WO2022215224A1 - Fuel cell system - Google Patents

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gas
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heat
anode
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雄斗 脇田
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三浦工業株式会社
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Definitions

  • JP 2009-230926 A Japanese Patent Publication No. 2015-509274 JP 2016-051574 A JP 2004-087377 A
  • the anode off-gas generated by the power generation of the fuel cell stack 6 is cooled by the cathode supply air in the heat exchanger 10, and the water obtained by dehumidifying in the condenser 12 is stored in the water tank. 21.
  • This stored water is supplied to the evaporator 19 by the water pump 22 to become steam, mixed with the fuel gas and sent to the reformer 18 .
  • hydrogen and carbon monoxide are produced from methane by a steam reforming reaction and supplied to the anode of the fuel cell stack 6 .
  • part of the anode off-gas (regenerated gas from which moisture has been removed) separated by the condenser 12 is supplied to the anode of the fuel cell stack 6 by the recirculation blower 13 .
  • Patent Document 4 discloses a configuration of a fuel cell system that can partially solve the problem of Patent Document 1.
  • the system includes a reformer 5 for hydrogen-containing gas generation, a combustor 9 for off-gas treatment, a burner 12 for start-up, a blower 24 for fuel recirculation, and heat exchangers 93, 95 for air preheating. It is configured (Embodiment 3).
  • the reformer 5 has a partial oxidation catalyst and produces a partially oxidized gas that is used to preheat and raise the temperature of the fuel cell 7 when the system is started.
  • the burner 12 is combusted at system start-up and uses air heated by heat exchange with flue gas in the heat exchanger 93 to preheat the partial oxidation catalyst. Part of the heated air is also used to preheat the cathode 31 and the electrolyte 33 .
  • a hydrogen-containing gas is generated by an internal reforming reaction at the fuel electrode 35 .
  • a fuel cell system includes a solid oxide fuel cell cell stack configured by integrating a plurality of power generation cells each composed of a solid electrolyte, an anode, and a cathode, and a first heat exchange core.
  • the first hydrocarbon-containing gas and/or the anode off-gas is catalytically reacted with the first oxidant-containing gas inside the exchange core, and the reaction heat is used for heat transfer to heat or cool the second oxidant-containing gas.
  • the indirect heat exchanger is preferably a shell-and-plate heat exchanger.
  • the system controller of the fuel cell system supplies the first hydrocarbon-containing gas and the first oxidant-containing gas to the first heat exchanger to produce a hydrogen-containing gas in the startup operation of the system. is generated, the hydrogen-containing gas is supplied to the anode, the recycling means is operated during the reaction operation of the first heat exchanger, and the system controller controls the first heat exchange during shutdown operation of the system.
  • a first hydrocarbon-containing gas and a first oxidant-containing gas are supplied to the vessel to generate a hydrogen-containing gas, and the hydrogen-containing gas is supplied to the anode, during the reaction operation of the first heat exchanger. , a configuration for operating the recycling means.
  • a hydrocarbon-containing gas G1 (a methane-containing gas such as city gas 13A) flows through the first fuel line L11 and the second fuel line L12.
  • the first fuel line L11 is a pipeline that connects the fuel intake port P10 and the fuel supply port of the first premixer 4, and the first blower 11 is arranged in this pipeline.
  • the first blower 11 is a device that pressurizes the first hydrocarbon-containing gas G1 and supplies it to the first premixer 4 .
  • a desulfurizer and a gas filter are provided on the discharge side of the first blower 11 as necessary.
  • the sixth air line L26 is a conduit that connects the fourth air line L24 on the upstream side of the first bypass valve 24 and the cathode side inlet of the cell stack 1, and the second bypass valve 26 is installed in this conduit. are placed.
  • the second bypass valve 26 is a device for adjusting the temperature of the oxidant-containing gas G2 supplied to the cathode 1b of the cell stack 1. A part of the normal temperature air sent from the third blower 21 is bypassed to the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3 and mixed with the high temperature air to supply the air to the allowable temperature of the cell stack 1 or less. Regulate temperature.
  • a flow regulating valve capable of proportional control of valve opening is used.
  • the sixth air line L26 and the second bypass valve 26 are not essential components, and are provided, for example, when the temperature of the air supplied to the cathode 1b is too high even if the first bypass valve 24 is fully opened.
  • a reformed gas G4 (hydrogen, carbon monoxide-containing gas) produced from a hydrocarbon-containing gas G1 is supplied to the anode 1a of each power generation cell, and an oxidant-containing gas G2 is supplied to the cathode 1b of each power generation cell.
  • the anode off-gas G5 discharged from the anode 1a contains water vapor and carbon dioxide produced by the reaction, as well as unreacted hydrogen and carbon monoxide.
  • Cathodic reaction O 2 +4e ⁇ ⁇ 2O 2 ⁇
  • the anode material is a cermet of metallic nickel (Ni) and yttria-stabilized zirconia (YSZ), and nickel in the anode changes to nickel oxide (NiO) when it comes into contact with oxygen at high temperatures.
  • Ni metallic nickel
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • NiO nickel oxide
  • the formation of nickel oxide not only reduces (in the worst case, loses) the activity of the anode for power generation reaction and reforming reaction, but also causes volume expansion of the anode, thereby easily causing damage to the power generation cell. Therefore, it is important to keep the anode in a reducing atmosphere when the temperature of the cell stack is increased or decreased.
  • the temperature of the cell stack is raised or lowered while an inert gas such as nitrogen is circulated from cylinders installed inside and outside the system to the anode. Provide a means of maintaining a reducing atmosphere.
  • the first heat exchanger 2 is configured as a two-fluid indirect heat exchanger in which a partial oxidation catalyst is applied to the heat transfer surface of the first heat exchange core.
  • the first heat exchanger 2 is supplied with a first premixed gas G3 (a mixture of gases G1, G2, and G5 according to the state of the system) from a first premixed gas line L3, and from a second air line L22.
  • a second oxidant-containing gas G2 is supplied.
  • a partial oxidation catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the closed flow path of the first heat exchange core 21 .
  • the first heat exchange core 21 is manufactured by manufacturing single plates coated with a partial oxidation catalyst in advance, and joining the portions to be sealed while stacking the single plates.
  • the single plate is produced by forming an alumina layer on one surface of a stainless steel plate by whisker treatment, applying slurry of a partial oxidation catalyst, and sintering the plate.
  • the heat transfer surfaces of the plate pair forming the open flow path of the first heat exchange core 21 are not coated with the partial oxidation catalyst, and the substrate of the plates is exposed.
  • the partial oxidation catalyst in addition to CeO 2 which has an excellent oxygen storage function, Ni which is suitable for both partial oxidation and steam reforming can be used.
  • the second heat exchanger 3 has a second heat exchange core (described later), inside the second heat exchange core, the first hydrocarbon-containing gas G1 and/or the anode off-gas G5 is catalyzed together with the cathode off-gas G6. It is a device that burns and heats the second oxidant-containing gas G2 by using the combustion heat as heat transfer.
  • the second heat exchanger 3 functions as a methane combustor for causing combustion reaction of the hydrocarbon-containing gas G1 together with the cathode off-gas G6 during system start-up operation. Further, the second heat exchanger 3 functions as a hydrogen combustor that causes the anode offgas G5 and the cathode offgas G6 to undergo a combustion reaction during power generation operation and shutdown operation of the system.
  • the cathode offgas G6 discharged during system startup and shutdown operations has approximately the same oxygen concentration as the fresh oxidant-containing gas G2 taken in from the air intake port P20 (pre-power generation process SU4 and post-power generation process described later). SD1). Further, the cathode off-gas G6 discharged during the power generation operation of the system is a gas with a lower oxygen concentration than the fresh oxidant-containing gas G2 taken in from the air intake P20.
  • a combustion catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the closed flow path of the second heat exchange core 31 .
  • the second heat exchange core 31 is manufactured by manufacturing single plates coated with a combustion catalyst in advance, and joining the portions to be sealed while stacking the single plates.
  • the single plate is obtained by forming an alumina layer on one side surface of a stainless steel plate by whisker treatment, applying slurry of a combustion catalyst, and sintering the plate.
  • the heat transfer surfaces of the plate pair forming the open flow path of the second heat exchange core 31 are not coated with the combustion catalyst, and the substrate of the plates is exposed.
  • a noble metal such as Pt or Pd can be used as the combustion catalyst.
  • the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 311 penetrating the second shell 32, passes through the group of closed flow channels in the second heat exchange core 31, and then exits from the outlet pipe 312 penetrating the second shell 32. is derived from
  • the first heat exchanger 2, the second heat exchanger 3, the first premixer 4, the second premixer 5 and the fifth blower 52 (52A) are housed in the hot box together with the cell stack 1.
  • the first blower 11, the second blower 12, the third blower 21, the fourth blower 25, the first bypass valve 24 and the second bypass valve 26 are arranged outside the hot box.
  • the cell stack 1, the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3 are in a cold state, the blowers 11, 12, 21, 25, 52 are stopped, and the first bypass Valve 24 and second bypass valve 26 are closed.
  • the first premixer 4 the first premixed gas line L3, the first heat exchanger 2 (on the side of the flow path having the catalyst layer), the reformed gas line L4, the anode 1a of the cell stack 1, the first anode off-gas line
  • An oxidant-containing gas G2 air is present in the recycle flow path consisting of L51 and the second anode offgas line L52 due to an air purge (described later) performed at the beginning of the cooling step SD3.
  • Pre-power generation process US4> In this process, which is executed at the end of the startup operation, the gas flow rate of the first blower 11 is gradually increased from the intermediate set flow rate to the maximum flow rate (power generation reference flow rate). On the other hand, the gas flow rate of the fourth blower 25 is gradually decreased toward zero. As a result, the ratio of the amount of POX gas generated is reduced from 100% to 0%, while the ratio of the amount of reformed gas (gas obtained by steam reforming reaction and dry reforming reaction) is reduced from 0% to 0%. Raised up to 100%.
  • This process is a control state in which the power generated by the cell stack 1 is supplied to the load equipment by the grid connection of the power conditioner 6, and the ratio of the sweep current Is of the cell stack 1 is set to 100% (equivalent to the rated current value ) and perform a “power generation operation of the system”.
  • the gas flow rate of the first blower 11 is maintained at the power generation reference flow rate, and the fuel utilization rate Uf is maximized (approximately 90%).
  • Hydrogen-containing gas G4 (reformed gas) required for power generation operation is obtained by steam reforming reaction and dry reforming reaction in first heat exchanger 2 and/or cell stack 1 .
  • the steam and carbon dioxide utilized for these reforming reactions continue to be replenished by recycling the anode offgas G5.
  • a single row of flame ports 331 is provided along the axial direction of the pipe, but it is also preferable to provide double rows to expand the flame formation range.
  • the premixed gas G7 is jetted not only upward but also obliquely. .
  • the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 321 that communicates with the lower space of the second shell 32, passes through the group of open channels in the second heat exchange core 31, and then enters the upper space of the second shell 32. from an outlet tube 322 communicating with the
  • the pipe burner 36 is arranged so as to protrude inside the second heat exchange core 31 , and its base end portion is connected to the end opening of the inlet pipe 311 .
  • the axial center of the inlet pipe 311 and the axial center of the pipe burner 36 are set coaxially, and the insides of the two pipes communicate with each other.
  • the oxidant-containing gas G2 heated in the second heat exchanger 3 imparts part of the combustion heat to the catalyst layer via the heat transfer surface when passing through the first heat exchanger 2 .
  • the oxidant-containing gas G2 cooled by the first heat exchanger 2 is further supplied to the cathode 1b and gives the rest of the combustion heat to heat the cell stack 1 as a whole.
  • the catalyst layer of the first heat exchange core 21 is preheated and the temperature of the cell stack 1 is raised.
  • the valve opening degree of the first bypass valve 24 is controlled to adjust the temperature of the oxidant-containing gas G2 supplied to the first heat exchanger 2 and, in turn, the cathode 1b.
  • the internal temperature should not exceed the anodization start temperature T1.
  • the combustion amount of the second heat exchange core 31 may be adjusted by gently reducing the gas flow rate of the second blower 12 as the catalyst temperature rises.
  • the fourth heat exchanger 9 is a device that preheats the room-temperature oxidant-containing gas G2 supplied to the cathode 1b of the cell stack 1 using the relatively high-temperature anode off-gas G5 that has passed through the third heat exchanger 8. is.
  • the fourth heat exchanger 9 is configured as a two-fluid indirect heat exchanger (for example, a brazed plate heat exchanger).
  • the first heat exchanger 2 Since the first heat exchanger 2 has such a configuration, it is possible to cool the catalyst layer through the heat transfer surface, and in the startup operation and shutdown operation of the system, the heat generated by the partial oxidation reforming reaction It is possible to easily adjust the temperature of the reformed gas G4 below the allowable temperature of the cell stack 1 . On the other hand, it is also possible to heat the catalyst layer via the heat transfer surface, and it is possible to easily secure a heat source for generating the reformed gas G4 by the steam reforming reaction in the power generation operation of the system.
  • the fuel cell systems 100 and 200 circulate the reducing POX gas generated by the partial oxidation reaction to the anode 1a to raise the temperature of the cell stack 1 during system start-up operation.
  • the temperature raising operation the temperature of the POX gas is lowered by activating the recycling means.
  • the temperature of the cell stack 1 is lowered by circulating the POX gas to the anode 1a.
  • the temperature of the POX gas is lowered by operating the recycling means.
  • part of the combustion heat of the second heat exchanger 3 can be used to preheat the partial oxidation catalyst, and the remainder of the combustion heat can be used to raise the temperature of the cell stack 1 .
  • this preheating/heating operation is indirect heating using the oxidant-containing gas G2 (cathode air) as a heat medium, there is no fear of burning out the catalyst or oxidizing the anode material.

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Abstract

This fuel cell system is provided with a cell stack (1) for a solid oxide fuel cell, a first heat exchanger (2) that causes a catalytic reaction of a first hydrocarbon-containing gas (G1) with a first oxidant-containing gas (G2) and/or an anode off-gas (G5) in the interior of a first heat exchanging core and transfers heat of the reaction to heat or cool a second oxidant-containing gas (G2), a second heat exchanger 3 that causes a catalytic reaction of a second hydrocarbon-containing gas (G1) and/or the anode off-gas (G5) with a cathode off-gas (G6) in the interior of a second heat exchanging core (31) and transfers heat of the reaction to heat the second oxidant-containing gas (G2), a recycling means (52) capable of supplying the anode off-gas (G5) to the first heat exchanger (2), a power conditioner (6), and a system controller (7).

Description

燃料電池システムfuel cell system
　本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system using solid oxide fuel cells.
　従来、環境有害物質の放出が少なく発電効率に優れる発電装置として、様々なタイプの燃料電池が開発されている。特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は５０％以上の高い発電効率が得られるため、産業用から家庭用まで広範な出力範囲の発電システムに利用されている。また近年では、６０％を超える発電効率を目指して燃料利用率を高める技術開発も積極的に進められている。この技術開発には、アノードオフガスの再循環やセルスタックの多段化に加え、これらに付随する燃料再生を含む。
　例えば特許文献１～４には、アノードオフガスの再循環ラインを有する燃料電池システムの一例が開示されている。 Conventionally, various types of fuel cells have been developed as power generators that emit less environmentally harmful substances and have excellent power generation efficiency. In particular, solid oxide fuel cells (SOFCs) have a high power generation efficiency of 50% or more, and are used in power generation systems with a wide output range from industrial use to household use. Moreover, in recent years, technological development for increasing the fuel utilization rate has been actively promoted with the aim of achieving a power generation efficiency of over 60%. This technological development includes recirculation of anode off-gas, multi-stage cell stacking, and associated fuel regeneration.
For example, Patent Documents 1 to 4 disclose an example of a fuel cell system having an anode offgas recirculation line.
特開２００９－２３０９２６号公報JP 2009-230926 A 特表２０１５－５０９２７４号公報Japanese Patent Publication No. 2015-509274 特開２０１６－０５１５７４号公報JP 2016-051574 A 特開２００４－０８７３７７号公報JP 2004-087377 A
　日本国内では産業向けや家庭向けの水素ガス供給インフラが整備途上であるため、メタンを主成分とする燃料ガス（都市ガス１３Ａ）をシステム内で改質して発電用の水素含有ガスを得るのが一般的である。 In Japan, the hydrogen gas supply infrastructure for industries and households is still under construction, so fuel gas (city gas 13A) containing methane as the main component is reformed in the system to obtain hydrogen-containing gas for power generation. is common.
　特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタック６の発電で生じたアノードオフガスを熱交換器１０においてカソード供給空気で冷却し、更に凝縮器１２で脱湿して得た水を水タンク２１に貯留する。この貯留水は、水ポンプ２２で蒸発器１９に供給されて水蒸気となり、燃料ガスと混合されて改質器１８に送られる。改質器１８では、水蒸気改質反応によってメタンから水素と一酸化炭素が生成され、燃料電池スタック６のアノードに供給される。一方、凝縮器１２で分離されたアノードオフガス（水分を除去した再生ガス）は、その一部が再循環ブロワ１３によって燃料電池スタック６のアノードに供給される。 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the anode off-gas generated by the power generation of the fuel cell stack 6 is cooled by the cathode supply air in the heat exchanger 10, and the water obtained by dehumidifying in the condenser 12 is stored in the water tank. 21. This stored water is supplied to the evaporator 19 by the water pump 22 to become steam, mixed with the fuel gas and sent to the reformer 18 . In the reformer 18 , hydrogen and carbon monoxide are produced from methane by a steam reforming reaction and supplied to the anode of the fuel cell stack 6 . On the other hand, part of the anode off-gas (regenerated gas from which moisture has been removed) separated by the condenser 12 is supplied to the anode of the fuel cell stack 6 by the recirculation blower 13 .
　特許文献１に係るシステム構成では、凝縮水回収および水蒸気発生のために、熱交換器１０、凝縮器１２、蒸発器１９、水タンク２１および水ポンプ２２といった多数の周辺機器（補機類）を必要としている。本態様のシステムは、複雑な構成に基因してイニシャルコストが高価であり、しかもシステムパッケージの小型化をも困難にさせている。 In the system configuration according to Patent Document 1, a large number of peripheral devices (auxiliary devices) such as a heat exchanger 10, a condenser 12, an evaporator 19, a water tank 21 and a water pump 22 are provided for collecting condensed water and generating steam. In need of. The system of this embodiment has a high initial cost due to its complicated configuration, and makes it difficult to reduce the size of the system package.
　特許文献２は、特許文献１の問題点を部分的に解決しうる燃料電池システムの構成を開示する。本システムは、触媒を有する改質器１０７に対して未利用水素と水蒸気を含むアノードオフガスを再循環手段１０９によりリサイクルしつつ、改質器１０７でメタン等の接触部分酸化反応を行うものである。アノードオフガスに含まれる水蒸気のリサイクルにより、改質器１０７に送る供給ガスのＳ／Ｃ比を高められるため、アノード上での炭素析出（コーキング）を防止でき、しかも触媒内では水蒸気改質反応も進行する。また、熱交換器１０５ｂ～１０５ｃで冷却されたアノードオフガスをリサイクルすることで、改質器１０７の入口温度と出口温度を下げ、システム内部の熱応力や材料選択に対する制約を緩和している。 Patent Document 2 discloses a configuration of a fuel cell system that can partially solve the problem of Patent Document 1. In this system, catalytic partial oxidation reaction of methane or the like is carried out in the reformer 107 while recycling the anode off-gas containing unused hydrogen and water vapor to the reformer 107 having a catalyst by the recirculation means 109. . By recycling the water vapor contained in the anode off-gas, the S/C ratio of the feed gas sent to the reformer 107 can be increased, so carbon deposition (coking) on the anode can be prevented, and the water vapor reforming reaction can also occur within the catalyst. proceed. Further, by recycling the anode off-gas cooled by the heat exchangers 105b to 105c, the inlet temperature and outlet temperature of the reformer 107 are lowered, and the thermal stress inside the system and restrictions on material selection are alleviated.
　特許文献２に係るシステム構成では、部分酸化改質と水蒸気改質とを併用するオートサーマル改質で水素含有ガスを生成することにより、凝縮水回収および水蒸気発生に係る補機類を削減している。なお、本文献では、システムの起動およびシャットダウンにおける課題解決がフォーカスされているが、水蒸気を含むアノードオフガスは、セルスタック１０３の発電反応によって発生するものである。そのため、システムの定常時だけでなく、起動時およびシャットダウン時にも上記のオートサーマル改質を伴って発電がなされていると理解される。
　しかしながら、起動時およびシャットダウン時の発電は、システム内の熱バランスが不安定な状態で行われることになるので、セルスタック１０３の寿命に悪影響を及ぼすリスクがある。 In the system configuration according to Patent Document 2, auxiliary equipment related to condensed water recovery and steam generation is reduced by generating hydrogen-containing gas by autothermal reforming that uses both partial oxidation reforming and steam reforming. there is Although this document focuses on solving problems in system start-up and shutdown, the anode off-gas containing water vapor is generated by the power generation reaction of the cell stack 103 . Therefore, it is understood that power is generated with the autothermal reforming described above not only when the system is steady, but also when it is started and shut down.
However, there is a risk that the life of the cell stack 103 will be adversely affected since power generation during start-up and shutdown will be performed in a state in which the heat balance within the system is unstable.
　特許文献３は、特許文献１の問題点を部分的に解決しうる燃料電池システムの構成を開示する。本システムは、水素含有ガス生成用の改質器１４、オフガス処理用の燃焼器１８、空気予熱用の熱交換器２０およびアノードオフガスのリサイクル通路３８を含んで構成されている。燃焼器１８には、燃焼触媒が充填され、燃焼器１８から熱交換器２０に燃焼排ガスを直接供給するために両者は連結されている。また、改質器１４は、システム起動時に部分酸化改質器（ＰＯＸ）として機能し、定常時にオートサーマル改質器（ＡＲ）として機能する。つまり、発電が行われる定常時にのみ、アノードオフガスがリサイクルされる。 Patent Document 3 discloses a configuration of a fuel cell system that can partially solve the problem of Patent Document 1. The system includes a reformer 14 for generating hydrogen-containing gas, a combustor 18 for treating offgas, a heat exchanger 20 for air preheating, and a recycling passage 38 for anode offgas. The combustor 18 is filled with a combustion catalyst and is connected to provide flue gas directly from the combustor 18 to the heat exchanger 20 . Further, the reformer 14 functions as a partial oxidation reformer (POX) when the system is started, and functions as an autothermal reformer (AR) when the system is stationary. That is, the anode off-gas is recycled only during steady state power generation.
　特許文献３に係るシステム構成では、部分酸化改質またはオートサーマル改質で水素含有ガスを生成することにより、凝縮水回収および水蒸気発生に係る補機類を削減している。また、燃焼器１８と熱交換器２０を連結することで、配管施工に係る組立工数を削減している。
　しかしながら、本文献の改質器１４は、起動時に内部で原燃料と空気の混合ガスに点火して熱部分酸化を行っており、火炎形成により改質触媒を焼損させる懸念がある。また、本文献の燃焼器１８は、空気と還元ガスとを自己着火または点火により触媒燃焼させているが、システムが冷態にあるときは、部分酸化改質により生成した高温の還元ガスによりセルスタック１２の昇温と燃焼触媒の十分な予熱が完了するまでは、触媒燃焼ができずに可燃性の還元ガスが外部に漏洩するリスクもある。 In the system configuration according to Patent Literature 3, hydrogen-containing gas is generated by partial oxidation reforming or autothermal reforming, thereby reducing the auxiliary equipment related to condensed water recovery and steam generation. Also, by connecting the combustor 18 and the heat exchanger 20, the number of assembly man-hours related to piping construction is reduced.
However, the reformer 14 of this document performs thermal partial oxidation by igniting a mixed gas of raw fuel and air inside when it is started, and there is a concern that the reforming catalyst may burn out due to flame formation. In addition, the combustor 18 of this document catalytically combusts air and reducing gas by self-ignition or ignition. Until the temperature rise of the stack 12 and the sufficient preheating of the combustion catalyst are completed, there is a risk that the combustible reducing gas will leak to the outside without catalytic combustion.
　特許文献４は、特許文献１の問題点を部分的に解決しうる燃料電池システムの構成を開示する。本システムは、水素含有ガス生成用の改質器５、オフガス処理用の燃焼機９、起動用のバーナ１２、燃料再循環用のブロワ２４、空気予熱用の熱交換器９３，９５を含んで構成されている（実施形態３）。改質器５は、部分酸化触媒を有しており、システムの起動時の燃料電池７の予熱および昇温に使用する部分酸化ガスを生成する。バーナ１２は、システムの起動時に燃焼され、熱交換器９３で燃焼排ガスとの熱交換により加熱された空気を使用して部分酸化触媒を予熱する。また、加熱空気の一部は、空気極３１および電解質３３の予熱にも使用される。なお、システムの発電時には、燃料極３５での内部改質反応により水素含有ガスが生成される。 Patent Document 4 discloses a configuration of a fuel cell system that can partially solve the problem of Patent Document 1. The system includes a reformer 5 for hydrogen-containing gas generation, a combustor 9 for off-gas treatment, a burner 12 for start-up, a blower 24 for fuel recirculation, and heat exchangers 93, 95 for air preheating. It is configured (Embodiment 3). The reformer 5 has a partial oxidation catalyst and produces a partially oxidized gas that is used to preheat and raise the temperature of the fuel cell 7 when the system is started. The burner 12 is combusted at system start-up and uses air heated by heat exchange with flue gas in the heat exchanger 93 to preheat the partial oxidation catalyst. Part of the heated air is also used to preheat the cathode 31 and the electrolyte 33 . During power generation of the system, a hydrogen-containing gas is generated by an internal reforming reaction at the fuel electrode 35 .
　特許文献４に係るシステム構成では、部分酸化改質または内部改質で水素含有ガスを生成することにより、凝縮水回収および水蒸気発生に係る補機類を削減し、しかもシステム起動時間の短縮をも図っている。
　しかしながら、部分酸化触媒の予熱に使用された高温空気がアノードに送られる構成であることから、アノードの酸化を誘発するおそれがある。部分酸化反応を開始させるためには、触媒層を４００℃程度まで予熱しなければならないが、そうすると４００℃を超える温度の空気（例えば、熱交換器９３で５００～６００℃に加熱された空気）が必要であり、短時間とはいえ、そのような高温空気がアノードに流通することは好ましくない。また、原料ガス（都市ガス）の部分酸化反応の開始後は、触媒上で炭素析出を抑制する観点から空気比λをある程度高める必要があるが、そうすると触媒温度が容易に１０００℃を超えてしまう。燃料電池７の昇温のためとはいえ、発電時の動作温度よりも高温の部分酸化ガスがアノードに供給され続けるのも好ましくない。さらに、本文献では、システムの起動運転と通常運転については説明があるものの、シャットダウン時の運転操作については説明が全くない。 In the system configuration according to Patent Document 4, hydrogen-containing gas is generated by partial oxidation reforming or internal reforming, thereby reducing auxiliary equipment related to condensed water recovery and steam generation, and shortening the system start-up time. I am planning.
However, since the high-temperature air used for preheating the partial oxidation catalyst is sent to the anode, there is a risk of inducing oxidation of the anode. In order to initiate the partial oxidation reaction, the catalyst layer must be preheated to about 400° C., and then air having a temperature exceeding 400° C. (for example, air heated to 500 to 600° C. in the heat exchanger 93) is used. is required, and it is undesirable for such hot air to flow through the anode, even for a short period of time. In addition, after the partial oxidation reaction of the raw material gas (city gas) has started, it is necessary to increase the air ratio λ to some extent from the viewpoint of suppressing carbon deposition on the catalyst, but if so, the catalyst temperature easily exceeds 1000 ° C. . Even though it is for raising the temperature of the fuel cell 7, it is not preferable to continue to supply the anode with a partial oxidation gas having a temperature higher than the operating temperature during power generation. Furthermore, although this document describes startup operation and normal operation of the system, it does not explain operation at the time of shutdown.
　特許文献２～４のシステム構成では、凝縮水回収および水蒸気発生に係る補機類が削減されていることにより、イニシャルコストの抑制に結び付いているものの、製品ライフや安全性の面で解決すべき懸念点も散見される状況にある。そのため、製品の普及を促進する観点からは、更なる構成の見直しが喫緊の課題となっている。 In the system configurations of Patent Documents 2 to 4, the auxiliary equipment related to condensed water recovery and steam generation is reduced, which leads to a reduction in initial cost, but it should be solved in terms of product life and safety. There are also some points of concern. Therefore, from the viewpoint of promoting the popularization of products, further review of the configuration is an urgent issue.
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、イニシャルコストを抑制することができ、システムパッケージの小型化が容易な燃料電池システムを提供することである。また、他の目的は、システムのスタートアップ運転の昇温操作およびシャットダウン運転の降温操作において、アノードの酸化や過熱によって誘発されるセルスタックの失活や破損等が回避される燃料電池システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a fuel cell system that can suppress the initial cost and can easily reduce the size of the system package. Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that avoids deactivation and damage of the cell stack induced by oxidation and overheating of the anode during the temperature increase operation during system startup operation and the temperature decrease operation during shutdown operation of the system. That is.
　本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質、アノードおよびカソードからなる発電セルを複数集積して構成した固体酸化物形燃料電池のセルスタックと、第１熱交換コアを有し、該第１熱交換コアの内部で第１の炭化水素含有ガスおよび／またはアノードオフガスを第１の酸化剤含有ガスと共に触媒反応させ、その反応熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスを加熱または冷却する第１熱交換器と、第２熱交換コアを有し、該第２熱交換コアの内部で第２の炭化水素含有ガスおよび／またはアノードオフガスをカソードオフガスと共に触媒燃焼させ、その燃焼熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスを加熱する第２熱交換器と、アノードオフガスを前記第１熱交換器に供給可能なリサイクル手段と、前記セルスタックで発電した電力を変換するパワーコンディショナと、システム動作を制御するシステムコントローラと、を備える構成である。 A fuel cell system according to the present invention includes a solid oxide fuel cell cell stack configured by integrating a plurality of power generation cells each composed of a solid electrolyte, an anode, and a cathode, and a first heat exchange core. The first hydrocarbon-containing gas and/or the anode off-gas is catalytically reacted with the first oxidant-containing gas inside the exchange core, and the reaction heat is used for heat transfer to heat or cool the second oxidant-containing gas. and a second heat exchange core, wherein the second hydrocarbon-containing gas and/or the anode off-gas is catalytically combusted with the cathode off-gas inside the second heat exchange core, and the combustion heat is A second heat exchanger that heats the second oxidant-containing gas using heat transfer, a recycling means capable of supplying the anode off-gas to the first heat exchanger, and a power that converts electric power generated by the cell stack. The configuration includes a conditioner and a system controller that controls system operation.
　前記第１熱交換器は、前記第１熱交換コアの伝熱面に部分酸化触媒が塗布された間接熱交換器として構成されることが好ましい。 The first heat exchanger is preferably configured as an indirect heat exchanger in which a partial oxidation catalyst is applied to the heat transfer surface of the first heat exchange core.
　前記第２熱交換器は、前記第２熱交換コアの伝熱面に燃焼触媒が塗布された間接熱交換器と、冷態にある前記燃焼触媒を反応開始温度まで昇温可能な加熱用ガスを発生させる加熱用ガス発生器と、を含んで構成されることが好ましい。 The second heat exchanger comprises an indirect heat exchanger in which a combustion catalyst is applied to the heat transfer surface of the second heat exchange core, and a heating gas capable of raising the temperature of the cold combustion catalyst to a reaction start temperature. and a heating gas generator that generates a.
　前記加熱用ガス発生器は、前記間接熱交換器の本体部または配管部に組み込まれた電気ヒータであることが好ましい。 The heating gas generator is preferably an electric heater incorporated in the body or piping of the indirect heat exchanger.
　前記加熱用ガス発生器は、前記間接熱交換器の本体部または配管部に組み込まれたガスバーナであることが好ましい。 The heating gas generator is preferably a gas burner incorporated in the body or piping of the indirect heat exchanger.
　前記間接熱交換器は、シェルアンドプレート型の熱交換器であることが好ましい。 The indirect heat exchanger is preferably a shell-and-plate heat exchanger.
　また、本発明に係る燃料電池システムの前記システムコントローラは、システムのスタートアップ運転において、前記第１熱交換器に第１の炭化水素含有ガスおよび第１の酸化剤含有ガスを供給して水素含有ガスを生成させつつ、この水素含有ガスを前記アノードに供給し、前記第１熱交換器の反応動作中、前記リサイクル手段を作動させ、前記システムコントローラは、システムのシャットダウン運転において、前記第１熱交換器に第１の炭化水素含有ガスおよび第１の酸化剤含有ガスを供給して水素含有ガスを生成させつつ、この水素含有ガスを前記アノードに供給し、前記第１熱交換器の反応動作中、前記リサイクル手段を作動させる構成である。 Further, the system controller of the fuel cell system according to the present invention supplies the first hydrocarbon-containing gas and the first oxidant-containing gas to the first heat exchanger to produce a hydrogen-containing gas in the startup operation of the system. is generated, the hydrogen-containing gas is supplied to the anode, the recycling means is operated during the reaction operation of the first heat exchanger, and the system controller controls the first heat exchange during shutdown operation of the system. A first hydrocarbon-containing gas and a first oxidant-containing gas are supplied to the vessel to generate a hydrogen-containing gas, and the hydrogen-containing gas is supplied to the anode, during the reaction operation of the first heat exchanger. , a configuration for operating the recycling means.
　前記システムコントローラは、システムのスタートアップ運転において、前記第１熱交換器の反応動作前、前記第２熱交換器で第２の炭化水素含有ガスを触媒燃焼させつつ、前記第２熱交換器に第２の酸化剤含有ガスを流通させ、前記第２熱交換器で加熱された第２の酸化剤含有ガスを前記第１熱交換器に流通させて触媒に燃焼熱の一部を付与し、前記第１熱交換器で冷却された第２の酸化剤含有ガスを前記カソードに供給することが望ましい。 In the startup operation of the system, the system controller causes the second heat exchanger to catalytically combust the second hydrocarbon-containing gas before the reaction operation of the first heat exchanger, and the second heat exchanger to the second oxidant-containing gas heated in the second heat exchanger is circulated through the first heat exchanger to impart part of the combustion heat to the catalyst; Desirably, a second oxidant-containing gas cooled in a first heat exchanger is supplied to the cathode.
　前記システムコントローラは、システムのスタートアップ運転および／またはシャットダウン運転において、前記第１熱交換器の反応動作中、第２の酸化剤含有ガスを前記第１熱交換器に流通させて水素含有ガスの生成に伴う反応熱の一部を回収し、前記第１熱交換器で冷却された水素含有ガスを前記アノードに供給すると共に、前記第１熱交換器で加熱された第２の酸化剤含有ガスを前記カソードに供給することが望ましい。
　前記第１熱交換器に流通させる第２の酸化剤含有ガスは、前記第２熱交換器に対して全部または一部をバイパスさせたガスとするのがよい。 The system controller circulates a second oxidant-containing gas through the first heat exchanger to generate a hydrogen-containing gas during a reaction operation of the first heat exchanger during startup operation and/or shutdown operation of the system. Part of the reaction heat accompanying is recovered, the hydrogen-containing gas cooled by the first heat exchanger is supplied to the anode, and the second oxidant-containing gas heated by the first heat exchanger is supplied to It is desirable to supply the cathode.
The second oxidant-containing gas that flows through the first heat exchanger is preferably a gas that bypasses the second heat exchanger in whole or in part.
　また、前記システムコントローラは、システムの発電運転において、前記リサイクル手段を作動させつつ、前記第１熱交換器に第１の炭化水素含有ガスを供給し、前記セルスタックの掃引電流に応じて、ゼロを含む所要量の第１の酸化剤含有ガスを前記第１熱交換器に供給することが望ましい。 Further, in the power generation operation of the system, the system controller supplies the first hydrocarbon-containing gas to the first heat exchanger while operating the recycling means, and according to the sweep current of the cell stack, zero to the first heat exchanger.
　本発明の本質的な構成によれば、イニシャルコストを抑制することができ、システムパッケージの小型化が容易な燃料電池システムを提供することができる。また、本発明の付加的な構成によれば、システムのスタートアップ運転の昇温操作およびシャットダウン運転の降温操作において、アノードの酸化や過熱によって誘発されるセルスタックの失活や破損等が回避される燃料電池システムを提供することができる。 According to the essential configuration of the present invention, it is possible to provide a fuel cell system in which the initial cost can be suppressed and the size of the system package can be easily reduced. In addition, according to the additional configuration of the present invention, deactivation and breakage of the cell stack induced by oxidation and overheating of the anode can be avoided during the temperature increase operation during system startup operation and the temperature decrease operation during system shutdown operation. A fuel cell system can be provided.
第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system according to a first embodiment; FIG. 第１熱交換器の構成例を示す説明図である。It is an explanatory view showing an example of composition of the 1st heat exchanger. 第２熱交換器の構成例１Ａを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example 1A of a 2nd heat exchanger. 第２熱交換器の構成例１Ｂを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structural example 1B of a 2nd heat exchanger. 第１実施形態に係る燃料電池システムの運転制御における状態変化を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing state changes in operation control of the fuel cell system according to the first embodiment; 第２熱交換器の構成例２Ａを示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a configuration example 2A of a second heat exchanger; 第２熱交換器に付設するパイプバーナの説明図である。It is explanatory drawing of the pipe burner attached to a 2nd heat exchanger. 第２熱交換器の構成例２Ｂを示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a configuration example 2B of a second heat exchanger; 第２熱交換器の構成例２Ｃを示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing a configuration example 2C of a second heat exchanger; 第２実施形態に係る燃料電池システムの運転制御における状態変化を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing state changes during operation control of the fuel cell system according to the second embodiment; 第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system according to a third embodiment;
　以下、本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下に説明する実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。 Preferred embodiments of the fuel cell system of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below, and can be modified as appropriate.
［１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、セルスタック１と、第１熱交換器２と、第２熱交換器３と、第１予混合器４と、第２予混合器５と、パワーコンディショナ６と、システムコントローラ７と、を備える。
　この燃料電池システム１００は、商用電源と系統連系して建築物内に給電可能な、業務用あるいは家庭用の発電システムとして構成されている。 [1 embodiment]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 100 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a cell stack 1, a first heat exchanger 2, a second heat exchanger 3, a first premixer 4, a second premixer 5, A power conditioner 6 and a system controller 7 are provided.
This fuel cell system 100 is configured as a power generation system for business or home use, which can be connected to a commercial power source to feed power into a building.
〔ガス管路およびブロワ〕
　図１において、第１燃料ラインＬ１１および第２燃料ラインＬ１２には、炭化水素含有ガスＧ１（都市ガス１３Ａ等のメタン含有ガス）が流通する。
　第１燃料ラインＬ１１は、燃料取入口Ｐ１０と第１予混合器４の燃料供給口とを接続する管路であり、この管路中には第１ブロワ１１が配置されている。第１ブロワ１１は、第１の炭化水素含有ガスＧ１を昇圧して第１予混合器４に供給する機器である。第１ブロワ１１の吐出側には、必要に応じて脱硫器およびガスフィルタが設けられる。 [Gas pipeline and blower]
In FIG. 1, a hydrocarbon-containing gas G1 (a methane-containing gas such as city gas 13A) flows through the first fuel line L11 and the second fuel line L12.
The first fuel line L11 is a pipeline that connects the fuel intake port P10 and the fuel supply port of the first premixer 4, and the first blower 11 is arranged in this pipeline. The first blower 11 is a device that pressurizes the first hydrocarbon-containing gas G1 and supplies it to the first premixer 4 . A desulfurizer and a gas filter are provided on the discharge side of the first blower 11 as necessary.
　第２燃料ラインＬ１２は、第１ブロワ１１の上流側の第１燃料ラインＬ１１と第２予混合器５の燃料供給口とを接続する管路であり、この管路中には第２ブロワ１２が配置されている。第２ブロワ１２は、第２の炭化水素含有ガスＧ１を昇圧して第２予混合器５に供給する機器である。第２ブロワ１２の吐出側には、必要に応じて脱硫器およびガスフィルタが設けられる。 The second fuel line L12 is a pipeline connecting the first fuel line L11 on the upstream side of the first blower 11 and the fuel supply port of the second premixer 5. are placed. The second blower 12 is a device that pressurizes the second hydrocarbon-containing gas G1 and supplies it to the second premixer 5 . A desulfurizer and a gas filter are provided on the discharge side of the second blower 12 as necessary.
　図１において、第１空気ラインＬ２１～第６空気ラインＬ２６には、酸化剤含有ガスＧ２（空気等の酸素含有ガス）が流通する。
　第１空気ラインＬ２１は、空気取入口Ｐ２０と第２熱交換器３の空気入口とを接続する管路であり、この管路中には第３ブロワ２１が配置されている。第３ブロワ２１は、第２の酸化剤含有ガスＧ２を昇圧してセルスタック１のカソード１ｂに供給する機器である。第３ブロワ２１の吸入側には、必要に応じてガスフィルタが設けられる。 In FIG. 1, an oxidant-containing gas G2 (an oxygen-containing gas such as air) flows through the first air line L21 to the sixth air line L26.
The first air line L21 is a pipeline that connects the air intake port P20 and the air inlet of the second heat exchanger 3, and the third blower 21 is arranged in this pipeline. The third blower 21 is a device that boosts the pressure of the second oxidant-containing gas G2 and supplies it to the cathode 1b of the cell stack 1. FIG. A gas filter is provided on the suction side of the third blower 21 as necessary.
　第２空気ラインＬ２２は、第２熱交換器３の空気出口と第１熱交換器２の空気入口とを接続する管路である。第３空気ラインＬ２３は、第１熱交換器２の空気出口とセルスタック１のカソード側入口とを接続する管路である。 The second air line L22 is a conduit that connects the air outlet of the second heat exchanger 3 and the air inlet of the first heat exchanger 2. The third air line L23 is a conduit that connects the air outlet of the first heat exchanger 2 and the cathode side inlet of the cell stack 1 .
　第４空気ラインＬ２４は、第２熱交換器３の上流側の第１空気ラインＬ２１と第２空気ラインＬ２２とを接続する管路であり、この管路中には第１バイパス弁２４が配置されている。第１バイパス弁２４は、第１熱交換器２に供給する酸化剤含有ガスＧ２（加熱／冷却用空気）の温度を調節するための機器である。例えば、第１バイパス弁２４を全閉にして、第２熱交換器３に対して第３ブロア２１から送出される常温空気の全部を流通させると、後述する部分酸化触媒に第２熱交換コア３１の燃焼熱の一部を付与して加熱することができる。また、第１バイパス弁２４を開放して、第２熱交換器３に対して第３ブロア２１から送出される常温空気の全部または一部をバイパスさせると、部分酸化触媒から反応熱の一部を回収して冷却することができる。第１バイパス弁２４には、例えば弁開度を比例制御可能な流量調整弁が使用される。 The fourth air line L24 is a pipeline that connects the first air line L21 upstream of the second heat exchanger 3 and the second air line L22, and the first bypass valve 24 is arranged in this pipeline. It is The first bypass valve 24 is a device for adjusting the temperature of the oxidant-containing gas G2 (heating/cooling air) supplied to the first heat exchanger 2 . For example, when the first bypass valve 24 is fully closed and all of the normal temperature air sent from the third blower 21 is circulated to the second heat exchanger 3, the second heat exchange core will reach the partial oxidation catalyst, which will be described later. Part of the combustion heat of 31 can be applied for heating. Further, when the first bypass valve 24 is opened to bypass all or part of the room-temperature air sent from the third blower 21 to the second heat exchanger 3, part of the reaction heat is released from the partial oxidation catalyst. can be collected and cooled. For the first bypass valve 24, for example, a flow control valve capable of proportionally controlling the valve opening is used.
　第５空気ラインＬ２５は、第３ブロワ２１の上流側の第１空気ラインＬ２１と第１予混合器４の空気供給口とを接続する管路であり、この管路中には第４ブロワ２５が配置されている。第４ブロワ２５は、第１の酸化剤含有ガスＧ２を昇圧して第１予混合器４に供給する機器である。第４ブロワ２５の吸入側には、必要に応じてガスフィルタが設けられる。 The fifth air line L25 is a pipeline that connects the first air line L21 on the upstream side of the third blower 21 and the air supply port of the first premixer 4, and the fourth blower 25 is in this pipeline. are placed. The fourth blower 25 is a device that pressurizes the first oxidant-containing gas G2 and supplies it to the first premixer 4 . A gas filter is provided on the suction side of the fourth blower 25 as required.
　第６空気ラインＬ２６は、第１バイパス弁２４の上流側の第４空気ラインＬ２４とセルスタック１のカソード側入口とを接続する管路であり、この管路中には第２バイパス弁２６が配置されている。第２バイパス弁２６は、セルスタック１のカソード１ｂに供給する酸化剤含有ガスＧ２の温度を調節するための機器である。第１熱交換器２および第２熱交換器３に対して第３ブロア２１から送出される常温空気の一部をバイパスさせて高温空気と混合し、セルスタック１の耐用温度以下に空気の供給温度を調節する。第２バイパス弁２６には、例えば弁開度を比例制御可能な流量調整弁が使用される。なお、第６空気ラインＬ２６および第２バイパス弁２６は、必須の構成ではなく、例えば第１バイパス弁２４を全開にしてもカソード１ｂへの空気の供給温度が高過ぎる場合等に設けられる。 The sixth air line L26 is a conduit that connects the fourth air line L24 on the upstream side of the first bypass valve 24 and the cathode side inlet of the cell stack 1, and the second bypass valve 26 is installed in this conduit. are placed. The second bypass valve 26 is a device for adjusting the temperature of the oxidant-containing gas G2 supplied to the cathode 1b of the cell stack 1. A part of the normal temperature air sent from the third blower 21 is bypassed to the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3 and mixed with the high temperature air to supply the air to the allowable temperature of the cell stack 1 or less. Regulate temperature. For the second bypass valve 26, for example, a flow regulating valve capable of proportional control of valve opening is used. The sixth air line L26 and the second bypass valve 26 are not essential components, and are provided, for example, when the temperature of the air supplied to the cathode 1b is too high even if the first bypass valve 24 is fully opened.
　図１において、第１予混合ガスラインＬ３には、第１の予混合ガスＧ３が流通する。第１予混合ガスラインＬ３は、第１予混合器４のガス排出口と第１熱交換器２の高温側入口とを接続する管路である。
　また、改質ガスラインＬ４には、水素含有ガスＧ４（改質ガス）が流通する。改質ガスラインＬ４は、第１熱交換器２の高温側出口とセルスタック１のアノード側入口とを接続する管路である。 In FIG. 1, the first premixed gas G3 flows through the first premixed gas line L3. The first premixed gas line L3 is a pipeline that connects the gas outlet of the first premixer 4 and the high temperature side inlet of the first heat exchanger 2 .
A hydrogen-containing gas G4 (reformed gas) flows through the reformed gas line L4. The reformed gas line L4 is a conduit that connects the high temperature side outlet of the first heat exchanger 2 and the anode side inlet of the cell stack 1 .
　図１において、第１アノードオフガスラインＬ５１および第２アノードオフガスラインＬ５２には、アノードオフガスＧ５が流通する。本願において、「アノードオフガス」とは、セルスタック１で発電反応が行われているか否かに関わらず、アノード１ａから排出されるガスをいい、水素および一酸化炭素を含むガスである。
　第１アノードオフガスラインＬ５１は、セルスタック１のアノード側出口と第２予混合器５のオフガス供給口とを接続する管路である。 In FIG. 1, the anode offgas G5 flows through the first anode offgas line L51 and the second anode offgas line L52. In the present application, the term “anode off-gas” refers to gas discharged from the anode 1a regardless of whether a power generation reaction is occurring in the cell stack 1, and is a gas containing hydrogen and carbon monoxide.
The first anode offgas line L51 is a conduit that connects the anode-side outlet of the cell stack 1 and the offgas supply port of the second premixer 5 .
　第２アノードオフガスラインＬ５２は、第１アノードオフガスラインＬ５１の途中から分岐して第１予混合器４のオフガス供給口に接続される管路であり、この管路中には第５ブロワ５２（５２Ａ）が配置されている。第５ブロワ５２は、セルスタック１から排出されるアノードオフガスＧ５の一部を吸引・昇圧して、第１熱交換器２に供給される炭化水素含有ガスＧ１に混合させる「アノードオフガスリサイクル」のための機器である。すなわち、第２アノードオフガスラインＬ５２および第５ブロワ５２は、リサイクル手段を構成する。 The second anode off-gas line L52 is a pipeline branched from the middle of the first anode off-gas line L51 and connected to the off-gas supply port of the first premixer 4. The fifth blower 52 ( 52A) are arranged. The fifth blower 52 performs “anode off-gas recycling” to suck and pressurize a part of the anode off-gas G5 discharged from the cell stack 1 and mix it with the hydrocarbon-containing gas G1 supplied to the first heat exchanger 2. It is a device for That is, the second anode offgas line L52 and the fifth blower 52 constitute recycling means.
　図１において、カソードオフガスラインＬ６には、カソードオフガスＧ６が流通する。本願において、「カソードオフガス」とは、セルスタック１で発電反応が行われているか否かに関わらず、カソード１ｂから排出されるガスをいい、酸素を含むガスである。
　カソードオフガスラインＬ６は、セルスタック１のカソード側出口と第２予混合器５のオフガス供給口とを接続する管路である。 In FIG. 1, the cathode offgas G6 flows through the cathode offgas line L6. In the present application, the term "cathode off-gas" refers to gas discharged from the cathode 1b regardless of whether or not the cell stack 1 is undergoing a power generation reaction, and is a gas containing oxygen.
The cathode offgas line L6 is a conduit that connects the cathode-side outlet of the cell stack 1 and the offgas supply port of the second premixer 5 .
　図１において、第２予混合ガスラインＬ７には、第２の予混合ガスＧ７が流通する。第２予混合ガスラインＬ７は、第２予混合器５のガス排出口と第２熱交換器３の高温側入口とを接続する管路である。
　また、排ガスラインＬ８には、燃焼排ガスＧ８が流通する。排ガスラインＬ８は、第２熱交換器３の高温側出口と排ガス放出口Ｐ３０とを接続する管路である。 In FIG. 1, the second premixed gas G7 flows through the second premixed gas line L7. The second premixed gas line L7 is a pipeline that connects the gas outlet of the second premixer 5 and the high temperature side inlet of the second heat exchanger 3 .
Further, combustion exhaust gas G8 flows through the exhaust gas line L8. The exhaust gas line L8 is a pipeline that connects the high temperature side outlet of the second heat exchanger 3 and the exhaust gas discharge port P30.
　各ブロワ１１，１２，２１，２５，５２によるガス流量の調整は、駆動モータの回転数制御によって行ってもよいし、駆動モータの回転数を固定してマスフローコントローラ（質量流量計に電磁弁等による流量調整機能を持たせた制御機器）によって行ってもよい。駆動モータの回転数制御は、例えばブラシレスＤＣモータをパルス幅変調（ＰＷＭ）により可変速制御したり、ＡＣモータをインバータ装置により可変電圧可変周波数制御（ＶＶＶＦ制御）したりすることにより実現できる。前者の場合は、ＤＣモータの駆動電圧パルスのデューティ比を変化させることで、ガス流量が調整される。後者の場合は、ＡＣモータの駆動周波数または駆動電圧を変化させることで、ガス流量が調整される。なお、各ブロワ１１，１２，２１，２５，５２の吐出側において、流量調整用とは別に、ガス遮断用の電磁弁を設けてもよい。 The adjustment of the gas flow rate by each blower 11, 12, 21, 25, 52 may be performed by controlling the rotation speed of the drive motor, or by fixing the rotation speed of the drive motor and using a mass flow controller (mass flowmeter, electromagnetic valve, etc.). It may be performed by a control device with a flow rate adjustment function by The rotation speed control of the driving motor can be realized by, for example, variable speed control of a brushless DC motor by pulse width modulation (PWM), or variable voltage variable frequency control (VVVF control) of an AC motor by an inverter device. In the former case, the gas flow rate is adjusted by changing the duty ratio of the driving voltage pulse of the DC motor. In the latter case, the gas flow rate is adjusted by changing the drive frequency or drive voltage of the AC motor. In addition, on the discharge side of each of the blowers 11, 12, 21, 25, 52, a solenoid valve for gas cutoff may be provided separately from the one for adjusting the flow rate.
〔セルスタック〕
　セルタック１は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）で構成された発電体である。固体酸化物形燃料電池は、発電セルを構成する固体電解質、アノードおよびカソードが全てセラミックスである高温作動型の燃料電池であり、所定個数の発電セルを金属インターコネクタ材（セパレータ材ともいう）を介して集積した発電単位をセルスタックと呼んでいる。なお、図１では、セルタック１の構成要素のうち、アノード１ａおよびカソード１ｂのみを模式的に示している。
　セルスタック１は、燃料電池システム１００の運転時に内部が高温雰囲気となるホットボックス内に収容されており、このホットボックスは、断熱材で覆われて外部と熱的に遮断される。また、セルスタック１の電池出力は、後述するパワーコンディショナ６で調整された後に給電される。 [Cell stack]
The Cell-Tac 1 is a power generating body composed of a solid oxide fuel cell (SOFC). A solid oxide fuel cell is a high-temperature fuel cell in which the solid electrolyte, anode, and cathode that constitute the power generation cells are all made of ceramics. A unit of power generation accumulated through a cell stack is called a cell stack. Note that FIG. 1 schematically shows only the anode 1a and the cathode 1b among the components of the Cell-Tac 1. As shown in FIG.
The cell stack 1 is housed in a hot box whose interior becomes a high-temperature atmosphere during operation of the fuel cell system 100. The hot box is covered with a heat insulating material to be thermally insulated from the outside. Also, the battery output of the cell stack 1 is fed after being adjusted by a power conditioner 6, which will be described later.
　発電セルのタイプとしては、平板型セル、円筒横縞型セル、円筒縦縞型セル、扁平円筒型セルが開発されており、平板型セルは更に、アノード支持型セル、カソード支持型セル、金属支持型セル、電解質支持型セル、絶縁体支持型セルに分類される。
　固体電解質は、酸化物イオンを透過可能なイオン伝導性セラミックスの膜であり、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ランタンガレート（ＬａＧａＯ３）等のセラミック材料が用いられる。アノード材料には、金属ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のサーメットが用いられる。カソード材料には、ＬＳＭ，ＬＳＣ，ＳＳＣ，ＬＳＣＦ等の電子性混合伝導体が用いられる。 As types of power generation cells, flat-plate cells, cylindrical-horizontal-stripe cells, cylindrical-vertical-stripe cells, and flat cylindrical cells have been developed. Cells are classified into cells, electrolyte-supported cells, and insulator-supported cells.
The solid electrolyte is an ion-conductive ceramic film permeable to oxide ions, and ceramic materials such as yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), and lanthanum gallate (LaGaO 3 ) are used. A cermet of metallic nickel (Ni) and yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used as the anode material. Electronic mixed conductors such as LSM, LSC, SSC, and LSCF are used as cathode materials.
　各発電セルのアノード１ａに炭化水素含有ガスＧ１から製造した改質ガスＧ４（水素，一酸化炭素含有ガス）を供給すると共に、各発電セルのカソード１ｂに酸化剤含有ガスＧ２を供給した状態で、セルスタック１の両極を外部回路（パワーコンディショナ６）と接続すると、次の電気化学反応により発電される。アノード１ａから排出されるアノードオフガスＧ５は、反応によって生じた水蒸気や二酸化炭素のほか、未反応の水素や一酸化炭素を含有する。
　　アノード反応：　Ｈ２＋Ｏ２－→Ｈ２Ｏ＋２ｅ－
　　　　　　　　　　ＣＯ＋Ｏ２－→ＣＯ２＋２ｅ－
　　カソード反応：　Ｏ２＋４ｅ－→２Ｏ２－ A reformed gas G4 (hydrogen, carbon monoxide-containing gas) produced from a hydrocarbon-containing gas G1 is supplied to the anode 1a of each power generation cell, and an oxidant-containing gas G2 is supplied to the cathode 1b of each power generation cell. , when both electrodes of the cell stack 1 are connected to an external circuit (power conditioner 6), power is generated by the following electrochemical reaction. The anode off-gas G5 discharged from the anode 1a contains water vapor and carbon dioxide produced by the reaction, as well as unreacted hydrogen and carbon monoxide.
Anodic reaction: H 2 +O 2− →H 2 O+2e −
CO+O 2− →CO 2 +2e −
Cathodic reaction: O 2 +4e − →2O 2−
　また、固体酸化物形燃料電池では、アノード材料として改質反応やシフト反応に活性の高い金属ニッケルを使用しているので、高温作動中のセルスタック１のアノード１ａに水蒸気の存在下で炭化水素含有ガスＧ１を供給すると、次の内部改質反応により一酸化炭素と水素が生じる。この一酸化炭素と水素は、発電時のアノード反応物質となる。
　　内部改質反応：　ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２（水蒸気改質反応）
　　　　　　　　　　ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２　（水性ガス化反応；ＣＯ転化反応） In addition, in the solid oxide fuel cell, since metal nickel, which is highly active in reforming reaction and shift reaction, is used as the anode material, hydrocarbons are generated in the presence of water vapor at the anode 1a of the cell stack 1 during high-temperature operation. When the contained gas G1 is supplied, carbon monoxide and hydrogen are produced by the following internal reforming reaction. This carbon monoxide and hydrogen become anode reactants during power generation.
Internal reforming reaction: CH 4 +H 2 O→CO+3H 2 (steam reforming reaction)
CO+H 2 O→CO 2 +H 2 (water gasification reaction; CO conversion reaction)
　上記の水性ガス化反応が進んで二酸化炭素の生成量が増えると、二酸化炭素が更にメタンと反応して一酸化炭素と水素を生成することもある。
　　ドライ改質反応：　ＣＨ４＋ＣＯ２→２ＣＯ＋２Ｈ２ As the water gasification reaction proceeds and the amount of carbon dioxide produced increases, the carbon dioxide may further react with methane to produce carbon monoxide and hydrogen.
Dry reforming reaction: CH4+ CO2 →2CO + 2H2
　上述したように、アノード材料は金属ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のサーメットであり、アノード中のニッケルは、高温状態で酸素と接触すると酸化ニッケル（ＮｉＯ）に変化してしまう。ニッケル酸化物の生成は、アノードの発電反応や改質反応に対する活性を低下（最悪の場合、喪失）させるだけでなく、アノードの体積膨張を引き起こすことにより発電セルの破損を招きやすい。そのため、セルスタックの昇温時および降温時には、アノードを還元性雰囲気に保つことが重要である。一般的には、システムの内外に設置したボンベから窒素等の不活性ガスをアノードに流通させながらセルスタックを昇温または降温させるが、本実施形態ではこのような手段を用いることなく、アノードを還元性雰囲気に保つ手段を提供する。 As mentioned above, the anode material is a cermet of metallic nickel (Ni) and yttria-stabilized zirconia (YSZ), and nickel in the anode changes to nickel oxide (NiO) when it comes into contact with oxygen at high temperatures. The formation of nickel oxide not only reduces (in the worst case, loses) the activity of the anode for power generation reaction and reforming reaction, but also causes volume expansion of the anode, thereby easily causing damage to the power generation cell. Therefore, it is important to keep the anode in a reducing atmosphere when the temperature of the cell stack is increased or decreased. In general, the temperature of the cell stack is raised or lowered while an inert gas such as nitrogen is circulated from cylinders installed inside and outside the system to the anode. Provide a means of maintaining a reducing atmosphere.
〔第１熱交換器〕
　第１熱交換器２は、第１熱交換コア（後述）を有しており、第１熱交換コアの内部で第１の炭化水素含有ガスＧ１および／またはアノードオフガスＧ５を第１の酸化剤含有ガスＧ２と共に触媒反応させ、その反応熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスＧ２を加熱または冷却する機器である。 [First heat exchanger]
The first heat exchanger 2 has a first heat exchange core (described later), inside the first heat exchange core, the first hydrocarbon-containing gas G1 and/or the anode off-gas G5 is converted into a first oxidant. It is a device that causes a catalytic reaction with the contained gas G2 and heats or cools the second oxidant-containing gas G2 by utilizing the heat of the reaction as heat transfer.
　具体的には、第１熱交換器２は、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転においては、炭化水素含有ガスＧ１を酸化剤含有ガスＧ２と共に部分酸化反応させる燃料改質器として機能する。部分酸化反応は発熱反応であるので、熱交換される第２の酸化剤含有ガスＧ２は加熱されることになる。
　また、第１熱交換器２は、システムの発電運転においては、炭化水素含有ガスＧ１をアノードオフガスＧ５と共に水蒸気改質反応やドライ改質反応させる燃料改質器として機能する。これらの改質反応は吸熱反応であるので、熱交換される第２の酸化剤含有ガスＧ２は冷却されることになる。なお、発電運転においては、後述するように、炭化水素含有ガスＧ１およびアノードオフガスＧ５に加えて酸化剤含有ガスＧ２を供給し、メタンの一部を部分酸化してもよい。 Specifically, the first heat exchanger 2 functions as a fuel reformer that partially oxidizes the hydrocarbon-containing gas G1 together with the oxidant-containing gas G2 during system startup and shutdown operations. Since the partial oxidation reaction is an exothermic reaction, the heat-exchanged second oxidant-containing gas G2 is heated.
In addition, the first heat exchanger 2 functions as a fuel reformer in which the hydrocarbon-containing gas G1 undergoes a steam reforming reaction or a dry reforming reaction together with the anode off-gas G5 during power generation operation of the system. Since these reforming reactions are endothermic reactions, the heat-exchanged second oxidant-containing gas G2 is cooled. In the power generation operation, as will be described later, the oxidant-containing gas G2 may be supplied in addition to the hydrocarbon-containing gas G1 and the anode off-gas G5 to partially oxidize some of the methane.
　第１熱交換器２は、第１熱交換コアの伝熱面に部分酸化触媒が塗布された二流体の間接熱交換器として構成されている。第１熱交換器２には、第１予混合ガスラインＬ３から第１の予混合ガスＧ３（システムの状態に応じたガスＧ１，Ｇ２，Ｇ５の混合物）が供給され、第２空気ラインＬ２２から第２の酸化剤含有ガスＧ２が供給される。 The first heat exchanger 2 is configured as a two-fluid indirect heat exchanger in which a partial oxidation catalyst is applied to the heat transfer surface of the first heat exchange core. The first heat exchanger 2 is supplied with a first premixed gas G3 (a mixture of gases G1, G2, and G5 according to the state of the system) from a first premixed gas line L3, and from a second air line L22. A second oxidant-containing gas G2 is supplied.
　ここで、第１熱交換器２の具体的な構成例について説明する。図２は、シェルアンドプレート型の熱交換器を第１熱交換器２に適用した場合の模式図である。シェルアンドプレート型の熱交換器は、例えば本出願人による特開２０１８－５４２１５号公報に詳細な構造が開示されている。なお、図２では、第１熱交換器２を垂直配置しているが、水平配置で使用してもよい。また、シェルアンドプレート型熱交換器に替えて、プレートフィン型熱交換器（高温流体および低温流体共にプレート面と平行に流入出する型式）やプレート全周接合型熱交換器（高温流体および低温流体共にプレート面を横断して流入出する型式）を適用してもよい。 Here, a specific configuration example of the first heat exchanger 2 will be described. FIG. 2 is a schematic diagram when a shell-and-plate type heat exchanger is applied to the first heat exchanger 2. As shown in FIG. A detailed structure of the shell-and-plate heat exchanger is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-54215 filed by the present applicant. Although the first heat exchanger 2 is arranged vertically in FIG. 2, it may be used horizontally. In place of the shell-and-plate heat exchanger, a plate-fin heat exchanger (a type in which both high-temperature fluid and low-temperature fluid flow in and out parallel to the plate surface) and a plate all-around junction heat exchanger (high-temperature fluid and low-temperature fluid) A type in which both fluid flows in and out across the plate surface) may be applied.
　図２に示すように、第１熱交換器２は、伝熱プレートの積層体からなる第１熱交換コア２１と、この第１熱交換コア２１を収容する第１シェル２２とを備えている。第１熱交換コア２１は、多数のプレートが重ね合わされて構成され、プレート相互間には、第１シェル２２の内部空間に対する閉鎖流路と開放流路とが交互に形成されている。
　予混合ガスＧ３は、第１シェル２２を貫通する入口管２１１から導入され、第１熱交換コア２１内の閉鎖流路群を通過中に改質ガスＧ４となった後、第１シェル２２を貫通する出口管２１２から導出される。一方、酸化剤含有ガスＧ２は、第１シェル２２の下部空間と連通する入口管２２１から導入され、第１熱交換コア２１内の開放流路群を通過した後、第１シェル２１の上部空間と連通する出口管２２２から導出される。 As shown in FIG. 2 , the first heat exchanger 2 includes a first heat exchange core 21 made of a laminate of heat transfer plates, and a first shell 22 that accommodates the first heat exchange core 21 . . The first heat exchange core 21 is constructed by stacking a large number of plates, and closed flow paths and open flow paths with respect to the internal space of the first shell 22 are alternately formed between the plates.
The premixed gas G3 is introduced from the inlet pipe 211 passing through the first shell 22, becomes the reformed gas G4 while passing through the closed flow path group in the first heat exchange core 21, and then flows through the first shell 22. It is led out from an exit tube 212 that passes through. On the other hand, the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 221 that communicates with the lower space of the first shell 22, passes through the group of open channels in the first heat exchange core 21, and then enters the upper space of the first shell 21. from an outlet tube 222 in communication with the
　第１熱交換コア２１の閉鎖流路を形成しているプレート対の伝熱面には、部分酸化触媒が塗布されている。具体的には、予め部分酸化触媒が塗布された単プレートを製作しておき、この単プレートを積層しながら封止すべき箇所を接合することにより第１熱交換コア２１が製作される。単プレートは、ステンレス製プレートの片側表面にウィスカー処理によりアルミナ層を形成させた後、部分酸化触媒のスラリーを塗布して焼結したものである。一方、第１熱交換コア２１の開放流路を形成しているプレート対の伝熱面には、部分酸化触媒の塗布はなく、プレートの素地が露出している。
　部分酸化触媒としては、酸素貯蔵機能に優れるＣｅＯ２のほか、部分酸化にも水蒸気改質にも好適なＮｉを用いることができる。 A partial oxidation catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the closed flow path of the first heat exchange core 21 . Specifically, the first heat exchange core 21 is manufactured by manufacturing single plates coated with a partial oxidation catalyst in advance, and joining the portions to be sealed while stacking the single plates. The single plate is produced by forming an alumina layer on one surface of a stainless steel plate by whisker treatment, applying slurry of a partial oxidation catalyst, and sintering the plate. On the other hand, the heat transfer surfaces of the plate pair forming the open flow path of the first heat exchange core 21 are not coated with the partial oxidation catalyst, and the substrate of the plates is exposed.
As the partial oxidation catalyst, in addition to CeO 2 which has an excellent oxygen storage function, Ni which is suitable for both partial oxidation and steam reforming can be used.
　第１熱交換コア２１の触媒層で生じるメタンの接触部分酸化（ＣＰＯＸ）は発熱反応であり、一酸化炭素と水素を含有する還元性ガスが生じる。
　　　ＣＰＯＸ反応：　ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２
　この還元性ガス（ＰＯＸガス）は、セルスタック１の昇温操作時および降温操作時にアノード１ａの酸化防止ガスとして用いるほか、発電動作を開始する際のアノード反応ガスとして用いる。 Catalytic partial oxidation of methane (CPOX) occurring in the catalyst layers of the first heat exchange core 21 is an exothermic reaction, producing reducing gases containing carbon monoxide and hydrogen.
CPOX reaction: CH4+ 1 / 2O2 →CO+ 2H2
This reducing gas (POX gas) is used as an antioxidant gas for the anode 1a during temperature raising and temperature cooling operations of the cell stack 1, and is also used as an anode reaction gas when power generation is started.
　メタンの部分酸化のためには、空気比λが１未満となる酸素濃度になるように酸化剤含有ガスＧ２の供給流量を調整すればよい。ただし、空気比λが低すぎると触媒層上で炭素析出が起きやすくなるため、空気比λを０．３以上に調整するのが望ましい。 For partial oxidation of methane, the supply flow rate of the oxidant-containing gas G2 should be adjusted so that the oxygen concentration is such that the air ratio λ is less than 1. However, if the air ratio λ is too low, carbon deposition tends to occur on the catalyst layer, so it is desirable to adjust the air ratio λ to 0.3 or more.
　なお、炭化水素含有ガスＧ１に対する酸化剤含有ガスＧ２の混合を止めて、セルスタック１の発電時に発生したアノードオフガスＧ５（水蒸気含有ガス）を炭化水素含有ガスＧ１に混合する（すなわち、アノードオフガスリサイクルする）と、触媒層上では水蒸気改質反応のほか、条件によってはドライ改質反応が起こる。ただし、接触部分酸化に特化した触媒（例えば、ＣｅＯ２）の場合には、これらの改質反応は比較的起こりにくいので、アノード上での改質反応が支配的になる。 In addition, the mixture of the oxidant-containing gas G2 with the hydrocarbon-containing gas G1 is stopped, and the anode off-gas G5 (water vapor-containing gas) generated during power generation of the cell stack 1 is mixed with the hydrocarbon-containing gas G1 (that is, the anode off-gas recycling ), a steam reforming reaction and, depending on the conditions, a dry reforming reaction occur on the catalyst layer. However, in the case of a catalyst specialized for catalytic partial oxidation (eg, CeO 2 ), these reforming reactions are relatively difficult to occur, so the reforming reaction on the anode becomes dominant.
〔第２熱交換器〕
　第２熱交換器３は、第２熱交換コア（後述）を有しており、第２熱交換コアの内部で第１の炭化水素含有ガスＧ１および／またはアノードオフガスＧ５をカソードオフガスＧ６と共に触媒燃焼させ、その燃焼熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスＧ２を加熱する機器である。 [Second heat exchanger]
The second heat exchanger 3 has a second heat exchange core (described later), inside the second heat exchange core, the first hydrocarbon-containing gas G1 and/or the anode off-gas G5 is catalyzed together with the cathode off-gas G6. It is a device that burns and heats the second oxidant-containing gas G2 by using the combustion heat as heat transfer.
　具体的には、第２熱交換器３は、システムのスタートアップ運転においては、炭化水素含有ガスＧ１をカソードオフガスＧ６と共に燃焼反応させるメタン燃焼器として機能する。また、第２熱交換器３は、システムの発電運転およびシャットダウン運転においては、アノードオフガスＧ５をカソードオフガスＧ６と共に燃焼反応させる水素燃焼器として機能する。
　なお、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転時に排出されるカソードオフガスＧ６は、空気取入口Ｐ２０から取り込んだ新鮮な酸化剤含有ガスＧ２とほぼ同じ酸素濃度である（後述するプレ発電工程ＳＵ４およびポスト発電工程ＳＤ１を除く）。また、システムの発電運転時に排出されるカソードオフガスＧ６は、空気取入口Ｐ２０から取り込んだ新鮮な酸化剤含有ガスＧ２よりも酸素濃度が低下したガスである。 Specifically, the second heat exchanger 3 functions as a methane combustor for causing combustion reaction of the hydrocarbon-containing gas G1 together with the cathode off-gas G6 during system start-up operation. Further, the second heat exchanger 3 functions as a hydrogen combustor that causes the anode offgas G5 and the cathode offgas G6 to undergo a combustion reaction during power generation operation and shutdown operation of the system.
The cathode offgas G6 discharged during system startup and shutdown operations has approximately the same oxygen concentration as the fresh oxidant-containing gas G2 taken in from the air intake port P20 (pre-power generation process SU4 and post-power generation process described later). SD1). Further, the cathode off-gas G6 discharged during the power generation operation of the system is a gas with a lower oxygen concentration than the fresh oxidant-containing gas G2 taken in from the air intake P20.
　第２熱交換器３は、第２熱交換コアの伝熱面に燃焼触媒が塗布された二流体の間接熱交換器３ａと、冷態にある燃焼触媒を反応開始温度まで昇温可能な加熱用ガスを発生させる加熱用ガス発生器３ｂと、を含んで構成される。本実施形態では、加熱用ガス発生器３ｂとして、電気ヒータを用いる。第２熱交換器３には、第２予混合ガスラインＬ７から第２の予混合ガスＧ７（システムの状態に応じたガスＧ１，Ｇ５，Ｇ６の混合物）が供給され、第１空気ラインＬ２１から第２の酸化剤含有ガスＧ２が供給される。 The second heat exchanger 3 comprises a two-fluid indirect heat exchanger 3a in which a combustion catalyst is applied to the heat transfer surface of the second heat exchange core, and a heater capable of raising the temperature of the cold combustion catalyst to the reaction start temperature. and a heating gas generator 3b for generating a heating gas. In this embodiment, an electric heater is used as the heating gas generator 3b. The second heat exchanger 3 is supplied with a second premixed gas G7 (a mixture of gases G1, G5, and G6 according to the state of the system) from a second premixed gas line L7, and is supplied from a first air line L21. A second oxidant-containing gas G2 is supplied.
　ここで、第２熱交換器３の具体的な構成例について説明する。図３，４は、シェルアンドプレート型熱交換器を第２熱交換器３に適用した場合の模式図である。なお、これらの図では、第２熱交換器３を垂直配置しているが、水平配置で使用してもよい。また、シェルアンドプレート型熱交換器に替えて、プレートフィン型熱交換器（高温流体および低温流体共にプレート面と平行に流入出する型式）やプレート全周接合型熱交換器（高温流体および低温流体共にプレート面を横断して流入出する型式）を適用してもよい。 Here, a specific configuration example of the second heat exchanger 3 will be described. 3 and 4 are schematic diagrams when a shell-and-plate heat exchanger is applied to the second heat exchanger 3. FIG. Although the second heat exchanger 3 is arranged vertically in these figures, it may be used horizontally. In place of the shell-and-plate heat exchanger, a plate-fin heat exchanger (a type in which both high-temperature fluid and low-temperature fluid flow in and out parallel to the plate surface) and a plate all-around junction heat exchanger (high-temperature fluid and low-temperature fluid) A type in which both fluid flows in and out across the plate surface) may be applied.
＜第２熱交換器の構成例１Ａ＞
　図３に示すように、第２熱交換器３の主要部を構成する間接熱交換器３ａは、伝熱プレートの積層体からなる第２熱交換コア３１と、この第２熱交換コア３１を収容する第２シェル３２とを備えている。第２熱交換コア３１は、多数のプレートが重ね合わされて構成され、プレート相互間には、第２シェル３２の内部空間に対する閉鎖流路と開放流路とが交互に形成されている。
　予混合ガスＧ７は、第２シェル３２を貫通する入口管３１１から導入され、第２熱交換コア３１内の閉鎖流路群を通過中に燃焼排ガスＧ８となった後、第２シェル３２を貫通する出口管３１２から導出される。一方、酸化剤含有ガスＧ２は、第２シェル３２の下部空間と連通する入口管３２１から導入され、第２熱交換コア３１内の開放流路群を通過した後、第２シェル３２の上部空間と連通する出口管３２２から導出される。 <Configuration Example 1A of Second Heat Exchanger>
As shown in FIG. 3, the indirect heat exchanger 3a that constitutes the main part of the second heat exchanger 3 includes a second heat exchange core 31 made of a laminate of heat transfer plates, and the second heat exchange core 31 and a second shell 32 for housing. The second heat exchange core 31 is constructed by stacking a large number of plates, and closed flow paths and open flow paths with respect to the internal space of the second shell 32 are alternately formed between the plates.
The premixed gas G7 is introduced from the inlet pipe 311 penetrating the second shell 32, becomes the combustion exhaust gas G8 while passing through the closed flow path group in the second heat exchange core 31, and then penetrates the second shell 32. It is led out from the outlet pipe 312 that On the other hand, the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 321 that communicates with the lower space of the second shell 32, passes through the group of open channels in the second heat exchange core 31, and then enters the upper space of the second shell 32. from an outlet tube 322 communicating with the
　第２熱交換コア３１の閉鎖流路を形成しているプレート対の伝熱面には、燃焼触媒が塗布されている。具体的には、予め燃焼触媒が塗布された単プレートを製作しておき、この単プレートを積層しながら封止すべき箇所を接合することにより第２熱交換コア３１が製作される。単プレートは、ステンレス製プレートの片側表面にウィスカー処理によりアルミナ層を形成させた後、燃焼触媒のスラリーを塗布して焼結したものである。一方、第２熱交換コア３１の開放流路を形成しているプレート対の伝熱面には、燃焼触媒の塗布はなく、プレートの素地が露出している。
　燃焼触媒としては、ＰｔやＰｄ等の貴金属を用いることができる。なお、第２熱交換コア３１では、システムのスタートアップ運転の初期にメタンの燃焼を必要とし、それ以降は水素の燃焼を必要とする。そのため、メタン酸化に優れるＰｄと水素酸化に優れるＰｔを併用してもよい。 A combustion catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the closed flow path of the second heat exchange core 31 . Specifically, the second heat exchange core 31 is manufactured by manufacturing single plates coated with a combustion catalyst in advance, and joining the portions to be sealed while stacking the single plates. The single plate is obtained by forming an alumina layer on one side surface of a stainless steel plate by whisker treatment, applying slurry of a combustion catalyst, and sintering the plate. On the other hand, the heat transfer surfaces of the plate pair forming the open flow path of the second heat exchange core 31 are not coated with the combustion catalyst, and the substrate of the plates is exposed.
A noble metal such as Pt or Pd can be used as the combustion catalyst. Note that the second heat exchange core 31 requires the combustion of methane in the initial stage of system start-up operation, and the combustion of hydrogen thereafter. Therefore, Pd, which is excellent in methane oxidation, and Pt, which is excellent in hydrogen oxidation, may be used together.
　本構成例においては、加熱用ガス発生器３ｂとして、加熱ボックス３３に取り付けられた面状ヒータ３４が用いられる。面状ヒータ３４は、例えばガラス繊維入りシリコンゴムシートの間に発熱体を挟んだ可撓性のある電気ヒータであり、加熱ボックス３３の外周面に金属バンド等で固定されている。加熱ボックス３３は、例えば円筒形の金属箱であり、その一端に入口管３１１の始端部分が接続されている。加熱ボックス３３の他端には、第２予混合ガスラインＬ７と繋がるガス流入管３１３が接続されている。
　面状ヒータ３４を通電することにより、入口管３１１から第２シェル３２に流入させるガスが加熱されるため、冷態の触媒層の予熱が可能となる。 In this configuration example, a planar heater 34 attached to a heating box 33 is used as the heating gas generator 3b. The planar heater 34 is, for example, a flexible electric heater in which a heating element is sandwiched between silicon rubber sheets containing glass fibers, and is fixed to the outer peripheral surface of the heating box 33 with a metal band or the like. The heating box 33 is, for example, a cylindrical metal box, one end of which is connected to the beginning of the inlet pipe 311 . A gas inflow pipe 313 connected to the second premixed gas line L7 is connected to the other end of the heating box 33 .
By energizing the planar heater 34, the gas flowing into the second shell 32 from the inlet pipe 311 is heated, so that the cold catalyst layer can be preheated.
＜第２熱交換器の構成例１Ｂ＞
　図４は、図３（構成例１Ａ）とは反対に、第２熱交換コア３１の開放流路を形成しているプレート対の伝熱面に燃焼触媒を塗布する場合の構成例である。
　予混合ガスＧ７は、第２シェル３２の下部空間と連通する入口管３２１から導入され、第２熱交換コア３１内の開放流路群を通過中に燃焼排ガスＧ８となった後、第２シェル３２の上部空間と連通する出口管３２２から導出される。一方、酸化剤含有ガスＧ２は、第２シェル３２を貫通する入口管３１１から導入され、第２熱交換コア３１内の閉鎖流路群を通過した後、第２シェル３２を貫通する出口管３１２から導出される。 <Configuration example 1B of the second heat exchanger>
FIG. 4 shows a configuration example in which a combustion catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the open flow path of the second heat exchange core 31, contrary to FIG. 3 (configuration example 1A).
The premixed gas G7 is introduced from the inlet pipe 321 that communicates with the lower space of the second shell 32, and becomes the combustion exhaust gas G8 while passing through the open flow passage group in the second heat exchange core 31. After that, the second shell It is derived from an outlet pipe 322 that communicates with the upper space of 32 . On the other hand, the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 311 penetrating the second shell 32, passes through the group of closed flow channels in the second heat exchange core 31, and then exits from the outlet pipe 312 penetrating the second shell 32. is derived from
　本構成例においては、加熱用ガス発生器３ｂとして、電気ヒータの一種であるカートリッジヒータ３５が用いられる。カートリッジヒータ３５は、例えば金属パイプ中にＭｇＯボビンを巻き回した発熱線を入れ、ＭｇＯの粉末を充填した棒状ヒータである。本構成例では、第２シェル３２を貫通して挿入された２本のカートリッジヒータ３５が、第２熱交換コア３１の直下に配置されている。
　カートリッジヒータ３５を通電することにより、入口管３２１から第２シェル３２に流入したガスが加熱されるため、冷態の触媒層の予熱が可能となる。 In this configuration example, a cartridge heater 35, which is a type of electric heater, is used as the heating gas generator 3b. The cartridge heater 35 is, for example, a rod-shaped heater in which a heating wire wound with an MgO bobbin is placed in a metal pipe and filled with MgO powder. In this configuration example, two cartridge heaters 35 inserted through the second shell 32 are arranged directly below the second heat exchange core 31 .
By energizing the cartridge heater 35, the gas that has flowed into the second shell 32 from the inlet pipe 321 is heated, so that the cold catalyst layer can be preheated.
〔第１予混合器および第２予混合器〕
　第１予混合器４は、炭化水素含有ガスＧ１に対して酸化剤含有ガスＧ２やアノードオフガスＧ５が混合された第１の予混合ガスＧ３を生成する機器である。一方、第２予混合器５は、アノードオフガスＧ５や炭化水素含有ガスＧ１に対してカソードオフガスＧ６が混合された第２の予混合ガスＧ７を生成する機器である。
　第１予混合器４および第２予混合器５としては、例えば撹拌エレメントが内蔵あるいは付設されたインラインミキサー等を使用できるが、ミキシングパイプやミキシングボックスのような単純な構造であってもよい。 [First premixer and second premixer]
The first premixer 4 is a device that generates a first premixed gas G3 in which the hydrocarbon-containing gas G1 is mixed with the oxidant-containing gas G2 and the anode off-gas G5. On the other hand, the second premixer 5 is a device that generates a second premixed gas G7 in which the anode offgas G5 and the hydrocarbon-containing gas G1 are mixed with the cathode offgas G6.
As the first premixer 4 and the second premixer 5, for example, an in-line mixer or the like having a built-in or attached stirring element can be used, but they may have a simple structure such as a mixing pipe or a mixing box.
　第１熱交換器２、第２熱交換器３、第１予混合器４、第２予混合器５および第５ブロワ５２（５２Ａ）は、セルスタック１と共にホットボックス内に収容される。一方、第１ブロワ１１、第２ブロワ１２、第３ブロワ２１、第４ブロワ２５、第１バイパス弁２４および第２バイパス弁２６は、ホットボックス外に配置される。 The first heat exchanger 2, the second heat exchanger 3, the first premixer 4, the second premixer 5 and the fifth blower 52 (52A) are housed in the hot box together with the cell stack 1. On the other hand, the first blower 11, the second blower 12, the third blower 21, the fourth blower 25, the first bypass valve 24 and the second bypass valve 26 are arranged outside the hot box.
〔パワーコンディショナ〕
　パワーコンディショナ６（Power Conditioning System：ＰＣＳ）は、セルスタック１で発電した電力を事業活動や社会生活の場で利用できる状態に変換するための機器である。パワーコンディショナ６は、セルスタック１から出力された直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧回路）と、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された直流電圧を系統電源と同期の取れた交流電圧に変換する系統連系インバータ（電圧変換回路）と、セルスタック１の出力電流（掃引電流）を制御する出力電流制御部（出力制御回路）と、補機類に駆動電力を供給するための駆動電力供給部（補助回路）を有している。 [Power conditioner]
A power conditioner 6 (Power Conditioning System: PCS) is a device for converting the electric power generated by the cell stack 1 into a state that can be used in business activities and social life. The power conditioner 6 has a DC/DC converter (booster circuit) that boosts the DC voltage output from the cell stack 1, and converts the DC voltage boosted by the DC/DC converter into an AC voltage synchronized with the system power supply. a grid-connected inverter (voltage conversion circuit), an output current control unit (output control circuit) that controls the output current (sweep current) of the cell stack 1, and a drive power supply for supplying drive power to the auxiliary equipment. It has a part (auxiliary circuit).
　系統連系インバータは、建築物内に設置された商用電源系統の配電盤と電気的に接続される。系統連系インバータと配電盤とは、系統連系用のスイッチを介して並列・解列を切換可能である。配電盤には、商用電源および複数の分電盤が電気的に接続される。分電盤には、建築物内で使用する照明器具、動力装置、コンセント等の負荷機器が電気的に接続される。 The grid-connected inverter is electrically connected to the switchboard of the commercial power system installed in the building. The grid-connected inverter and the switchboard can be switched between parallel and parallel through a grid-connected switch. A commercial power source and a plurality of distribution boards are electrically connected to the distribution board. The distribution board is electrically connected to load devices used in the building, such as lighting fixtures, power units, and outlets.
　駆動電力供給部は、各ブロワ１１，１２，２１，２５，５２、第１バイパス弁２４、第２バイパス弁２６および第２熱交換器３の電気ヒータ３４，３５等と接続され、これらの補機類に駆動電力を与える。駆動電力供給部は、補機類がＤＣ駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力をＡＣ／ＤＣ変換した電力、商用電源からの入力をＡＣ／ＤＣ変換した電力、またはセルスタック１の出力をＤＣ／ＤＣ変換した電力を供給するように回路構成される。一方、駆動電力供給部は、補機類がＡＣ駆動の場合、例えば系統連系インバータの出力電力、または商用電源からの入力電力を供給するように回路構成される。なお、上述の補機類は、システムのスタートアップ運転およびシャットダウン運転時は、商用電源を利用して駆動され、システムの発電運転中は、発電電力を利用して駆動される。 The drive power supply unit is connected to each of the blowers 11, 12, 21, 25, 52, the first bypass valve 24, the second bypass valve 26, the electric heaters 34, 35 of the second heat exchanger 3, etc., and supplements these. Provides drive power to aircraft. When the auxiliary equipment is DC driven, the drive power supply unit supplies, for example, power obtained by AC/DC conversion of the output of the grid-connected inverter, power obtained by AC/DC conversion of the input from the commercial power supply, or the output of the cell stack 1. The circuit is configured to supply DC/DC converted power. On the other hand, the drive power supply unit is configured to supply, for example, output power from a grid-connected inverter or input power from a commercial power source when the auxiliary equipment is AC-driven. Note that the above-mentioned accessories are driven using the commercial power supply during system startup and shutdown operations, and are driven using generated power during the system power generation operation.
〔システムコントローラおよび運転制御〕
　システムコントローラ７は、予め作成・記憶された制御プログラムに従って、ブロワ等の補機類およびパワーコンディショナ６の動作（すなわち、システム動作）を制御する機器である。 [System controller and operation control]
The system controller 7 is a device that controls the operation of auxiliary equipment such as a blower and the power conditioner 6 (that is, system operation) according to a control program created and stored in advance.
　次に、システムコントローラ７による燃料電池システム１００の運転制御（動作制御）について、図５のタイムチャートを参照しながら詳細に説明する。
　図５（ａ）は、各ブロワ１１，１２，２１，２５，５２によるガス流量の相対的な時間変化を示しており、各線に併記された符号は、各ブロワの符号に対応している。図５（ｂ）は、セルスタック１の内部温度および第１熱交換器２の触媒温度の相対的な時間変化を示しており、各線に併記された符号は、セルスタック１および第１熱交換器２の符号に対応している。図５（ｃ）は、セルスタック１の掃引電流Ｉｓ、電流掃引時における炭化水素含有ガスＧ１の燃料利用率ＵｆおよびアノードオフガスＧ５のリサイクル率Ｒａの相対的な時間変化を示している。 Next, operation control (operation control) of the fuel cell system 100 by the system controller 7 will be described in detail with reference to the time chart of FIG.
FIG. 5(a) shows the relative time change of the gas flow rate by each blower 11, 12, 21, 25, 52, and the code written on each line corresponds to the code of each blower. FIG. 5(b) shows relative temporal changes in the internal temperature of the cell stack 1 and the catalyst temperature of the first heat exchanger 2. corresponds to the code of unit 2. FIG. 5(c) shows relative temporal changes in the sweep current Is of the cell stack 1, the fuel utilization rate Uf of the hydrocarbon-containing gas G1 and the recycling rate Ra of the anode off-gas G5 during the current sweep.
　システムを起動する前は、セルスタック１、第１熱交換器２および第２熱交換器３は冷態にあり、各ブロワ１１，１２，２１，２５，５２は停止状態であり、第１バイパス弁２４および第２バイパス弁２６は閉止状態である。
　なお、第１予混合器４、第１予混合ガスラインＬ３、第１熱交換器２（触媒層を有する流路側）、改質ガスラインＬ４、セルスタック１のアノード１ａ、第１アノードオフガスラインＬ５１および第２アノードオフガスラインＬ５２からなるリサイクル流路には、放冷工程ＳＤ３の初期に実行されるエアパージ（後述）により、酸化剤含有ガスＧ２（空気）が存在している。 Before starting the system, the cell stack 1, the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3 are in a cold state, the blowers 11, 12, 21, 25, 52 are stopped, and the first bypass Valve 24 and second bypass valve 26 are closed.
In addition, the first premixer 4, the first premixed gas line L3, the first heat exchanger 2 (on the side of the flow path having the catalyst layer), the reformed gas line L4, the anode 1a of the cell stack 1, the first anode off-gas line An oxidant-containing gas G2 (air) is present in the recycle flow path consisting of L51 and the second anode offgas line L52 due to an air purge (described later) performed at the beginning of the cooling step SD3.
　システムの停止中に、ユーザーの運転スイッチ操作等によりシステムコントローラ７に対して起動指示がなされると、スタートアップ運転が実行される。本実施形態において、スタートアップ運転は、予熱工程ＳＵ１、ＰＯＸ起動工程ＳＵ２、昇温工程ＳＵ３およびプレ発電工程ＳＵ４を含むように実行される。なお、予熱工程ＳＵ１は、第１熱交換器２の反応動作前の状態であり、ＰＯＸ起動工程ＳＵ２～降温工程ＳＤ２は、第１熱交換器２の反応動作中の状態である。 When the system controller 7 is instructed to start up by operating the operation switch or the like by the user while the system is stopped, start-up operation is executed. In this embodiment, the start-up operation is performed so as to include a preheating step SU1, a POX start-up step SU2, a temperature raising step SU3 and a pre-power generation step SU4. The preheating step SU1 is the state before the reaction operation of the first heat exchanger 2, and the POX start-up step SU2 to the temperature drop step SD2 are the states during the reaction operation of the first heat exchanger 2.
＜予熱工程ＳＵ１＞
　スタートアップ運転の最初に実行される本工程では、まず第３ブロワ２１を最大流量で駆動し、第２の酸化剤含有ガスＧ２を第１空気ラインＬ２１～第３空気ラインＬ２３を通じてカソード１ｂに送り、更にカソード１ｂからはカソードオフガスＧ６をカソードオフガスラインＬ６を通じて第２予混合器５に送る。第２予混合器５から第２熱交換器３に対しては、第２予混合ラインＬ７を通じてカソードオフガスＧ６が供給される。この状態で、電気ヒータ３４，３５の通電を所定時間（両矢印の期間）行う。電気ヒータ３４，３５で加熱されたカソードオフガスＧ６（加熱用ガス）は、第２熱交換コア３１に送られ、冷態の燃焼触媒層が加熱される。
　電気ヒータ３４，３５の通電開始後、触媒層が反応開始温度まで上昇して活性化すると、排出ガス温度または経過時間の検知により電気ヒータ３４，３５の通電を停止する一方、第２ブロワ１２を駆動する。第２予混合器５で調製された予混合ガスＧ７が第２熱交換器３に供給されると、第２熱交換コア３１の内部で触媒燃焼が始まり、第２熱交換器３の起動が完了する。第２熱交換器３で触媒燃焼が始まると、第１空気ラインＬ２１から供給される酸化剤含有ガスＧ２（カソード供給ガス）は、第２熱交換コア３１の内部で燃焼熱の伝熱により加熱され、第２空気ラインＬ２２を通じて第１熱交換器２に送られる。 <Preheating step SU1>
In this step, which is executed at the beginning of the startup operation, first, the third blower 21 is driven at the maximum flow rate, the second oxidant-containing gas G2 is sent to the cathode 1b through the first air line L21 to the third air line L23, Furthermore, from the cathode 1b, the cathode offgas G6 is sent to the second premixer 5 through the cathode offgas line L6. The cathode offgas G6 is supplied from the second premixer 5 to the second heat exchanger 3 through the second premix line L7. In this state, the electric heaters 34 and 35 are energized for a predetermined time (the period indicated by the double arrow). The cathode offgas G6 (heating gas) heated by the electric heaters 34 and 35 is sent to the second heat exchange core 31 to heat the cold combustion catalyst layer.
After energization of the electric heaters 34 and 35 is started, when the catalyst layer rises to the reaction start temperature and is activated, the energization of the electric heaters 34 and 35 is stopped by detecting the temperature of the exhaust gas or the elapsed time, while the second blower 12 is operated. drive. When the premixed gas G7 prepared in the second premixer 5 is supplied to the second heat exchanger 3, catalytic combustion starts inside the second heat exchange core 31, and the second heat exchanger 3 is activated. complete. When catalytic combustion starts in the second heat exchanger 3, the oxidant-containing gas G2 (cathode supply gas) supplied from the first air line L21 is heated inside the second heat exchange core 31 by heat transfer of combustion heat. and sent to the first heat exchanger 2 through the second air line L22.
　第２熱交換器３で加熱後の酸化剤含有ガスＧ２は、第１熱交換器２を通過する際に伝熱面を介して触媒層に燃焼熱の一部を付与する。第１熱交換器２で冷却された酸化剤含有ガスＧ２は、更にカソード１ｂに供給され、燃焼熱の残部を付与してセルスタック１の全体を加熱する。これにより、第１熱交換コア２１の触媒層の予熱とセルスタック１の昇温が実行される。
　本工程の実行中は、第１バイパス弁２４の弁開度を制御することにより、第１熱交換器２、ひいてはカソード１ｂに供給する酸化剤含有ガスＧ２の温度を調整し、セルスタック１の内部温度がアノード酸化開始温度Ｔ１を超えないようにする。また、触媒温度の上昇に伴って第２ブロワ１２のガス流量を緩やかに低減させ、第２熱交換コア３１の燃焼量を調整してもよい。ここで、アノード酸化開始温度Ｔ１とは、高温環境に晒された状態のアノードにおいて、アノード中のニッケルが酸素と接触して酸化ニッケル（ＮｉＯ）に変化し始める所定の温度をいう。
　第１熱交換コア２１の触媒層が反応開始温度Ｔ２まで上昇して活性化すると、システムコントローラ７は、次の「ＰＯＸ起動工程ＳＵ２」に移行させる。 The oxidant-containing gas G2 heated in the second heat exchanger 3 imparts part of the combustion heat to the catalyst layer via the heat transfer surface when passing through the first heat exchanger 2 . The oxidant-containing gas G2 cooled by the first heat exchanger 2 is further supplied to the cathode 1b and gives the rest of the combustion heat to heat the cell stack 1 as a whole. As a result, the catalyst layer of the first heat exchange core 21 is preheated and the temperature of the cell stack 1 is raised.
During execution of this step, the valve opening degree of the first bypass valve 24 is controlled to adjust the temperature of the oxidant-containing gas G2 supplied to the first heat exchanger 2 and, in turn, the cathode 1b. The internal temperature should not exceed the anodization start temperature T1. Alternatively, the combustion amount of the second heat exchange core 31 may be adjusted by gently reducing the gas flow rate of the second blower 12 as the catalyst temperature rises. Here, the anodic oxidation start temperature T1 is a predetermined temperature at which nickel in the anode contacts oxygen and starts to change to nickel oxide (NiO) in the anode exposed to a high-temperature environment.
When the catalyst layer of the first heat exchange core 21 rises to the reaction start temperature T2 and is activated, the system controller 7 shifts to the next "POX start-up step SU2".
＜ＰＯＸ起動工程ＳＵ２＞
　スタートアップ運転の２番目に実行される本工程では、まず第５ブロワ５２を最大流量で駆動し、前述したリサイクル流路に存在する酸化剤含有ガスＧ２を循環させる。リサイクル流量の安定後、第２ブロワ１２のガス流量は、ゼロもしくは最小流量に向けて減少させる。一方、第１ブロワ１１を駆動し、第１の炭化水素含有ガスＧ１を第１燃料ラインＬ１１を通じて第１予混合器４に供給する。更に、第４ブロワ２５を駆動し、第１の酸化剤含有ガスＧ２を第５空気ラインＬ２５を通じて第１予混合器４に供給する。第１ブロワ１１のガス流量は、第２ブロワ１２のガス流量の減少操作に同期して、最大流量よりも低い中間設定流量まで徐々に増加させていく。第４ブロワ２５のガス流量は、第２ブロワ１２のガス流量の減少操作に同期して、最大流量まで徐々に増加させていく。 <POX activation process SU2>
In this step, which is executed second in the start-up operation, first, the fifth blower 52 is driven at the maximum flow rate to circulate the oxidant-containing gas G2 existing in the recycle flow path described above. After stabilizing the recycle flow rate, the gas flow rate of the second blower 12 is reduced towards zero or a minimum flow rate. On the other hand, the first blower 11 is driven to supply the first hydrocarbon-containing gas G1 to the first premixer 4 through the first fuel line L11. Furthermore, the fourth blower 25 is driven to supply the first oxidant-containing gas G2 to the first premixer 4 through the fifth air line L25. The gas flow rate of the first blower 11 is gradually increased to an intermediate set flow rate lower than the maximum flow rate in synchronization with the operation of decreasing the gas flow rate of the second blower 12 . The gas flow rate of the fourth blower 25 is gradually increased to the maximum flow rate in synchronization with the operation of decreasing the gas flow rate of the second blower 12 .
　第１予混合器４から予混合ガスＧ３が予混合ガスラインＬ３を通じて第１熱交換器２に送られると、第１熱交換コア３１の内部で接触部分酸化反応が始まり、第１熱交換器２の起動が完了する。接触部分酸化反応により、触媒層では還元性のＰＯＸガス（水素含有ガスＧ４）が生成され、このＰＯＸガスがアノード１ａに供給されるようになる。なお、アノード１ａからはＰＯＸガスがそのままアノードオフガスＧ５として排出され、第２熱交換コア３１の触媒燃焼の燃料は、高カロリーの炭化水素含有ガスＧ１から低カロリーのアノードオフガスＧ５に切り替わる。
　第１ブロワ１１および第４ブロワ２５のガス流量が最大流量に達すると、システムコントローラ７は、次の「昇温工程ＳＵ３」に移行させる。 When the premixed gas G3 is sent from the first premixer 4 to the first heat exchanger 2 through the premixed gas line L3, a catalytic partial oxidation reaction starts inside the first heat exchange core 31, and the first heat exchanger 2 is completed. Due to the catalytic partial oxidation reaction, reducing POX gas (hydrogen-containing gas G4) is generated in the catalyst layer, and this POX gas is supplied to the anode 1a. The POX gas is directly discharged from the anode 1a as the anode off-gas G5, and the fuel for catalytic combustion in the second heat exchange core 31 is switched from the high-calorie hydrocarbon-containing gas G1 to the low-calorie anode off-gas G5.
When the gas flow rates of the first blower 11 and the fourth blower 25 reach the maximum flow rate, the system controller 7 shifts to the next "heating step SU3".
＜昇温工程ＳＵ３＞
　スタートアップ運転の３番目に実行される本工程では、第１熱交換コア２１の触媒温度を維持しながら、引き続きセルスタック１の昇温を進行させる。本工程の実行時には、アノード１ａにＰＯＸガスを流通させているため、セルスタック１の内部温度がアノード酸化開始温度Ｔ１を超えても問題ないが、セルスタック１の耐用温度を超えないように、第１バイパス弁２４を全開ないし全開に近い開度に制御する。 <Temperature rising step SU3>
In this step, which is executed third in the startup operation, the temperature of the cell stack 1 continues to rise while maintaining the catalyst temperature of the first heat exchange core 21 . Since the POX gas is circulated through the anode 1a during execution of this step, there is no problem even if the internal temperature of the cell stack 1 exceeds the anodization start temperature T1. The first bypass valve 24 is controlled to be fully open or nearly fully open.
　一般的なＳＯＦＣセルスタックの耐用温度は８００℃程度であるが、接触部分酸化反応は発熱反応であり、酸化反応量が過剰だったり、触媒層を完全断熱したりすると、ＰＯＸガスの温度は容易に１０００℃を超えてしまう。そこで、本工程では、第５ブロワ５２を作動させることで、第１熱交換器２に対する第１の炭化水素含有ガスＧ１および第１の酸化剤含有ガスＧ２の供給流量を抑制し、ＰＯＸガスの低温化を図っている。アノードオフガスＧ５（ＰＯＸガス）のリサイクルにより、排出分のＰＯＸガスを補うことができる量のメタンと空気を供給すればよいので、部分酸化反応の発熱量が最小化される。また、セルスタック１の内部では、固体電解質を介した熱交換によりＰＯＸガスの保有熱の一部がカソード空気に移動するので、冷却されたアノードオフガスＧ５が得られる。
　これに加えて、本工程では、第２熱交換器３をバイパスさせた常温付近の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２の低温側に供給することでＰＯＸガスの生成に伴う反応熱の一部を回収し、ＰＯＸガスの更なる冷却を図っている。すなわち、アノード１ａに供給するＰＯＸガスの温度とカソード１ｂに供給する空気の温度を熱交換によりバランスさせつつ、ＰＯＸガスを適切な温度範囲に調節している。本態様では、回収された反応熱によりカソード空気を加熱しているため、ＰＯＸガスに含まれる反応熱は余すことなくセルスタック１の昇温に使用され、昇温時間の短縮に貢献する。 A typical SOFC cell stack can withstand a temperature of about 800°C, but the catalytic partial oxidation reaction is an exothermic reaction. The temperature exceeds 1000°C. Therefore, in this step, by operating the fifth blower 52, the supply flow rate of the first hydrocarbon-containing gas G1 and the first oxidant-containing gas G2 to the first heat exchanger 2 is suppressed, and the POX gas is produced. We are trying to lower the temperature. Recycling the anode offgas G5 (POX gas) minimizes the calorific value of the partial oxidation reaction, since it is sufficient to supply enough methane and air to compensate for the exhausted POX gas. Further, inside the cell stack 1, part of the heat held by the POX gas is transferred to the cathode air by heat exchange via the solid electrolyte, so that a cooled anode off-gas G5 is obtained.
In addition to this, in this step, the oxidant-containing gas G2 at about room temperature bypassing the second heat exchanger 3 is supplied to the low-temperature side of the first heat exchanger 2, so that the reaction heat associated with the generation of the POX gas is is recovered to further cool the POX gas. That is, the temperature of the POX gas supplied to the anode 1a and the temperature of the air supplied to the cathode 1b are balanced by heat exchange, while adjusting the temperature of the POX gas to an appropriate temperature range. In this embodiment, since the cathode air is heated by the recovered heat of reaction, all of the heat of reaction contained in the POX gas is used to raise the temperature of the cell stack 1, contributing to shortening the temperature raising time.
　本工程では、アノード１ａでの炭素析出を防止するため、ＰＯＸガスの酸素／炭素比（Ｏ／Ｃ）が所定範囲に収まるように、第１ブロワ１１および第４ブロワ２５のガス流量を調整するのが望ましい。
　セルスタック１が発電可能温度Ｔ３に達すると、システムコントローラ７は、次の「プレ発電工程ＳＵ４」に移行させる。 In this step, in order to prevent carbon deposition on the anode 1a, the gas flow rates of the first blower 11 and the fourth blower 25 are adjusted so that the oxygen/carbon ratio (O/C) of the POX gas falls within a predetermined range. is desirable.
When the cell stack 1 reaches the power generation possible temperature T3, the system controller 7 shifts to the next "pre-power generation step SU4".
　なお、昇温工程ＳＵ３とプレ発電工程ＳＵ４の間に発電待機工程（ホットスタンバイ工程）を設けておき、スイッチ操作等による発電開始の指示を受け付けてからプレ発電工程ＳＵ４を実行するようにしてもよい。発電待機工程では、例えばセルスタック１を発電可能温度Ｔ３に維持しながら、発電開始の指示を待ち受ける。 A power generation standby step (hot standby step) may be provided between the temperature raising step SU3 and the pre-power generation step SU4, and the pre-power generation step SU4 may be executed after receiving an instruction to start power generation by operating a switch or the like. good. In the power generation standby step, for example, an instruction to start power generation is awaited while maintaining the cell stack 1 at the power generation possible temperature T3.
＜プレ発電工程ＵＳ４＞
　スタートアップ運転の最後に実行される本工程では、第１ブロワ１１のガス流量を中間設定流量から最大流量（発電基準流量）まで徐々に増加させる。一方、第４ブロワ２５のガス流量をゼロに向けて徐々に減少させる。これにより、ＰＯＸガスの生成量の割合は、１００％から０％まで引き下げられる一方、改質ガス（水蒸気改質反応およびドライ改質反応によって得られるガス）の生成量の割合は、０％から１００％まで引き上げられる。また、ＰＯＸガスの生成量の引き下げに同期して、パワーコンディショナ６によりセルスタック１の掃引電流Ｉｓの割合を０％（ゼロ発電電流値に相当）から１００％（定格電流値に相当）まで引き上げる。 <Pre-power generation process US4>
In this process, which is executed at the end of the startup operation, the gas flow rate of the first blower 11 is gradually increased from the intermediate set flow rate to the maximum flow rate (power generation reference flow rate). On the other hand, the gas flow rate of the fourth blower 25 is gradually decreased toward zero. As a result, the ratio of the amount of POX gas generated is reduced from 100% to 0%, while the ratio of the amount of reformed gas (gas obtained by steam reforming reaction and dry reforming reaction) is reduced from 0% to 0%. Raised up to 100%. In addition, in synchronization with the decrease in the amount of POX gas generated, the ratio of the sweep current Is of the cell stack 1 is changed by the power conditioner 6 from 0% (corresponding to the zero generated current value) to 100% (corresponding to the rated current value). Pull up.
　炭化水素含有ガスＧ１の供給流量の増加と共に掃引電流Ｉｓを増やしていくと、発電反応量の上昇によってセルスタック１の昇温が進行する。その一方で、本工程では、部分酸化反応を終了させる操作を行っているので、アノード１ａおよびカソード１ｂへの供給ガスの温度は徐々に低下していく。そのため、本工程では、全開付近に調節していた第１バイパス弁２４の弁開度を減少させ、第２熱交換器３で加熱された酸化剤含有ガスＧ２のカソード１ｂへの供給流量を増加させる。 As the flow rate of the hydrocarbon-containing gas G1 increases and the sweep current Is increases, the temperature of the cell stack 1 increases due to the increase in the power generation reaction amount. On the other hand, in this step, since the partial oxidation reaction is terminated, the temperature of the gas supplied to the anode 1a and the cathode 1b gradually decreases. Therefore, in this step, the valve opening degree of the first bypass valve 24, which has been adjusted to near full opening, is decreased, and the supply flow rate of the oxidant-containing gas G2 heated by the second heat exchanger 3 to the cathode 1b is increased. Let
　本工程では、アノード１ａでの炭素析出を防止するため、水素含有ガスＧ４の酸素／炭素比（Ｏ／Ｃ）が所定範囲に収まるように、掃引電流Ｉｓの割合およびリサイクル率Ｒａ（すなわち、第５ブロワ５２のガス流量）を調整するのが望ましい。
　セルスタック１の掃引電流Ｉｓの割合が１００％に達すると、システムコントローラ７は、次の「メイン発電工程ＰＧ」に移行させる。 In this step, in order to prevent carbon deposition on the anode 1a, the ratio of the sweep current Is and the recycling rate Ra (that is, the second 5 blower 52) is preferably adjusted.
When the ratio of the sweep current Is of the cell stack 1 reaches 100%, the system controller 7 shifts to the next "main power generation process PG".
＜メイン発電工程ＰＧ＞
　本工程は、パワーコンディショナ６の系統連系により、セルスタック１の発電電力が負荷機器に供給される制御状態であり、セルスタック１の掃引電流Ｉｓの割合を１００％（定格電流値に相当）に維持して「システムの発電運転」を実行する。この制御状態では、第１ブロワ１１のガス流量が発電基準流量に維持されると共に、燃料利用率Ｕｆが最大（９０％程度）となる。発電運転に必要な水素含有ガスＧ４（改質ガス）は、第１熱交換器２および／またはセルスタック１での水蒸気改質反応およびドライ改質反応によって得られる。これらの改質反応に利用される水蒸気および二酸化炭素は、アノードオフガスＧ５のリサイクルによって補給され続ける。 <Main power generation process PG>
This process is a control state in which the power generated by the cell stack 1 is supplied to the load equipment by the grid connection of the power conditioner 6, and the ratio of the sweep current Is of the cell stack 1 is set to 100% (equivalent to the rated current value ) and perform a “power generation operation of the system”. In this control state, the gas flow rate of the first blower 11 is maintained at the power generation reference flow rate, and the fuel utilization rate Uf is maximized (approximately 90%). Hydrogen-containing gas G4 (reformed gas) required for power generation operation is obtained by steam reforming reaction and dry reforming reaction in first heat exchanger 2 and/or cell stack 1 . The steam and carbon dioxide utilized for these reforming reactions continue to be replenished by recycling the anode offgas G5.
　本工程では、アノード１ａでの炭素析出を防止するため、水素含有ガスＧ４の酸素／炭素比（Ｏ／Ｃ）が所定範囲に収まるように、リサイクル率Ｒａ（すなわち、第５ブロワ５２のガス流量）を調整するのが望ましい。好ましいリサイクル率は、例えば６０～８０％である。
　また、本工程では、セルスタック１の内部温度が適切な発電動作温度Ｔ４を下回らないように、第１バイパス弁２４の弁開度を全閉付近で制御してカソード１ｂに供給する第２の酸化剤含有ガスＧ２の温度を調整するのが望ましい。 In this step, in order to prevent carbon deposition on the anode 1a, the recycling rate Ra (that is, the gas flow rate of the fifth blower 52 ) should be adjusted. A preferred recycling rate is, for example, 60-80%.
Further, in this step, the opening degree of the first bypass valve 24 is controlled near the fully closed position so that the internal temperature of the cell stack 1 does not fall below the appropriate power generation operating temperature T4, and the second bypass valve 24 is supplied to the cathode 1b. It is desirable to adjust the temperature of the oxidant-containing gas G2.
　なお、本工程では、掃引電流Ｉｓを所定値（１００％出力）に維持するように運転してもよいが、掃引電流Ｉｓを負荷機器の消費電力に追従させて調整し、所定範囲（例えば、５０～１００％出力）で維持してもよい。
　掃引電流Ｉｓを１００％未満の出力に引き下げる際には、第１バイパス弁２４の弁開度の制御に加えて、掃引電流Ｉｓに応じて所要量の第１の酸化剤含有ガスＧ２を第５空気ラインＬ２５を通じて第１熱交換器２に供給するのが望ましい。このように操作することで、発電反応量の低下に伴うセルスタック１の内部温度の低下を部分酸化反応の発熱によって補うことができ、セルスタック１を発電動作温度Ｔ４に維持できる。なお、掃引電流Ｉｓを１００％出力に戻す際には、第１熱交換器２に対する第１の酸化剤含有ガスＧ２の供給量を再びゼロにすればよい。 In this step, the operation may be performed so as to maintain the sweep current Is at a predetermined value (100% output). 50-100% output) may be maintained.
When the sweep current Is is lowered to an output of less than 100%, in addition to controlling the valve opening degree of the first bypass valve 24, the required amount of the first oxidant-containing gas G2 is reduced to the fifth level according to the sweep current Is. It is desirable to supply the first heat exchanger 2 through the air line L25. By operating in this manner, the decrease in the internal temperature of the cell stack 1 due to the decrease in the power generation reaction amount can be compensated for by the heat generated by the partial oxidation reaction, and the cell stack 1 can be maintained at the power generation operating temperature T4. In addition, when the sweep current Is is returned to 100% output, the amount of the first oxidant-containing gas G2 supplied to the first heat exchanger 2 may be set to zero again.
　システムの発電運転中に、ユーザーの停止スイッチ操作等によりシステムコントローラ７に対して停止指示がなされると、シャットダウン運転が実行される。本実施形態において、シャットダウン運転は、ポスト発電工程ＳＤ１、降温工程ＳＤ２および放冷工程ＳＤ３を含むように実行される。 When the user issues a stop instruction to the system controller 7 by operating a stop switch or the like during power generation operation of the system, shutdown operation is executed. In this embodiment, the shutdown operation is performed so as to include a post-power generation process SD1, a cooling process SD2, and a cooling process SD3.
＜ポスト発電工程ＳＤ１＞
　シャットダウン運転の最初に実行される本工程では、第１ブロワ１１のガス流量を最大流量から中間設定流量まで徐々に減少させる。一方、第４ブロワ２５を駆動し、ガス流量を最大流量に向けて徐々に増加させる。これにより、ＰＯＸガスの生成量の割合は、０％から１００％まで引き上げられる一方、改質ガス（水蒸気改質反応およびドライ改質反応によって得られるガス）の生成量の割合は、１００％から０％まで引き下げられる。また、ＰＯＸガスの生成量の引き上げに同期して、パワーコンディショナ６によりセルスタック１の掃引電流Ｉｓの割合を１００％（定格電流値に相当）から０％（ゼロ発電電流値に相当）まで引き下げる。 <Post power generation process SD1>
In this process, which is executed at the beginning of the shutdown operation, the gas flow rate of the first blower 11 is gradually decreased from the maximum flow rate to the intermediate set flow rate. On the other hand, the fourth blower 25 is driven to gradually increase the gas flow rate toward the maximum flow rate. As a result, the ratio of the amount of POX gas generated is raised from 0% to 100%, while the ratio of the amount of reformed gas (gas obtained by steam reforming reaction and dry reforming reaction) is increased from 100% to 100%. reduced to 0%. Also, in synchronization with the increase in the amount of POX gas generated, the ratio of the sweep current Is of the cell stack 1 is changed by the power conditioner 6 from 100% (corresponding to the rated current value) to 0% (corresponding to the zero generated current value). reduce.
　炭化水素含有ガスＧ１の供給流量の減少と共に掃引電流Ｉｓを減らしていくと、発電反応量の低下によってセルスタック１の降温が進行する。その一方で、本工程では、部分酸化反応を開始させる操作を行っているので、アノード１ａおよびカソード１ｂへの供給ガスの温度は徐々に上昇していく。そのため、本工程では、全閉付近に調節していた第１バイパス弁２４の弁開度を増加させ、第２熱交換器３で加熱されていない常温付近の酸化剤含有ガスＧ２の供給流量を増加させる。 When the sweep current Is is decreased as the supply flow rate of the hydrocarbon-containing gas G1 is decreased, the temperature of the cell stack 1 is lowered due to the decrease in the power generation reaction amount. On the other hand, in this step, since the partial oxidation reaction is started, the temperature of the gas supplied to the anode 1a and the cathode 1b gradually rises. Therefore, in this step, the valve opening degree of the first bypass valve 24, which has been adjusted to near the fully closed position, is increased, and the supply flow rate of the oxidant-containing gas G2, which is not heated by the second heat exchanger 3 and is near room temperature, is increased. increase.
　本工程では、アノード１ａでの炭素析出を防止するため、水素含有ガスＧ４の酸素／炭素比（Ｏ／Ｃ）が所定範囲に収まるように、掃引電流Ｉｓの割合およびリサイクル率Ｒａ（すなわち、第５ブロワ５２のガス流量）を調整するのが望ましい。
　セルスタック２の掃引電流Ｉｓの割合が０％に達すると、システムコントローラ７は、次の「降温工程ＳＤ２」に移行させる。 In this step, in order to prevent carbon deposition on the anode 1a, the ratio of the sweep current Is and the recycling rate Ra (that is, the second 5 blower 52) is preferably adjusted.
When the ratio of the sweep current Is of the cell stack 2 reaches 0%, the system controller 7 shifts to the next "cooling step SD2".
＜降温工程ＳＤ２＞
　シャットダウン運転の２番目に実行される本工程では、第１熱交換器２の触媒温度を接触部分酸化反応が可能な温度に維持しながら、セルスタック１の降温動作を実行する。降温動作の実行時には、アノード１ａにＰＯＸガスを流通させる一方、第１バイパス弁２４の弁開度を徐々に増加させて全開とする。第１熱交換器２、ひいてはカソード１ｂに供給する酸化剤含有ガスＧ２の温度を徐々に下げることで、セルスタック１の降温が進行する。そして、セルスタック１の内部温度がアノード酸化開始温度Ｔ１未満のエアパージ可能温度Ｔ５になるまでこの操作を継続する。 <Temperature lowering step SD2>
In this step, which is executed second in the shutdown operation, the temperature of the cell stack 1 is lowered while maintaining the catalyst temperature of the first heat exchanger 2 at a temperature at which the catalytic partial oxidation reaction is possible. When the temperature lowering operation is performed, the POX gas is allowed to flow through the anode 1a, while the valve opening degree of the first bypass valve 24 is gradually increased to be fully opened. By gradually lowering the temperature of the oxidant-containing gas G2 that is supplied to the first heat exchanger 2 and, in turn, the cathode 1b, the temperature of the cell stack 1 is lowered. This operation is continued until the internal temperature of the cell stack 1 reaches the air purgeable temperature T5 which is lower than the anodization start temperature T1.
　本工程では、第５ブロワ５２を作動させることで、第１熱交換器２に対する第１の炭化水素含有ガスＧ１および第１の酸化剤含有ガスＧ２の供給流量を抑制し、ＰＯＸガスの低温化を図っている。アノードオフガスＧ５（ＰＯＸガス）のリサイクルにより、排出分のＰＯＸガスを補うことができる量のメタンと空気を供給すればよいので、部分酸化反応の発熱量が最小化される。また、セルスタック１の内部では、固体電解質を介した熱交換によりＰＯＸガスの保有熱の一部がカソード空気に移動するので、冷却されたアノードオフガスＧ５が得られる。
　これに加えて、本工程では、第２熱交換器３をバイパスさせた常温付近の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２の低温側に供給することでＰＯＸガスの生成に伴う反応熱の一部を回収し、ＰＯＸガスの更なる冷却を図っている。すなわち、アノード１ａに供給するＰＯＸガスの温度とカソード１ｂに供給する空気の温度を熱交換によりバランスさせつつ、ＰＯＸガスを適切な温度範囲に調節している。 In this step, by operating the fifth blower 52, the supply flow rate of the first hydrocarbon-containing gas G1 and the first oxidant-containing gas G2 to the first heat exchanger 2 is suppressed, and the temperature of the POX gas is lowered. We are trying to Recycling the anode offgas G5 (POX gas) minimizes the calorific value of the partial oxidation reaction, since it is sufficient to supply enough methane and air to compensate for the exhausted POX gas. Further, inside the cell stack 1, part of the heat held by the POX gas is transferred to the cathode air by heat exchange via the solid electrolyte, so that a cooled anode off-gas G5 is obtained.
In addition to this, in this step, the oxidant-containing gas G2 at about room temperature bypassing the second heat exchanger 3 is supplied to the low-temperature side of the first heat exchanger 2, so that the reaction heat associated with the generation of the POX gas is is recovered to further cool the POX gas. That is, the temperature of the POX gas supplied to the anode 1a and the temperature of the air supplied to the cathode 1b are balanced by heat exchange, while adjusting the temperature of the POX gas to an appropriate temperature range.
　そして、ＰＯＸガスの冷却材およびセルスタック１の冷却材として作用後のカソードオフガスＧ６は、その全量が第２熱交換器３に送り込まれるため、セルスタック１の降温は効率よく進行する。更なる降温時間の短縮を望む場合には、第２バイパス弁２６を全開に制御して、より低温の酸化剤含有ガスＧ２をカソード１ｂに供給してもよい。 The entire amount of the cathode offgas G6 after acting as a coolant for the POX gas and a coolant for the cell stack 1 is sent to the second heat exchanger 3, so that the temperature of the cell stack 1 is lowered efficiently. If it is desired to further shorten the temperature-lowering time, the second bypass valve 26 may be fully opened to supply the oxidant-containing gas G2 at a lower temperature to the cathode 1b.
　本工程では、アノード１ａでの炭素析出を防止するため、ＰＯＸガスの酸素／炭素比（Ｏ／Ｃ）が所定範囲に収まるように、第１ブロワ１１および第４ブロワ２５のガス流量を調整するのが望ましい。
　セルスタック１がエアパージ可能温度Ｔ５に達すると、システムコントローラ７は、次の「放冷工程ＳＤ３」に移行させる。 In this step, in order to prevent carbon deposition on the anode 1a, the gas flow rates of the first blower 11 and the fourth blower 25 are adjusted so that the oxygen/carbon ratio (O/C) of the POX gas falls within a predetermined range. is desirable.
When the cell stack 1 reaches the air purgeable temperature T5, the system controller 7 shifts to the next "cooling step SD3".
＜放冷工程ＳＤ３＞
　シャットダウン運転の最後に実行される本工程では、第１ブロワ１１および第３ブロワ２１を停止する。炭化水素含有ガスＧ１の供給遮断により、第１熱交換器２の反応動作が停止する。一方、第４ブロワ２５および第５ブロワ５２を最大流量で所定時間（例えば、５～１０分）駆動して、アノード１ａおよびリサイクル流路のエアパージを実行する。このエアパージは、第１熱交換コア２１、アノード１ａおよびリサイクル流路の内部に残留する可燃性の水素および中毒性の一酸化炭素を酸化剤含有ガスＧ２（空気）に置換する操作である。 <Cooling process SD3>
In this process executed at the end of the shutdown operation, the first blower 11 and the third blower 21 are stopped. By cutting off the supply of the hydrocarbon-containing gas G1, the reaction operation of the first heat exchanger 2 is stopped. On the other hand, the fourth blower 25 and the fifth blower 52 are driven at the maximum flow rate for a predetermined time (for example, 5 to 10 minutes) to perform air purging of the anode 1a and the recycle channel. This air purge is an operation of replacing combustible hydrogen and toxic carbon monoxide remaining inside the first heat exchange core 21, the anode 1a, and the recycle channel with the oxidant-containing gas G2 (air).
　エアパージにより第２熱交換器３に供給される水素がなくなると、第２熱交換コア３１での触媒燃焼が停止する。エアパージが終了すると、第４ブロワ２５および第５ブロワ５２を停止する。システムの起動指示が再度なされない限り、この状態で放置することで、ホットボックスを室温まで冷却する。 When the air purge runs out of hydrogen supplied to the second heat exchanger 3, catalytic combustion in the second heat exchange core 31 stops. When the air purge ends, the fourth blower 25 and the fifth blower 52 are stopped. By leaving in this state, the hot box cools down to room temperature unless the system is instructed to start up again.
［第２実施形態］
　本実施形態では、第２熱交換器３を構成する加熱用ガス発生器３ｂとして、ラインバーナ（ガスバーナ）の一種であるパイプバーナを用いる。第２実施形態に係る燃料電池システム１００の構成は、図１に示した通りである。 [Second embodiment]
In this embodiment, a pipe burner, which is a type of line burner (gas burner), is used as the heating gas generator 3b that constitutes the second heat exchanger 3 . The configuration of the fuel cell system 100 according to the second embodiment is as shown in FIG.
＜第２熱交換器の構成例２Ａ＞
　図６は、図４（構成例１Ｂ）と同じく、第２熱交換コア３１の開放流路を形成しているプレート対の伝熱面に燃焼触媒を塗布する場合の構成例である。
　予混合ガスＧ７は、第２シェル３２の下部空間と連通する入口管３２１から導入され、第２熱交換コア３１内の開放流路群を通過中に燃焼排ガスＧ８となった後、第２シェル３２の上部空間と連通する出口管３２２から導出される。一方、酸化剤含有ガスＧ２は、第２シェル３２を貫通する入口管３１１から導入され、第２熱交換コア３１内の閉鎖流路群を通過した後、第２シェル３２を貫通する出口管３１２から導出される。 <Configuration example 2A of the second heat exchanger>
FIG. 6 shows a configuration example in which a combustion catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the open flow path of the second heat exchange core 31, as in FIG. 4 (configuration example 1B).
The premixed gas G7 is introduced from the inlet pipe 321 that communicates with the lower space of the second shell 32, and becomes the combustion exhaust gas G8 while passing through the open flow passage group in the second heat exchange core 31. After that, the second shell It is derived from an outlet pipe 322 that communicates with the upper space of 32 . On the other hand, the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 311 penetrating the second shell 32, passes through the group of closed flow channels in the second heat exchange core 31, and then exits from the outlet pipe 312 penetrating the second shell 32. is derived from
　パイプバーナ３６は、第２シェル３２の下部空間、すなわち第２熱交換コア３１の下方空間において、水平方向に延びるように配置されており、その基端部分が入口管３２１の末端開口と連結されている。つまり、入口管３２１の軸心とパイプバーナ３６の軸心は同軸に設定されており、両者の管内が連通している。
　本構成例における第２シェル３２の下部空間は、パイプバーナ３６から第２熱交換コア３１まで十分な高さが確保されており、火炎の生成時に第２熱交換コア３１（特に触媒層）を焼損させないように配慮されている。 The pipe burner 36 is arranged to extend horizontally in the lower space of the second shell 32, that is, in the lower space of the second heat exchange core 31, and its base end portion is connected to the end opening of the inlet pipe 321. ing. In other words, the axial center of the inlet pipe 321 and the axial center of the pipe burner 36 are set coaxially, and the insides of both pipes communicate with each other.
The lower space of the second shell 32 in this configuration example has a sufficient height from the pipe burner 36 to the second heat exchange core 31, so that the second heat exchange core 31 (particularly the catalyst layer) is positioned when flames are generated. Care is taken not to burn it.
　図７（ａ）は、パイプバーナ３６を上から見た図である。パイプバーナ３６は、例えば直径８～１０ｍｍ程度の金属パイプから製作されており、図面右側のパイプ先端部が閉鎖されている。パイプバーナ３６の上面には、軸方向に沿って等間隔に多数の火口３３１が設けられている。火口３３１は、管壁を貫通するガス噴出孔であり、図７（ｂ）に示すように、管内に導入された予混合ガスＧ７を上方に向けて、すなわち第２熱交換コア３１の開放流路群に向けて噴出させる。
　パイプバーナ３６の基端側には、図７（ｃ）に示すように、圧電式の点火プラグ３３２が取り付けられている。これにより、火口３３１から予混合ガスＧ７を噴出させつつ、点火プラグ３３２を作動させることで、予混合ガスＧ７を火炎燃焼させることができる。 FIG. 7(a) is a top view of the pipe burner 36. FIG. The pipe burner 36 is made of, for example, a metal pipe with a diameter of about 8 to 10 mm, and the tip of the pipe on the right side of the drawing is closed. A large number of craters 331 are provided on the upper surface of the pipe burner 36 at regular intervals along the axial direction. The crater 331 is a gas ejection hole that penetrates the tube wall, and as shown in FIG. It spouts out toward the road group.
A piezoelectric spark plug 332 is attached to the proximal end of the pipe burner 36, as shown in FIG. 7(c). As a result, the spark plug 332 is operated while the premixed gas G7 is ejected from the crater 331, so that the premixed gas G7 can be flame-burned.
　図７（ａ）では、パイプの軸方向に沿って１列の火口３３１が設けられているが、複列で設けることにより火炎の形成範囲を拡張することも好適である。例えば、図７（ｄ）および（ｅ）に示すように、パイプの軸方向に沿って３列の火口３３１を設ける場合には、予混合ガスＧ７を上方だけでなく、斜め方向にも噴出させる。これにより、短い火炎を維持して第２熱交換コア３１の過熱を抑制しつつ、燃焼触媒の予熱に用いる燃焼排ガスＧ８の発生量を増大させることができる。
　なお、火口３３１の軸方向の間隔は、必ずしも均等である必要はなく、パイプの圧力損失等に応じて、例えば先端側ほど間隔が密になるように設定してもよい。また、基端側を１列、中央部を２列、先端側を３列とするように、火口３３１の列数をパイプの位置によって変化させてもよい。また、より大きな火炎表面を得たい場合には、パイプバーナに替えてリボンバーナを使用してもよい。 In FIG. 7(a), a single row of flame ports 331 is provided along the axial direction of the pipe, but it is also preferable to provide double rows to expand the flame formation range. For example, as shown in FIGS. 7(d) and (e), when three rows of craters 331 are provided along the axial direction of the pipe, the premixed gas G7 is jetted not only upward but also obliquely. . As a result, it is possible to maintain a short flame to suppress overheating of the second heat exchange core 31 and increase the amount of combustion exhaust gas G8 used for preheating the combustion catalyst.
Note that the axial intervals of the craters 331 do not necessarily have to be uniform, and may be set so that, for example, the intervals become denser toward the tip side according to the pressure loss of the pipe and the like. Also, the number of rows of the crater 331 may be changed according to the position of the pipe, such as one row on the base end side, two rows on the central part, and three rows on the tip side. Also, if a larger flame surface is desired, a ribbon burner may be used in place of the pipe burner.
＜第２熱交換器の構成例２Ｂ＞
　図８は、図７（構成例２Ｂ）とは反対に、第２熱交換コア３１の閉鎖流路を形成しているプレート対の伝熱面に燃焼触媒を塗布する場合の構成例である。
　予混合ガスＧ７は、第２シェル３２を貫通する入口管３１１から導入され、第２熱交換コア３１内の閉鎖流路群を通過中に燃焼排ガスＧ８となった後、第２シェル３２を貫通する出口管３１２から導出される。一方、酸化剤含有ガスＧ２は、第２シェル３２の下部空間と連通する入口管３２１から導入され、第２熱交換コア３１内の開放流路群を通過した後、第２シェル３２の上部空間と連通する出口管３２２から導出される。 <Configuration example 2B of the second heat exchanger>
FIG. 8 shows a configuration example in which a combustion catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the closed flow path of the second heat exchange core 31, contrary to FIG. 7 (configuration example 2B).
The premixed gas G7 is introduced from the inlet pipe 311 penetrating the second shell 32, becomes the combustion exhaust gas G8 while passing through the closed flow path group in the second heat exchange core 31, and then penetrates the second shell 32. It is led out from the outlet pipe 312 that On the other hand, the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 321 that communicates with the lower space of the second shell 32, passes through the group of open channels in the second heat exchange core 31, and then enters the upper space of the second shell 32. from an outlet tube 322 communicating with the
　パイプバーナ３６は、第２熱交換コア３１の内部に突入するように配置されており、その基端部分が入口管３１１の末端開口と連結されている。つまり、入口管３１１の軸心とパイプバーナ３６の軸心は同軸に設定されており、両者の管内が連通している。 The pipe burner 36 is arranged so as to protrude inside the second heat exchange core 31 , and its base end portion is connected to the end opening of the inlet pipe 311 . In other words, the axial center of the inlet pipe 311 and the axial center of the pipe burner 36 are set coaxially, and the insides of the two pipes communicate with each other.
　詳しく説明すると、シェルアンドプレート型の熱交換器において、熱交換コアは、閉鎖流路群に対するガス分配用ヘッダ部とガス収集用ヘッダ部を有している。これらのヘッダ部は、伝熱プレートに穿設されたノズル穴（ヘッダ形成穴）の縁部を、プレートの積層時に開放流路側で全周接合することで形成される。そして、本構成例のパイプバーナ３６は、第２熱交換コア３１の下部に形成されたガス分配用ヘッダ部に挿入されることで、コア内部に配置されている。
　本構成例では、ガス分配用ヘッダ部の内径がパイプバーナ３６の直径よりも十分に大きく、火炎の生成時に第２熱交換コア３１（特に触媒層）を焼損させないように配慮されている。 More specifically, in a shell-and-plate heat exchanger, the heat exchange core has a gas distribution header and a gas collection header for closed flow paths. These header portions are formed by joining the edges of nozzle holes (header forming holes) drilled in the heat transfer plates all around on the open channel side when the plates are stacked. The pipe burner 36 of this configuration example is arranged inside the second heat exchange core 31 by being inserted into a gas distribution header portion formed in the lower portion of the core.
In this configuration example, the inner diameter of the gas distribution header is sufficiently larger than the diameter of the pipe burner 36, so that the second heat exchange core 31 (especially the catalyst layer) is not burnt out when flames are generated.
＜第２熱交換器の構成例２Ｃ＞
　図９は、図８（構成例２Ｂ）と同じく、第２熱交換コア３１の閉鎖流路を形成しているプレート対の伝熱面に燃焼触媒を塗布する場合の構成例である。
　予混合ガスＧ７は、第２シェル３２を貫通する入口管３１１から導入され、第２熱交換コア３１内の閉鎖流路群を通過中に燃焼排ガスＧ８となった後、第２シェル３２を貫通する出口管３１２から導出される。一方、酸化剤含有ガスＧ２は、第２シェル３２の下部空間と連通する入口管３２１から導入され、第２熱交換コア３１内の開放流路群を通過した後、第２シェル３２の上部空間と連通する出口管３２２から導出される。 <Configuration example 2C of the second heat exchanger>
FIG. 9 shows a configuration example in which the combustion catalyst is applied to the heat transfer surfaces of the plate pair forming the closed flow path of the second heat exchange core 31, as in FIG. 8 (configuration example 2B).
The premixed gas G7 is introduced from the inlet pipe 311 penetrating the second shell 32, becomes the combustion exhaust gas G8 while passing through the closed flow path group in the second heat exchange core 31, and then penetrates the second shell 32. It is led out from the outlet pipe 312 that On the other hand, the oxidant-containing gas G2 is introduced from the inlet pipe 321 that communicates with the lower space of the second shell 32, passes through the group of open channels in the second heat exchange core 31, and then enters the upper space of the second shell 32. from an outlet tube 322 communicating with the
　本構成例においては、加熱用ガス発生器３ｂとして、パイプバーナ３６が挿入された燃焼ボックス３７が使用される。燃焼ボックス３７は、例えば外形が四角柱の金属箱であり、その上面に入口管３１１の始端部分が接続されている。燃焼ボックス３７の右側面には、第２予混合ガスラインＬ７と繋がるガス流入管３１３が接続されている。 In this configuration example, a combustion box 37 in which a pipe burner 36 is inserted is used as the heating gas generator 3b. The combustion box 37 is, for example, a metal box having an outer shape of a quadrangular prism, and the starting end portion of the inlet pipe 311 is connected to the upper surface thereof. A gas inflow pipe 313 connected to the second premixed gas line L7 is connected to the right side surface of the combustion box 37 .
　パイプバーナ３６は、燃焼ボックス３７の内部に突入するように配置されており、その基端部分がガス流入管３１３の末端開口と連結されている。つまり、ガス流入管３１３の軸心とパイプバーナ３６の軸心は同軸に設定されており、両者の管内が連通している。なお、パイプバーナ３６の火口３３１は、燃焼ボックス３７の上壁に向けられる。
　本構成例では、燃焼ボックス３７の内部でパイプバーナ３６による火炎燃焼が行われる。そのため、火炎の生成時に第２熱交換コア３１（特に触媒層）を焼損させるおそれがない構成となっている。 The pipe burner 36 is arranged to protrude into the interior of the combustion box 37 , and its base end portion is connected to the end opening of the gas inflow pipe 313 . In other words, the axis of the gas inflow pipe 313 and the axis of the pipe burner 36 are set coaxially, and the insides of the two pipes communicate with each other. Note that the crater 331 of the pipe burner 36 is directed toward the upper wall of the combustion box 37 .
In this configuration example, flame combustion is performed by the pipe burner 36 inside the combustion box 37 . Therefore, the configuration is such that there is no risk of burning out the second heat exchange core 31 (especially the catalyst layer) when a flame is generated.
　本実施形態のパワーコンディショナ６における駆動電力供給部は、各ブロワ１１，１２，２１，２５，５２、第１バイパス弁２４、第２バイパス弁２６および第２熱交換器３の点火プラグ３３２等と接続され、これらの補機類に駆動電力を与える。 The drive power supply unit in the power conditioner 6 of this embodiment includes the blowers 11, 12, 21, 25, 52, the first bypass valve 24, the second bypass valve 26, the spark plug 332 of the second heat exchanger 3, and the like. and provide drive power to these accessories.
　次に、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の運転制御（動作制御）について、図１０を参照しつつ説明する。第１実施形態および第２実施形態の各運転制御は、予熱工程ＳＵ１のみが相違する。他の工程は同じであるので、第１実施形態の説明を援用して詳細な説明を省略する。 Next, operation control (operation control) of the fuel cell system 100 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. Each operation control of the first embodiment and the second embodiment differs only in the preheating step SU1. Since the other steps are the same, the detailed description is omitted by citing the description of the first embodiment.
＜予熱工程ＳＵ１＞
　スタートアップ運転の最初に実行される本工程では、まず第３ブロワ２１を最大流量で駆動し、第２の酸化剤含有ガスＧ２を第１空気ラインＬ２１～第３空気ラインＬ２３を通じてカソード１ｂに送り、更にカソード１ｂからはカソードオフガスＧ６をカソードオフガスラインＬ６を通じて第２予混合器５に送る。また、第２ブロワ１２を最大流量で駆動し、第２の炭化水素含有ガスＧ１を第２燃料ラインＬ１２を通じて第２予混合器５に送る。第２予混合器５から第２熱交換器３に対しては、第２予混合ラインＬ７を通じて予混合ガスＧ７が供給される。そして、点火プラグ３３２を動作させると、パイプバーナ３６の有炎燃焼が開始される。パイプバーナ３６の燃焼排ガスＧ８（加熱用ガス）は、第２熱交換コア３１に送られ、冷態の燃焼触媒層が加熱される。
　パイプバーナ３６の燃焼開始後、触媒層が反応開始温度まで上昇して活性化すると、排出ガス温度または経過時間の検知により第２ブロワ１２を一度停止（下向き矢印）してパイプバーナ３６を消炎する。その後、第２ブロワ１２の駆動を再開（上向き矢印）すると、第２熱交換コア３１の内部で触媒燃焼が始まり、第２熱交換器３の起動が完了する。第２熱交換器３で触媒燃焼が始まると、第１空気ラインＬ２１から供給される酸化剤含有ガスＧ２（カソード供給ガス）は、第２熱交換コア３１の内部で燃焼熱の伝熱により加熱され、第２空気ラインＬ２２を通じて第１熱交換器２に送られる。 <Preheating step SU1>
In this step, which is executed at the beginning of the startup operation, first, the third blower 21 is driven at the maximum flow rate, the second oxidant-containing gas G2 is sent to the cathode 1b through the first air line L21 to the third air line L23, Furthermore, from the cathode 1b, the cathode offgas G6 is sent to the second premixer 5 through the cathode offgas line L6. Also, the second blower 12 is driven at the maximum flow rate to send the second hydrocarbon-containing gas G1 to the second premixer 5 through the second fuel line L12. A premixed gas G7 is supplied from the second premixer 5 to the second heat exchanger 3 through a second premixing line L7. Then, when the ignition plug 332 is operated, flame combustion of the pipe burner 36 is started. The combustion exhaust gas G8 (heating gas) from the pipe burner 36 is sent to the second heat exchange core 31 to heat the cold combustion catalyst layer.
After the pipe burner 36 starts burning, when the catalyst layer rises to the reaction start temperature and is activated, the second blower 12 is once stopped (downward arrow) by detecting the exhaust gas temperature or the elapsed time, and the pipe burner 36 is extinguished. . After that, when the driving of the second blower 12 is restarted (upward arrow), catalytic combustion starts inside the second heat exchange core 31, and the activation of the second heat exchanger 3 is completed. When catalytic combustion starts in the second heat exchanger 3, the oxidant-containing gas G2 (cathode supply gas) supplied from the first air line L21 is heated inside the second heat exchange core 31 by heat transfer of combustion heat. and sent to the first heat exchanger 2 through the second air line L22.
　第２熱交換器３で加熱後の酸化剤含有ガスＧ２は、第１熱交換器２を通過する際に伝熱面を介して触媒層に燃焼熱の一部を付与する。第１熱交換器２で冷却された酸化剤含有ガスＧ２は、更にカソード１ｂに供給され、燃焼熱の残部を付与してセルスタック１の全体を加熱する。これにより、第１熱交換コア２１の触媒層の予熱とセルスタック１の昇温が実行される。
　本工程の実行中は、第１バイパス弁２４の弁開度を制御することにより、第１熱交換器２、ひいてはカソード１ｂに供給する酸化剤含有ガスＧ２の温度を調整し、セルスタック１の内部温度がアノード酸化開始温度Ｔ１を超えないようにする。また、触媒温度の上昇に伴って第２ブロワ１２のガス流量を緩やかに低減させ、第２熱交換コア３１の燃焼量を調整してもよい。 The oxidant-containing gas G2 heated in the second heat exchanger 3 imparts part of the combustion heat to the catalyst layer via the heat transfer surface when passing through the first heat exchanger 2 . The oxidant-containing gas G2 cooled by the first heat exchanger 2 is further supplied to the cathode 1b and gives the rest of the combustion heat to heat the cell stack 1 as a whole. As a result, the catalyst layer of the first heat exchange core 21 is preheated and the temperature of the cell stack 1 is raised.
During execution of this step, the valve opening degree of the first bypass valve 24 is controlled to adjust the temperature of the oxidant-containing gas G2 supplied to the first heat exchanger 2 and, in turn, the cathode 1b. The internal temperature should not exceed the anodization start temperature T1. Alternatively, the combustion amount of the second heat exchange core 31 may be adjusted by gently reducing the gas flow rate of the second blower 12 as the catalyst temperature rises.
［第３実施形態］
　図１１は、第３実施形態に係る燃料電池システム２００の構成を示す説明図である。図１１に示すように、燃料電池システム２００は、第３熱交換器８および第４熱交換器９を追加で備えている。
　なお、図１１において図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、第１実施形態の説明を援用して詳細な説明を省略する。 [Third embodiment]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell system 200 according to the third embodiment. As shown in FIG. 11 , the fuel cell system 200 additionally includes a third heat exchanger 8 and a fourth heat exchanger 9 .
11 that are the same as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted by citing the description of the first embodiment.
　図１１において、第１空気ラインＬ２１～第７空気ラインＬ２７には、酸化剤含有ガスＧ２（空気等の酸素含有ガス）が流通する。
　第１空気ラインＬ２１は、空気取入口Ｐ２０と第４熱交換器９の低温側入口とを接続する管路であり、この管路中には第３ブロワ２１が配置されている。第７空気ラインＬ２７は、第４熱交換器９の低温側出口と第２熱交換器３の低温側入口とを接続する管路である。 In FIG. 11, the oxidant-containing gas G2 (oxygen-containing gas such as air) flows through the first air line L21 to the seventh air line L27.
The first air line L21 is a pipeline that connects the air intake port P20 and the low temperature side inlet of the fourth heat exchanger 9, and the third blower 21 is arranged in this pipeline. The seventh air line L27 is a pipeline that connects the low temperature side outlet of the fourth heat exchanger 9 and the low temperature side inlet of the second heat exchanger 3 .
　図１１において、第１アノードオフガスラインＬ５１～第５アノードオフガスラインＬ５５には、アノードオフガスＧ５が流通する。
　第１アノードオフガスラインＬ５１は、セルスタック１のアノード側出口と第３熱交換器８の高温側入口とを接続する管路である。第２アノードオフガスラインＬ５２は、第３熱交換器８の高温側出口と第４熱交換器９の高温側入口とを接続する管路である。第３アノードオフガスラインＬ５３は、第４熱交換器９の高温側出口と第２予混合器５のオフガス供給口とを接続する管路である。第４アノードオフガスラインＬ５４は、第３アノードオフガスラインＬ５３の途中から分岐して第３熱交換器８の低温側入口に接続される管路であり、この管路中には第５ブロワ５２（５２Ｂ）が配置されている。第５アノードオフガスラインＬ５５は、第３熱交換器８の低温側出口と第１予混合器４のオフガス供給口とを接続する管路である。 In FIG. 11, the anode offgas G5 flows through the first anode offgas line L51 to the fifth anode offgas line L55.
The first anode offgas line L51 is a conduit that connects the anode-side outlet of the cell stack 1 and the high-temperature-side inlet of the third heat exchanger 8 . The second anode offgas line L52 is a pipeline that connects the high temperature side outlet of the third heat exchanger 8 and the high temperature side inlet of the fourth heat exchanger 9 . The third anode offgas line L53 is a pipeline that connects the high temperature side outlet of the fourth heat exchanger 9 and the offgas supply port of the second premixer 5 . The fourth anode off-gas line L54 is a pipeline branched from the middle of the third anode off-gas line L53 and connected to the low temperature side inlet of the third heat exchanger 8, and the fifth blower 52 ( 52B) are arranged. The fifth anode offgas line L55 is a pipeline that connects the low temperature side outlet of the third heat exchanger 8 and the offgas supply port of the first premixer 4 .
　第３熱交換器８は、自己再熱型熱交換器として構成され、第１予混合器４に向けてリサイクルされる比較的低温のアノードオフガスＧ５を、セルスタック１から排出される高温のアノードオフガスＧ５を用いて再熱する機器である。換言すると、第３熱交換器８は、セルスタック１から排出される高温のアノードオフガスＧ５を、第１予混合器４に向けてリサイクルされる比較的低温のアノードオフガスＧ５を用いて予冷する機器でもある。第３熱交換器８は、二流体の間接熱交換器（例えば、ブレージングプレート熱交換器）として構成されている。 The third heat exchanger 8 is configured as a self-reheating heat exchanger, and converts the relatively low-temperature anode off-gas G5 recycled toward the first premixer 4 to the high-temperature anode discharged from the cell stack 1. It is a device that reheats using off-gas G5. In other words, the third heat exchanger 8 is a device that pre-cools the high-temperature anode off-gas G5 discharged from the cell stack 1 using the relatively low-temperature anode off-gas G5 recycled toward the first premixer 4. But also. The third heat exchanger 8 is configured as a two-fluid indirect heat exchanger (for example, a brazed plate heat exchanger).
　第４熱交換器９は、セルスタック１のカソード１ｂに供給される常温の酸化剤含有ガスＧ２を、第３熱交換器８を通過後の比較的高温のアノードオフガスＧ５を用いて予熱する機器である。第４熱交換器９は、二流体の間接熱交換器（例えば、ブレージングプレート熱交換器）として構成されている。 The fourth heat exchanger 9 is a device that preheats the room-temperature oxidant-containing gas G2 supplied to the cathode 1b of the cell stack 1 using the relatively high-temperature anode off-gas G5 that has passed through the third heat exchanger 8. is. The fourth heat exchanger 9 is configured as a two-fluid indirect heat exchanger (for example, a brazed plate heat exchanger).
　第１熱交換器２、第２熱交換器３、第１予混合器４、第２予混合器５、第３熱交換器８および第４熱交換器９は、セルスタック１と共にホットボックス内に収容される。一方、第１ブロワ１１、第２ブロワ１２、第３ブロワ２１、第４ブロワ２５、第１バイパス弁２４および第２バイパス弁２６は、ホットボックス外に配置される。更に、第１実施形態とは異なり、第５ブロワ５２（５２Ｂ）もホットボックス外に配置される。 The first heat exchanger 2, the second heat exchanger 3, the first premixer 4, the second premixer 5, the third heat exchanger 8 and the fourth heat exchanger 9 are installed in the hot box together with the cell stack 1. are housed in On the other hand, the first blower 11, the second blower 12, the third blower 21, the fourth blower 25, the first bypass valve 24 and the second bypass valve 26 are arranged outside the hot box. Furthermore, unlike the first embodiment, the fifth blower 52 (52B) is also arranged outside the hot box.
　ところで、第１実施形態における第５ブロワ５２Ａは、ホットボックスの内部に配置されるため、セルスタック１が発電動作するときの６００～７００℃程度の耐用温度が必要である。一方、第２実施形態における第５ブロワ５２Ｂは、ホットボックスの外部に配置されるため、予冷されたアノードオフガスＧ５を取り扱うときの１５０～２００℃程度の耐用温度があればよい。第５ブロワ５２Ｂは、耐用温度が十分に低いため安価に調達できるメリットがあり、不具合発生頻度の抑制も期待できる。
　なお、具体的なシステム設計においては、第１実施形態における第５ブロア５２Ａの単体調達コストと、第３実施形態における第５ブロア５２Ｂ、第３熱交換器８および第４熱交換器９の合計調達コストを比較し、調達コストの安い実施形態を選択するのが望ましい。 By the way, since the fifth blower 52A in the first embodiment is arranged inside the hot box, it must withstand temperatures of about 600 to 700° C. when the cell stack 1 operates to generate electricity. On the other hand, since the fifth blower 52B in the second embodiment is arranged outside the hot box, it only needs to have a temperature tolerance of about 150 to 200° C. when handling the precooled anode off-gas G5. Since the fifth blower 52B has a sufficiently low temperature resistance, it has the advantage that it can be procured at a low cost, and it can be expected to suppress the frequency of malfunctions.
In addition, in the specific system design, the total procurement cost of the fifth blower 52A in the first embodiment, the fifth blower 52B, the third heat exchanger 8 and the fourth heat exchanger 9 in the third embodiment It is desirable to compare procurement costs and select the embodiment with the lowest procurement cost.
　システムコントローラ７による燃料電池システム２００の運転制御（動作制御）については、第１実施形態または第２実施形態と同じであるので説明を省略する。 The operation control (operation control) of the fuel cell system 200 by the system controller 7 is the same as in the first embodiment or the second embodiment, so the explanation is omitted.
　以上説明した第１実施形態～第３実施形態の燃料電池システム１００，２００によれば、以下に列挙する（１）～（１１）の効果を奏する。 According to the fuel cell systems 100 and 200 of the first to third embodiments described above, the following effects (1) to (11) are achieved.
（１）各実施形態の燃料電池システム１００，２００は、固体電解質、アノード１ａおよびカソード１ｂからなる発電セルを複数集積して構成した固体酸化物形燃料電池のセルスタック１と、第１熱交換コア２１を有し、この第１熱交換コア２１の内部で第１の炭化水素含有ガスＧ１および／またはアノードオフガスＧ５を第１の酸化剤含有ガスＧ２と共に触媒反応させ、その反応熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスＧ２を加熱または冷却する第１熱交換器２と、第２熱交換コア３１を有し、この第２熱交換コア３１の内部で第２の炭化水素含有ガスＧ１および／またはアノードオフガスＧ５をカソードオフガスＧ６と共に触媒燃焼させ、その燃焼熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスＧ２を加熱する第２熱交換器３と、アノードオフガスＧ５を第１熱交換器２に供給可能なリサイクル手段（第２アノードオフガスラインＬ５２および第５ブロワ５２）と、セルスタック１で発電した電力を変換するパワーコンディショナ６と、システム動作を制御するシステムコントローラ７と、を備える構成である。 (1) The fuel cell system 100, 200 of each embodiment includes a solid oxide fuel cell cell stack 1 configured by integrating a plurality of power generation cells each composed of a solid electrolyte, an anode 1a and a cathode 1b, and a first heat exchanger. It has a core 21, in which the first hydrocarbon-containing gas G1 and/or the anode off-gas G5 is catalytically reacted with the first oxidant-containing gas G2 inside the first heat exchange core 21, and the reaction heat is transferred. It has a first heat exchanger 2 that utilizes to heat or cool the second oxidant-containing gas G2, and a second heat exchange core 31, and inside the second heat exchange core 31, a second hydrocarbon-containing A second heat exchanger 3 that catalytically combusts the gas G1 and/or the anode offgas G5 together with the cathode offgas G6 and heats the second oxidant-containing gas G2 by utilizing the combustion heat as heat transfer; 1 Recycling means (second anode off-gas line L52 and fifth blower 52) capable of supplying heat exchanger 2, power conditioner 6 converting electric power generated by cell stack 1, and system controller 7 controlling system operation and.
　このように、燃料電池システム１００，２００は、水加熱による水蒸気発生手段（蒸発器等）を使用しなくて済むように構成してある。水蒸気発生手段を使用しないので、採水手段（凝縮器等）や給水手段（水タンク、水ポンプ、純水器等）も必要ない。また、燃料改質と空気予熱／予冷を同時に行える第１熱交換器２と共に、オフガス燃焼と空気予熱を同時に行える第２熱交換器３を備えること、これに加えてアノードオフガスＧ５のリサイクル手段を備えることで、より合理的なプロセスでシステムの運転が可能となった。その結果、従来システムでは必要とされていた比較的高コストの機器が削減され、かつ残余の機器で統合が実現された。
　これにより、イニシャルコストを抑制することができ、システムパッケージの小型化が容易な燃料電池システムを提供することができる。 In this way, the fuel cell systems 100 and 200 are configured so as not to use steam generating means (such as an evaporator) by heating water. Since no steam generating means is used, no water sampling means (condenser, etc.) or water supply means (water tank, water pump, water purifier, etc.) is required. In addition to the first heat exchanger 2 that can simultaneously perform fuel reforming and air preheating/precooling, the second heat exchanger 3 that can simultaneously perform offgas combustion and air preheating is provided. By doing so, it became possible to operate the system in a more rational process. As a result, the relatively expensive equipment required in conventional systems has been eliminated, and consolidation has been achieved with the remaining equipment.
As a result, it is possible to provide a fuel cell system in which the initial cost can be suppressed and the size of the system package can be easily reduced.
（２）各実施形態の燃料電池システム１００，２００における第１熱交換器２は、第１熱交換コア２１の伝熱面に部分酸化触媒が塗布された間接熱交換器として構成される。 (2) The first heat exchanger 2 in the fuel cell systems 100 and 200 of each embodiment is configured as an indirect heat exchanger in which the heat transfer surface of the first heat exchange core 21 is coated with a partial oxidation catalyst.
　第１熱交換器２は、このような構成を有しているため、伝熱面を介した触媒層の冷却が可能であり、システムのスタートアップ運転やシャットダウン運転において、部分酸化改質反応により生成した改質ガスＧ４の温度をセルスタック１の耐用温度以下に容易に調節することができる。一方、伝熱面を介した触媒層の加熱も可能であり、システムの発電運転において、水蒸気改質反応により改質ガスＧ４を生成させる際の熱源を容易に確保することができる。 Since the first heat exchanger 2 has such a configuration, it is possible to cool the catalyst layer through the heat transfer surface, and in the startup operation and shutdown operation of the system, the heat generated by the partial oxidation reforming reaction It is possible to easily adjust the temperature of the reformed gas G4 below the allowable temperature of the cell stack 1 . On the other hand, it is also possible to heat the catalyst layer via the heat transfer surface, and it is possible to easily secure a heat source for generating the reformed gas G4 by the steam reforming reaction in the power generation operation of the system.
（３）各実施形態の燃料電池システム１００，２００における第２熱交換器３は、第２熱交換コア３１の伝熱面に燃焼触媒が塗布された間接熱交換器３ａと、冷態にある燃焼触媒を反応開始温度まで昇温可能な加熱用ガスを発生させる加熱用ガス発生器３ｂと、を含んで構成される。 (3) The second heat exchanger 3 in the fuel cell systems 100 and 200 of each embodiment is in a cold state together with the indirect heat exchanger 3a in which the heat transfer surface of the second heat exchange core 31 is coated with a combustion catalyst. and a heating gas generator 3b for generating a heating gas capable of raising the temperature of the combustion catalyst to the reaction start temperature.
　第２熱交換器３は、加熱用ガス発生器３ｂを有しているため、システムのスタートアップ運転時に触媒層を加熱して間接熱交換器３ａを迅速に立ち上げ、触媒燃焼を開始することができる。また、間接熱交換器３ａは、伝熱面を介した流体の加熱が可能であるので、放熱ロスなく熱源流体を生成して、第１熱交換器２やセルスタック１を短時間で予熱・昇温することができる。 Since the second heat exchanger 3 has the heating gas generator 3b, it is possible to heat the catalyst layer during system start-up operation to quickly start up the indirect heat exchanger 3a and start catalytic combustion. can. In addition, since the indirect heat exchanger 3a can heat the fluid via the heat transfer surface, the heat source fluid is generated without heat radiation loss, and the first heat exchanger 2 and the cell stack 1 are preheated and heated in a short time. Temperature can be raised.
（４）第１実施形態の燃料電池システム１００における加熱用ガス発生器３ｂは、間接熱交換器３ａの本体部または配管部に組み込まれた電気ヒータ３４，３５である。 (4) The heating gas generator 3b in the fuel cell system 100 of the first embodiment is the electric heaters 34, 35 incorporated in the main body or piping of the indirect heat exchanger 3a.
　本態様によれば、電気ヒータ３４，３５で空気（酸化剤含有ガスＧ２）を加熱することにより、無害な加熱用ガスを発生させることができる。その結果、第２熱交換コア３１の触媒層を反応開始温度まで安全に昇温することができる。 According to this aspect, by heating the air (oxidant-containing gas G2) with the electric heaters 34 and 35, a harmless heating gas can be generated. As a result, the temperature of the catalyst layer of the second heat exchange core 31 can be safely raised to the reaction start temperature.
（５）第２実施形態の燃料電池システム１００における加熱用ガス発生器３ｂは、間接熱交換器３ｂの本体部または配管部に組み込まれたガスバーナ３６である。 (5) The heating gas generator 3b in the fuel cell system 100 of the second embodiment is a gas burner 36 incorporated in the body or piping of the indirect heat exchanger 3b.
　本態様によれば、ガスバーナ３６を有炎燃焼させことにより、高い熱量の加熱用ガス（燃焼排ガスＧ８）を発生させることができる。その結果、第２熱交換コア３１の触媒層を反応開始温度まで高速に昇温することができる。 According to this aspect, it is possible to generate a heating gas (combustion exhaust gas G8) having a large amount of heat by flaming the gas burner 36. As a result, the catalyst layer of the second heat exchange core 31 can be rapidly heated to the reaction start temperature.
（６）各実施形態の燃料電池システム１００，２００における間接熱交換器は、シェルアンドプレート型の熱交換器である。 (6) The indirect heat exchangers in the fuel cell systems 100 and 200 of each embodiment are shell-and-plate heat exchangers.
　本態様によれば、伝熱面に触媒が塗布されたプレートを積層して熱交換コア２１，３１を構成するため、システムの発電容量に応じた間接熱交換器を容易に製作可能である。その結果、コストが最小化された第１熱交換器２および第２熱交換器３を使用してシステムを構築することができる。 According to this aspect, since the heat exchange cores 21 and 31 are formed by laminating plates coated with a catalyst on the heat transfer surfaces, it is possible to easily manufacture an indirect heat exchanger according to the power generation capacity of the system. As a result, the system can be constructed using the first heat exchanger 2 and the second heat exchanger 3 with minimized cost.
　（７）各実施形態の燃料電池システム１００，２００のシステムコントローラ７は、システムのスタートアップ運転において、第１熱交換器２に第１の炭化水素含有ガスＧ１および第１の酸化剤含有ガスＧ２を供給して水素含有ガスＧ４を生成させつつ、この水素含有ガスＧ４をアノード１ａに供給し、第１熱交換器２の反応動作中、リサイクル手段を作動させ、システムコントローラ７は、システムのシャットダウン運転において、第１熱交換器２に第１の炭化水素含有ガスＧ１および第１の酸化剤含有ガスＧ２を供給して水素含有ガスＧ４を生成させつつ、この水素含有ガスＧ４をアノード１ａに供給し、第１熱交換器２の反応動作中、リサイクル手段を作動させる構成である。 (7) The system controller 7 of the fuel cell system 100, 200 of each embodiment supplies the first hydrocarbon-containing gas G1 and the first oxidant-containing gas G2 to the first heat exchanger 2 during system startup operation. While supplying and generating hydrogen-containing gas G4, this hydrogen-containing gas G4 is supplied to the anode 1a, the recycling means is operated during the reaction operation of the first heat exchanger 2, and the system controller 7 shuts down the system. , the first hydrocarbon-containing gas G1 and the first oxidant-containing gas G2 are supplied to the first heat exchanger 2 to generate a hydrogen-containing gas G4, and the hydrogen-containing gas G4 is supplied to the anode 1a. , during the reaction operation of the first heat exchanger 2, the recycling means is operated.
　このように、燃料電池システム１００，２００は、システムのスタートアップ運転において、部分酸化反応により生成した還元性のＰＯＸガスをアノード１ａに流通させてセルスタック１の昇温操作を行う。昇温操作時には、リサイクル手段を作動させることで、ＰＯＸガスの低温化を図っている。更には、システムのシャットダウン運転においても、ＰＯＸガスをアノード１ａに流通させてセルスタック１の降温操作を行う。降温操作時には、リサイクル手段を作動させることで、ＰＯＸガスの低温化を図っている。
　これにより、システムのスタートアップ運転の昇温操作およびシャットダウン運転の降温操作において、アノード１ａの酸化や過熱によって誘発されるセルスタック１の失活や破損等が回避される燃料電池システムを提供することができる。 In this way, the fuel cell systems 100 and 200 circulate the reducing POX gas generated by the partial oxidation reaction to the anode 1a to raise the temperature of the cell stack 1 during system start-up operation. During the temperature raising operation, the temperature of the POX gas is lowered by activating the recycling means. Furthermore, even in the shutdown operation of the system, the temperature of the cell stack 1 is lowered by circulating the POX gas to the anode 1a. During the temperature lowering operation, the temperature of the POX gas is lowered by operating the recycling means.
As a result, it is possible to provide a fuel cell system that avoids the deactivation and damage of the cell stack 1 caused by the oxidation and overheating of the anode 1a during the temperature raising operation during the system startup operation and the temperature lowering operation during the shutdown operation of the system. can.
　（８）各実施形態の燃料電池システム１００，２００のシステムコントローラ７は、システムのスタートアップ運転において、第１熱交換器２の反応動作前、第２熱交換器３で第２の炭化水素含有ガスＧ１を触媒燃焼させつつ、第２熱交換器３に第２の酸化剤含有ガスＧ１を流通させ、第２熱交換器３で加熱された第２の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２に流通させて触媒に燃焼熱の一部を付与し、第１熱交換器２で冷却された第２の酸化剤含有ガスＧ２をカソード１ａに供給する。 (8) The system controller 7 of the fuel cell system 100, 200 of each embodiment controls the second hydrocarbon-containing gas in the second heat exchanger 3 before the reaction operation in the first heat exchanger 2 in the startup operation of the system. The second oxidant-containing gas G1 is passed through the second heat exchanger 3 while catalytically combusting G1, and the second oxidant-containing gas G2 heated in the second heat exchanger 3 is passed through the first heat exchanger. 2 to give part of the combustion heat to the catalyst, and the second oxidant-containing gas G2 cooled by the first heat exchanger 2 is supplied to the cathode 1a.
　本態様によれば、第２熱交換器３の燃焼熱の一部を利用して部分酸化触媒を予熱すると共に、燃焼熱の残部を利用してセルスタック１を昇温することができる。また、この予熱・昇温操作は、酸化剤含有ガスＧ２（カソード空気）を熱媒体とする間接加熱であるため、触媒の焼損やアノード材料の酸化を引き起こすおそれがない。 According to this aspect, part of the combustion heat of the second heat exchanger 3 can be used to preheat the partial oxidation catalyst, and the remainder of the combustion heat can be used to raise the temperature of the cell stack 1 . In addition, since this preheating/heating operation is indirect heating using the oxidant-containing gas G2 (cathode air) as a heat medium, there is no fear of burning out the catalyst or oxidizing the anode material.
　（９）各実施形態の燃料電池システム１００，２００におけるシステムコントローラ７は、システムのスタートアップ運転および／またはシャットダウン運転において、第１熱交換器２の反応動作中、第２の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２に流通させて水素含有ガスＧ４の生成に伴う反応熱の一部を回収し、第１熱交換器２で冷却された水素含有ガスＧ４をアノード１ａに供給すると共に、第１熱交換器２で加熱された第２の酸化剤含有ガスＧ２をカソード１ｂに供給する。 (9) The system controller 7 in the fuel cell system 100, 200 of each embodiment releases the second oxidant-containing gas G2 during the reaction operation of the first heat exchanger 2 in the startup operation and/or shutdown operation of the system. Part of the reaction heat associated with the generation of the hydrogen-containing gas G4 is recovered by circulating it through the first heat exchanger 2, and the hydrogen-containing gas G4 cooled by the first heat exchanger 2 is supplied to the anode 1a. 1. The second oxidant-containing gas G2 heated by the heat exchanger 2 is supplied to the cathode 1b.
　本態様によれば、カソード１ｂに供給される前の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２の低温側に流通させることで、ＰＯＸガスの更なる冷却を図っている。ＰＯＸガスの冷却の一方で、触媒層から回収された反応熱により酸化剤含有ガスＧ２（カソード空気）を加熱し、アノード１ａおよびカソード１ｂに供給されるガス温度をバランスさせる。これにより、セルスタック１の過熱を回避しつつ、昇温時間および降温時間を短縮することができる。 According to this aspect, the POX gas is further cooled by circulating the oxidant-containing gas G2 to the low temperature side of the first heat exchanger 2 before being supplied to the cathode 1b. While the POX gas is cooled, the heat of reaction recovered from the catalyst layer heats the oxidant-containing gas G2 (cathode air) to balance the temperature of the gas supplied to the anode 1a and the cathode 1b. As a result, overheating of the cell stack 1 can be avoided, and the temperature rising time and the temperature falling time can be shortened.
　（１０）各実施形態の燃料電池システム１００，２００において、第１熱交換器２に流通させる第２の酸化剤含有ガスＧ２は、第２熱交換器３に対して全部または一部をバイパスさせたガスである。 (10) In the fuel cell systems 100 and 200 of each embodiment, the second oxidant-containing gas G2 that flows through the first heat exchanger 2 bypasses all or part of the second heat exchanger 3. gas.
　本態様によれば、常温付近の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２の低温側に流通させることで、ＰＯＸガスを効果的に冷却しつつ、昇温時間および降温時間を短縮することができる。 According to this aspect, by circulating the oxidant-containing gas G2 near room temperature to the low temperature side of the first heat exchanger 2, the POX gas can be effectively cooled while shortening the temperature rise time and the temperature fall time. can be done.
　（１１）各実施形態の燃料電池システム１００，２００のシステムコントローラ７は、システムの発電運転において、リサイクル手段（第２アノードオフガスラインＬ５２および第５ブロワ５２）を作動させつつ、第１熱交換器２に第１の炭化水素含有ガスＧ１を供給し、セルスタック１の掃引電流Ｉｓに応じて、ゼロを含む所要量の第１の酸化剤含有ガスＧ２を第１熱交換器２に供給する。 (11) In the power generation operation of the system, the system controller 7 of the fuel cell system 100, 200 of each embodiment operates the recycling means (the second anode offgas line L52 and the fifth blower 52) while operating the first heat exchanger. 2 is supplied with a first hydrocarbon-containing gas G1, and a required amount of the first oxidant-containing gas G2 including zero is supplied to the first heat exchanger 2 according to the sweep current Is of the cell stack 1.
　本態様によれば、アノードオフガスリサイクルにより燃料利用率Ｕｆを高めつつ、効率の良い発電を行うことができる。また、部分負荷運転によりセルスタック１の内部温度の低下が起こる場合には、部分酸化反応の発熱によって不足する熱量を補うことで、セルスタック１を発電動作温度Ｔ４に維持することができる。 According to this aspect, efficient power generation can be performed while increasing the fuel utilization rate Uf by recycling the anode off-gas. Also, when the internal temperature of the cell stack 1 drops due to partial load operation, the cell stack 1 can be maintained at the power generation operating temperature T4 by compensating for the insufficient amount of heat generated by the partial oxidation reaction.
１００　燃料電池システム
２００　燃料電池システム
１　セルスタック
１ａ　アノード
１ｂ　カソード
２　第１熱交換器（間接熱交換器）
２１　第１熱交換コア
２２　第１シェル
２１１　入口管
２１２　出口管
２２１　入口管
２２２　出口管
３　第２熱交換器
３ａ　間接熱交換器
３ｂ　加熱用ガス発生器
３１　第２熱交換コア
３２　第２シェル
３３　加熱ボックス
３４　面状ヒータ（電気ヒータ）
３５　カートリッジヒータ（電気ヒータ）
３６　パイプバーナ（ガスバーナ）
３７　燃焼ボックス
３１１　入口管
３１２　出口管
３２１　入口管
３２２　出口管
３３１　火口
３３２　点火プラグ
４　第１予混合器
５　第２予混合器
６　パワーコンディショナ
７　システムコントローラ
８　第３熱交換器
９　第４熱交換器
１１　第１ブロワ
１２　第２ブロワ
２１　第３ブロワ
２４　第１バイパス弁
２５　第４ブロワ
２６　第２バイパス弁
５２　第５ブロワ（リサイクル手段）
Ｌ１１　第１燃料ライン
Ｌ１２　第２燃料ライン
Ｌ２１　第１空気ライン
Ｌ２２　第２空気ライン
Ｌ２３　第３空気ライン
Ｌ２４　第４空気ライン
Ｌ２５　第５空気ライン
Ｌ２６　第６空気ライン
Ｌ２７　第７空気ライン
Ｌ３　第１予混合ガスライン
Ｌ４　改質ガスライン
Ｌ５１　第１アノードオフガスライン
Ｌ５２　第２アノードオフガスライン（リサイクル手段）
Ｌ５３　第３アノードオフガスライン
Ｌ５４　第４アノードオフガスライン
Ｌ５５　第５アノードオフガスライン
Ｌ６　カソードオフガスライン
Ｌ７　第２予混合ガスライン
Ｌ８　排ガスライン
Ｐ１０　燃料取入口
Ｐ２０　空気取入口
Ｐ３０　排ガス放出口
Ｇ１　炭化水素含有ガス（都市ガス１３Ａ）
Ｇ２　酸化剤含有ガス（空気）
Ｇ３　予混合ガス
Ｇ４　水素含有ガス（改質ガス）
Ｇ５　アノードオフガス
Ｇ６　カソードオフガス
Ｇ７　予混合ガス
Ｇ８　燃焼排ガス

  100 fuel cell system 200 fuel cell system 1 cell stack 1a anode 1b cathode 2 first heat exchanger (indirect heat exchanger)
21 First heat exchange core 22 First shell 211 Inlet pipe 212 Outlet pipe 221 Inlet pipe 222 Outlet pipe 3 Second heat exchanger 3a Indirect heat exchanger 3b Heating gas generator 31 Second heat exchange core 32 Second shell 33 Heating box 34 Planar heater (electric heater)
35 cartridge heater (electric heater)
36 pipe burner (gas burner)
37 combustion box 311 inlet pipe 312 outlet pipe 321 inlet pipe 322 outlet pipe 331 crater 332 spark plug 4 first premixer 5 second premixer 6 power conditioner 7 system controller 8 third heat exchanger 9 fourth heat exchanger Unit 11 1st blower 12 2nd blower 21 3rd blower 24 1st bypass valve 25 4th blower 26 2nd bypass valve 52 5th blower (recycling means)
L11 First fuel line L12 Second fuel line L21 First air line L22 Second air line L23 Third air line L24 Fourth air line L25 Fifth air line L26 Sixth air line L27 Seventh air line L3 First premixing Gas line L4 Reformed gas line L51 First anode off-gas line L52 Second anode off-gas line (recycling means)
L53 Third anode offgas line L54 Fourth anode offgas line L55 Fifth anode offgas line L6 Cathode offgas line L7 Second premixed gas line L8 Exhaust gas line P10 Fuel intake P20 Air intake P30 Exhaust gas outlet G1 Hydrocarbon-containing gas ( city gas 13A)
G2 Oxidant-containing gas (air)
G3 Premixed gas G4 Hydrogen-containing gas (reformed gas)
G5 Anode off-gas G6 Cathode off-gas G7 Premixed gas G8 Combustion exhaust gas

Claims (11)

  1. 　固体電解質、アノードおよびカソードからなる発電セルを複数集積して構成した固体酸化物形燃料電池のセルスタックと、
    　第１熱交換コアを有し、該第１熱交換コアの内部で第１の炭化水素含有ガスおよび／またはアノードオフガスを第１の酸化剤含有ガスと共に触媒反応させ、その反応熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスを加熱または冷却する第１熱交換器と、
    　第２熱交換コアを有し、該第２熱交換コアの内部で第２の炭化水素含有ガスおよび／またはアノードオフガスをカソードオフガスと共に触媒燃焼させ、その燃焼熱を伝熱利用して第２の酸化剤含有ガスを加熱する第２熱交換器と、
    　アノードオフガスを前記第１熱交換器に供給可能なリサイクル手段と、
    　前記セルスタックで発電した電力を変換するパワーコンディショナと、
    　システム動作を制御するシステムコントローラと、を備える
    ことを特徴とする燃料電池システム。     a cell stack of a solid oxide fuel cell configured by integrating a plurality of power generation cells each composed of a solid electrolyte, an anode, and a cathode;
    Having a first heat exchange core, in which a first hydrocarbon-containing gas and/or an anode off-gas is catalytically reacted with a first oxidant-containing gas inside the first heat exchange core, and the reaction heat is used for heat transfer a first heat exchanger that heats or cools the second oxidant-containing gas by
    It has a second heat exchange core, in which the second hydrocarbon-containing gas and/or the anode offgas is catalytically combusted together with the cathode offgas inside the second heat exchange core, and the combustion heat is used for heat transfer to the second heat exchange core. a second heat exchanger that heats the oxidant-containing gas;
    a recycling means capable of supplying the anode off-gas to the first heat exchanger;
    a power conditioner that converts power generated by the cell stack;
    and a system controller that controls system operation.
  2. 　前記第１熱交換器は、前記第１熱交換コアの伝熱面に部分酸化触媒が塗布された間接熱交換器として構成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。     2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the first heat exchanger is configured as an indirect heat exchanger in which a partial oxidation catalyst is applied to the heat transfer surface of the first heat exchange core.
  3. 　前記第２熱交換器は、前記第２熱交換コアの伝熱面に燃焼触媒が塗布された間接熱交換器と、冷態にある前記燃焼触媒を反応開始温度まで昇温可能な加熱用ガスを発生させる加熱用ガス発生器と、を含んで構成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。     The second heat exchanger comprises an indirect heat exchanger in which a combustion catalyst is applied to the heat transfer surface of the second heat exchange core, and a heating gas capable of raising the temperature of the cold combustion catalyst to a reaction start temperature. 2. The fuel cell system according to claim 1, comprising a heating gas generator that generates
  4. 　前記加熱用ガス発生器は、前記間接熱交換器の本体部または配管部に組み込まれた電気ヒータである
    ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。     4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the heating gas generator is an electric heater incorporated in the body or piping of the indirect heat exchanger.
  5. 　前記加熱用ガス発生器は、前記間接熱交換器の本体部または配管部に組み込まれたガスバーナである
    ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。     4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the heating gas generator is a gas burner incorporated in the body or piping of the indirect heat exchanger.
  6. 　前記間接熱交換器は、シェルアンドプレート型の熱交換器である
    ことを特徴とする請求項２～５のいずれかに記載の燃料電池システム。     6. The fuel cell system according to claim 2, wherein the indirect heat exchanger is a shell-and-plate heat exchanger.
  7. 　前記システムコントローラは、システムのスタートアップ運転において、
    　　前記第１熱交換器に第１の炭化水素含有ガスおよび第１の酸化剤含有ガスを供給して水素含有ガスを生成させつつ、この水素含有ガスを前記アノードに供給し、
    　　前記第１熱交換器の反応動作中、前記リサイクル手段を作動させ、
    　前記システムコントローラは、システムのシャットダウン運転において、
    　　前記第１熱交換器に第１の炭化水素含有ガスおよび第１の酸化剤含有ガスを供給して水素含有ガスを生成させつつ、この水素含有ガスを前記アノードに供給し、
    　　前記第１熱交換器の反応動作中、前記リサイクル手段を作動させる
    ことを特徴とする請求項１～６のいずれかに燃料電池システム。     The system controller, in the system startup operation,
    supplying a first hydrocarbon-containing gas and a first oxidant-containing gas to the first heat exchanger to generate a hydrogen-containing gas while supplying the hydrogen-containing gas to the anode;
    operating the recycling means during the reaction operation of the first heat exchanger;
    The system controller, in the system shutdown operation,
    supplying a first hydrocarbon-containing gas and a first oxidant-containing gas to the first heat exchanger to generate a hydrogen-containing gas while supplying the hydrogen-containing gas to the anode;
    7. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein said recycling means is operated during reaction operation of said first heat exchanger.
  8. 　前記システムコントローラは、システムのスタートアップ運転において、
    　　前記第１熱交換器の反応動作前、前記第２熱交換器で第２の炭化水素含有ガスを触媒燃焼させつつ、前記第２熱交換器に第２の酸化剤含有ガスを流通させ、
    　　前記第２熱交換器で加熱された第２の酸化剤含有ガスを前記第１熱交換器に流通させて触媒に燃焼熱の一部を付与し、
    　　前記第１熱交換器で冷却された第２の酸化剤含有ガスを前記カソードに供給する
    ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。     The system controller, in the system startup operation,
    Before the reaction operation of the first heat exchanger, while catalytically combusting the second hydrocarbon-containing gas in the second heat exchanger, circulate the second oxidant-containing gas through the second heat exchanger;
    circulating the second oxidant-containing gas heated by the second heat exchanger through the first heat exchanger to impart part of the combustion heat to the catalyst;
    8. The fuel cell system according to claim 7, wherein the second oxidant-containing gas cooled by the first heat exchanger is supplied to the cathode.
  9. 　前記システムコントローラは、システムのスタートアップ運転および／またはシャットダウン運転において、
    　　前記第１熱交換器の反応動作中、第２の酸化剤含有ガスを前記第１熱交換器に流通させて水素含有ガスの生成に伴う反応熱の一部を回収し、
    　　前記第１熱交換器で冷却された水素含有ガスを前記アノードに供給すると共に、前記第１熱交換器で加熱された第２の酸化剤含有ガスを前記カソードに供給する
    ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。     The system controller, during startup and/or shutdown operation of the system,
    During the reaction operation of the first heat exchanger, a second oxidant-containing gas is circulated through the first heat exchanger to recover part of the reaction heat associated with the generation of the hydrogen-containing gas,
    The hydrogen-containing gas cooled by the first heat exchanger is supplied to the anode, and the second oxidant-containing gas heated by the first heat exchanger is supplied to the cathode. Item 8. The fuel cell system according to item 7.
  10. 　前記第１熱交換器に流通させる第２の酸化剤含有ガスは、前記第２熱交換器に対して全部または一部をバイパスさせたガスである
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。     10. The fuel according to claim 9, wherein the second oxidant-containing gas circulated through the first heat exchanger is a gas that bypasses the second heat exchanger in whole or in part. battery system.
  11. 　前記システムコントローラは、システムの発電運転において、
    　　前記リサイクル手段を作動させつつ、前記第１熱交換器に第１の炭化水素含有ガスを供給し、
    　　前記セルスタックの掃引電流に応じて、ゼロを含む所要量の第１の酸化剤含有ガスを前記第１熱交換器に供給する
    ことを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の燃料電池システム。

          The system controller, in power generation operation of the system,
    supplying a first hydrocarbon-containing gas to the first heat exchanger while operating the recycling means;
    The fuel according to any one of claims 1 to 10, wherein a required amount of the first oxidant-containing gas including zero is supplied to the first heat exchanger according to the sweep current of the cell stack. battery system.
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