ガスの一部が開状態のブロー弁から外部に排出されるため、ブロー弁を閉状態とする場合に比べ、酸化性ガス供給ラインにより空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が減少する。 According to the method of operating a fuel cell system according to the seventh aspect of the present disclosure, when switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state to start supplying fuel gas to the fuel electrode, the blow valve is in the open state. becomes. A part of the oxidizing gas that has been compressed by the compressor and led to the oxidizing gas supply line is discharged to the outside from the open blow valve, so the oxidizing gas supply is lower than when the blow valve is closed. The amount of oxidizing gas supplied to the air electrode by the line is reduced.
そのため、空気極へ供給される酸化性ガスの供給量が燃料極へ供給される燃料ガスの供給量に対して過多となって起動時間が長くなることを防止することができる。そして、燃料極へ燃料ガスの供給を開始してから発電室が所定の加熱状態となるまでに要する起動時間を短縮することができる。 Therefore, it is possible to prevent the start-up time from becoming longer due to the amount of oxidizing gas supplied to the air electrode becoming excessive with respect to the amount of fuel gas supplied to the fuel electrode. In addition, the startup time required from the start of supply of fuel gas to the fuel electrode until the power generation chamber reaches a predetermined heating state can be shortened.
本開示の第７態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池の発電室が加熱部により加熱された酸化性ガスにより所定の加熱状態となったことに応じてブロー弁が閉状態に切り替えられる。ブロー弁が閉状態となると空気極に供給される酸化性ガスの流量が増加するが、発電室が所定の加熱状態となって燃料電池の触媒の活性が高まっている。そのため、空気極に供給される酸化性ガスと燃料極に供給される燃料ガスとを適切に反応させることができる。 According to the method of operating a fuel cell system according to the seventh aspect of the present disclosure, the blow valve is in the closed state in response to the power generation chamber of the fuel cell being brought into a predetermined heating state by the oxidizing gas heated by the heating section. can be switched to When the blow valve is closed, the flow rate of the oxidizing gas supplied to the air electrode increases, but the power generation chamber is heated to a predetermined state and the activity of the catalyst of the fuel cell is increased. Therefore, the oxidizing gas supplied to the air electrode and the fuel gas supplied to the fuel electrode can be caused to react appropriately.
本開示の第８に係る燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、予め設定された前記燃料電池の運転状態に応じて、前記加熱制御弁の開度を増加あるいは減少させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少あるいは増加させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御工程を備える。 In the method of operating a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and an exhaust fuel gas and an exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell. a turbocharger having a turbine supplied as a compressor and a compressor driven by the turbine; an oxidizing gas supply line supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode; an oxidizing gas control valve disposed, a fuel gas line supplying fuel gas to the fuel electrode, a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line, and the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line. a heating section that heats the oxidizing gas, the heating section having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve. It has a gas heating line and a heating control valve arranged in the oxidizing gas heating line, and increases or decreases the opening degree of the heating control valve according to a preset operating state of the fuel cell. The method also includes a control step of controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to decrease or increase the opening degree of the oxidizing gas control valve.
本開示の第８態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the operating method of a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, oxidation is supplied to the air electrode by increasing the opening degree of the heating control valve according to the preset operating state of the fuel cell. The temperature of the gas can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature in the power generation room increases, the activity of the fuel cell catalyst increases, which reduces unreacted exhaust fuel gas and suppresses the increase in the number of revolutions per unit time of the turbine, which is driven by the exhaust fuel gas. be able to.
また、本開示の第８態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、予め設定された燃料電池の運転状態に応じて、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the method of operating a fuel cell system according to the eighth aspect of the present disclosure, the oxidizing gas The increased amount of oxidizing gas supplied from the heating line to the oxidizing gas supply line can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in startup time.
本開示の第９態様に係る燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、前記加熱部は、前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、前記加熱制御弁の開度を増加させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少させるよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する第１制御工程と、前記加熱制御弁の開度が増加し、かつ前記酸化性ガス制御弁の開度が減少した状態で、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁を制御する第２制御工程と、を備える。 In the method of operating a fuel cell system according to a ninth aspect of the present disclosure, the fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and an exhaust fuel gas and an exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell that are combusted. A turbocharger having a turbine supplied as gas and a compressor driven by the turbine, an oxidizing gas supply line supplying the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode, and the oxidizing gas supply line a fuel gas line for supplying fuel gas to the fuel electrode; a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line; and an oxidizing gas control valve arranged in the oxidizing gas supply line. a heating section that heats the oxidizing gas, the heating section having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve. an oxidizing gas heating line and a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line; a first control step of controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve; and controlling the fuel gas in a state where the opening degree of the heating control valve increases and the opening degree of the oxidizing gas control valve decreases. and a second control step of controlling the fuel gas control valve to switch the valve from a closed state to an open state.
本開示の第９態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、加熱制御弁の開度を増加させることにより、空気極に供給される酸化性ガスの温度を増加させることができる。そのため、加熱制御弁の開度を増加させない場合に比べ、燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替える際の発電室の温度が上昇する。発電室の温度が上昇することにより燃料電池の触媒の活性が高まるため、未反応の排燃料ガスが減少し、排燃料ガスにより回転駆動されるタービンの単位時間当たりの回転数の増加を抑制することができる。 According to the method of operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state, by increasing the opening degree of the heating control valve, the air electrode is The temperature of the oxidizing gas supplied can be increased. Therefore, the temperature of the power generation chamber increases when the fuel gas control valve is switched from the closed state to the open state, compared to the case where the opening degree of the heating control valve is not increased. As the temperature in the power generation room increases, the activity of the fuel cell catalyst increases, which reduces unreacted exhaust fuel gas and suppresses the increase in the number of revolutions per unit time of the turbine, which is driven by the exhaust fuel gas. be able to.
また、本開示の第９態様に係る燃料電池システムの運転方法によれば、酸化性ガス制御弁の開度を減少させることにより、酸化性ガス加熱ラインから酸化性ガス供給ラインに供給される酸化性ガスによる酸化性ガスの増加量を相殺することができる。そのため、酸化性ガス供給ラインから空気極に供給される酸化性ガスの供給量が過剰に増加して起動時間が長くなることを防止することができる。 Further, according to the method of operating a fuel cell system according to the ninth aspect of the present disclosure, by reducing the opening degree of the oxidizing gas control valve, the oxidizing gas is supplied from the oxidizing gas heating line to the oxidizing gas supply line. The increase in oxidizing gas due to oxidizing gas can be offset. Therefore, it is possible to prevent an excessive increase in the supply amount of the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply line to the air electrode, thereby preventing an increase in startup time.
２０ 制御装置
１０９ 燃料極
１１３ 空気極
２１５ 発電室
３１０ 燃料電池システム
３２９ 燃焼排ガスライン
３３１ 酸化性ガス供給ライン
３３３ 排酸化性ガスライン
３３５ 制御弁（酸化性ガス制御弁）
３４１ 燃料ガスライン
３４２ 制御弁（燃料ガス制御弁）
３４３ 排燃料ガスライン
３４６ 遮断弁
３４７ 調整弁
３４８ 再循環ブロワ
３４９ 燃料ガス再循環ライン
３５０ 排燃料ガス放出ライン
３５１ 排空気冷却器
４１１ ターボチャージャ
４２１ 圧縮機
４２２ 触媒燃焼器
４２３ タービン
４２４ 回転軸
４３０ 熱交換器
４４１ オリフィス
４４２ 排熱回収装置
４４３ 制御弁
４４４ 酸化性ガスブローライン
４４５ ブロー弁
４５１ 制御弁
４５２ ブロワ
４５５ 起動用空気加熱ライン（酸化性ガス加熱ライン）
４５６ 制御弁
４５７ 制御弁（加熱制御弁）
４５８ 起動用加熱器
４５９ 制御弁
４６０ 制御弁
Ａ 空気
Ａ２ 酸化性ガス
Ａ３ 排酸化性ガス
Ｇ 燃焼ガス
Ｌ１ 燃料ガス
Ｌ３ 排燃料ガス
Ｔ０，Ｔ１，Ｔ１ａ，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５ 時刻
20 Control device 109 Fuel electrode 113 Air electrode 215 Power generation chamber 310 Fuel cell system 329 Combustion exhaust gas line 331 Oxidizing gas supply line 333 Exhaust oxidizing gas line 335 Control valve (oxidizing gas control valve)
341 Fuel gas line 342 Control valve (fuel gas control valve)
343 Exhaust fuel gas line 346 Shutoff valve 347 Regulating valve 348 Recirculation blower 349 Fuel gas recirculation line 350 Exhaust fuel gas release line 351 Exhaust air cooler 411 Turbocharger 421 Compressor 422 Catalytic combustor 423 Turbine 424 Rotating shaft 430 Heat exchanger vessel 441 orifice 442 exhaust heat recovery device 443 control valve 444 oxidizing gas blow line 445 blow valve 451 control valve 452 blower 455 starting air heating line (oxidizing gas heating line)
456 Control valve 457 Control valve (heating control valve)
458 Starting heater 459 Control valve 460 Control valve A Air A2 Oxidizing gas A3 Exhaust oxidizing gas G Combustion gas L1 Fuel gas L3 Exhaust fuel gas T0, T1, T1a, T2, T3, T4, T5 Time
Claims (5)
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、
前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記加熱制御弁の開度を増加させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少させて前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスと前記加熱部により加熱されない前記酸化性ガスの双方を前記空気極へ供給するよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御装置を備える燃料電池システム。 a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode;
a turbocharger including a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line that supplies the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
an oxidizing gas control valve disposed in the oxidizing gas supply line;
a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line,
The heating section is
an oxidizing gas heating line having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve;
a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line,
Prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state , the opening degree of the heating control valve is increased and the opening degree of the oxidizing gas control valve is decreased , so that the heating section A fuel cell system comprising a control device that controls the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to supply both the heated oxidizing gas and the oxidizing gas not heated by the heating section to the air electrode. .
前記燃料電池システムは、
空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、
前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、
前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるのに先立って、前記加熱制御弁の開度を増加させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少させて前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスと前記加熱部により加熱されない前記酸化性ガスの双方を前記空気極へ供給するよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する制御工程を備える燃料電池システムの運転方法。 A method of operating a fuel cell system, the method comprising:
The fuel cell system includes:
a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode;
a turbocharger including a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line that supplies the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
an oxidizing gas control valve disposed in the oxidizing gas supply line;
a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line,
The heating section is
an oxidizing gas heating line having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve;
a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line,
Prior to switching the fuel gas control valve from the closed state to the open state , the opening degree of the heating control valve is increased and the opening degree of the oxidizing gas control valve is decreased , so that the heating section A fuel cell system comprising a control step of controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve so as to supply both the heated oxidizing gas and the oxidizing gas not heated by the heating section to the air electrode. How to drive.
前記燃料電池システムは、
空気極と燃料極を有する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガス及び排酸化性ガスが燃焼ガスとして供給されるタービン及び前記タービンにより駆動される圧縮機を有するターボチャージャと、
前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
前記酸化性ガス供給ラインに配置される酸化性ガス制御弁と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料ガスラインに配置される燃料ガス制御弁と、
前記酸化性ガス供給ラインを流通する前記酸化性ガスを加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部は、
前記酸化性ガス制御弁の上流側に一端が接続されるとともに前記酸化性ガス制御弁の下流側に他端が接続される酸化性ガス加熱ラインと、
前記酸化性ガス加熱ラインに配置される加熱制御弁と、を有し、
前記加熱制御弁の開度を増加させるとともに前記酸化性ガス制御弁の開度を減少させて前記加熱部により加熱された前記酸化性ガスと前記加熱部により加熱されない前記酸化性ガスの双方を前記空気極へ供給するよう前記加熱制御弁および前記酸化性ガス制御弁を制御する第１制御工程と、
前記加熱制御弁の開度が増加し、かつ前記酸化性ガス制御弁の開度が減少した状態で、前記燃料ガス制御弁を閉状態から開状態に切り替えるよう前記燃料ガス制御弁を制御する第２制御工程と、を備える燃料電池システムの運転方法。 A method of operating a fuel cell system, the method comprising:
The fuel cell system includes:
a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode;
a turbocharger including a turbine to which exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas discharged from the fuel cell are supplied as combustion gas, and a compressor driven by the turbine;
an oxidizing gas supply line that supplies the oxidizing gas compressed by the compressor to the air electrode;
an oxidizing gas control valve disposed in the oxidizing gas supply line;
a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode;
a fuel gas control valve disposed in the fuel gas line;
a heating unit that heats the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply line,
The heating section is
an oxidizing gas heating line having one end connected to the upstream side of the oxidizing gas control valve and the other end connected to the downstream side of the oxidizing gas control valve;
a heating control valve disposed in the oxidizing gas heating line,
Both the oxidizing gas heated by the heating section and the oxidizing gas not heated by the heating section are heated by increasing the opening degree of the heating control valve and decreasing the opening degree of the oxidizing gas control valve. a first control step of controlling the heating control valve and the oxidizing gas control valve to supply the gas to the air electrode ;
controlling the fuel gas control valve so as to switch the fuel gas control valve from a closed state to an open state with the opening of the heating control valve increasing and the opening of the oxidizing gas control valve decreasing; 2. A method of operating a fuel cell system comprising: 2 control steps.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2023011983A JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022108294A JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
| JP2023011983A JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022108294A Division JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP7408855B1 true JP7408855B1 (en) | 2024-01-05 |
| JP2024007311A JP2024007311A (en) | 2024-01-18 |
Family
ID=86772580
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022108294A Active JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
| JP2023011983A Active JP7408855B1 (en) | 2022-07-05 | 2023-01-30 | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022108294A Active JP7293466B1 (en) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | FUEL CELL SYSTEM AND METHOD OF OPERATION OF FUEL CELL SYSTEM |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (2) | JP7293466B1 (en) |
| TW (1) | TW202404164A (en) |
| WO (1) | WO2024009552A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017104210A1 (en) | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system and control method therefor |
| JP6591112B1 (en) | 2019-05-31 | 2019-10-16 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, AND METHOD FOR STARTING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM |
| JP2021128876A (en) | 2020-02-14 | 2021-09-02 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system, control device of the same, control method, and control program |
| JP2021136175A (en) | 2020-02-27 | 2021-09-13 | 三菱パワー株式会社 | Fuel cell system and start method therefor |
-
2022
- 2022-07-05 JP JP2022108294A patent/JP7293466B1/en active Active
-
2023
- 2023-01-30 JP JP2023011983A patent/JP7408855B1/en active Active
- 2023-02-27 WO PCT/JP2023/006931 patent/WO2024009552A1/en unknown
- 2023-03-20 TW TW112110198A patent/TW202404164A/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017104210A1 (en) | 2015-12-15 | 2017-06-22 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell system and control method therefor |
| JP6591112B1 (en) | 2019-05-31 | 2019-10-16 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM, AND METHOD FOR STARTING THE PRESSURE AIR SUPPLY SYSTEM |
| JP2021128876A (en) | 2020-02-14 | 2021-09-02 | 三菱重工業株式会社 | Power generation system, control device of the same, control method, and control program |
| JP2021136175A (en) | 2020-02-27 | 2021-09-13 | 三菱パワー株式会社 | Fuel cell system and start method therefor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202404164A (en) | 2024-01-16 |
| JP7293466B1 (en) | 2023-06-19 |
| JP2024007090A (en) | 2024-01-18 |
| WO2024009552A1 (en) | 2024-01-11 |
| JP2024007311A (en) | 2024-01-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6616054B1 (en) | Fuel cell system, combined power generation system, and control method for fuel cell system | |
| US8309270B2 (en) | Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange | |
| EP3719903B1 (en) | Fuel cell temperature distribution control system, fuel cell, and temperature distribution control method | |
| WO2021171882A1 (en) | Fuel cell system and control method therefor | |
| WO2021171883A1 (en) | Fuel cell system and method for starting same | |
| JP7408855B1 (en) | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system | |
| EP2183811B1 (en) | Solid oxide fuel cell systems with improved gas channeling and heat exchange | |
| JP6961736B2 (en) | Fuel cell system and its control method | |
| JP7213217B2 (en) | Fuel cell power generation system and control method for fuel cell power generation system | |
| JP7013605B1 (en) | Fuel cell system and how to operate the fuel cell system | |
| JP2017152313A (en) | Fuel cell hybrid power generation system and method for operating the same | |
| JP2012009207A (en) | Power generator | |
| JP2018006006A (en) | Control device and control method of fuel battery, and power generation system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230130 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230606 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230807 |
|
| 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: 20231121 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231220 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7408855 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |