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JP2011009136A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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JP2011009136A
JP2011009136A JP2009153536A JP2009153536A JP2011009136A JP 2011009136 A JP2011009136 A JP 2011009136A JP 2009153536 A JP2009153536 A JP 2009153536A JP 2009153536 A JP2009153536 A JP 2009153536A JP 2011009136 A JP2011009136 A JP 2011009136A
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Japan
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water
fuel cell
water storage
storage tank
amount
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JP2009153536A
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Japanese (ja)
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Toshiharu Oe
俊春 大江
Kiyotaka Nakano
清隆 中野
Masayuki Kawamura
昌之 川村
Katsuhisa Tsuchiya
勝久 土屋
Tsukasa Shigesumi
司 重住
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toto Ltd
Original Assignee
Toto Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell (SOFC) capable of safely stopping operation, by moving to fail safe operation through steam reforming reaction (SR) operation, even during suspension of water supply.SOLUTION: The solid oxide fuel cell includes water storage tanks 26a, 26b for storing water to be fed to a reformer 20; water amount detecting means 136a, 136b, 136c, 136d; a water supply means 28 including a feed water means 152 which supplies water to the water tanks; and a control means 110. The control means includes a normal stopping operation mode stopping operation through the steam reforming reaction (SR) operation; and a first fail safe operation mode controlling feed water means 152, 154, 158 so that water exceeding the prescribed amount is stored in the water storage tanks when an abnormality arises on the feed water side of the water supply means, and moving to the fail safe operation which stops operation through the steam reforming reaction (SR) operation using the stored water.

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell that generates electric power by reacting fuel gas and air.

固体電解質型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。   A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, supplies fuel gas on one side, and supplies the other This is a fuel cell that operates at a relatively high temperature by supplying an oxidizing agent (air, oxygen, etc.) to the side.

このSOFCにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、SOFC外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、SOFC及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。   In this SOFC, water vapor or carbon dioxide is generated by the reaction between oxygen ions that have passed through the oxide ion conductive solid electrolyte and fuel, and electric energy and thermal energy are generated. Electric energy is taken out of the SOFC and used for various electrical applications. On the other hand, thermal energy is transmitted to fuel, SOFC, oxidant, etc., and used to increase their temperature.

ここで、従来の燃料電池の一つとして、外部から水補給を行わない、いわゆる水自立を可能とする燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池システムは、燃料電池の排ガス及び燃料改質装置の排ガスの中に含まれる水蒸気から水を回収する凝縮器と、この凝縮器によって得られた凝縮水を一旦溜める回収水タンクとを備え、この回収水タンク内の水を改質用の水蒸気として再利用することができるようになっている。
しかしながら、このような燃料電池システムでは、起動直後等の水自立が困難な状態において断水が生じたような場合には、凝縮器による凝縮水も十分に得られず、水自立を可能とすることが極めて難しいという問題がある。
Here, as one of conventional fuel cells, there is known a fuel cell system that enables so-called water independence without water replenishment from the outside (see, for example, Patent Document 1). The fuel cell system includes a condenser that recovers water from water vapor contained in the exhaust gas of the fuel cell and the exhaust gas of the fuel reformer, and a recovered water tank that temporarily stores the condensed water obtained by the condenser. The water in the recovered water tank can be reused as reforming steam.
However, in such a fuel cell system, when water breakage occurs in a state where water independence is difficult, such as immediately after startup, sufficient water condensed by the condenser cannot be obtained, and water independence is possible. There is a problem that is extremely difficult.

さらに、従来の燃料電池として、燃料電池で発生した熱を回収して貯湯槽に蓄熱する燃料電池発電システムについても知られている(例えば、特許文献2参照)。この燃料電池発電システムは、発電中に断水が発生した場合、発電運転を停止すると共に、貯湯槽の低温水が加熱されて無くなるまで貯湯水循環ポンプによって熱交換手段と貯湯槽との間で循環させることによって、燃料電池を急速冷却することができるようになっている。
しかしながら、このような燃料電池発電システムは、断水が起こると、貯湯槽の低温水も少なくなるため、冷却効果も低下してしまうという問題がある。また、この燃料電池発電システムは、発電運転を停止する際に水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させることで固体電解質型燃料電池のセル等に悪影響を与えることなく安定的にかつ安全に運転停止させるという技術の基本構成が根本的に異なっているものである。
Furthermore, as a conventional fuel cell, a fuel cell power generation system that collects heat generated in the fuel cell and stores it in a hot water storage tank is also known (see, for example, Patent Document 2). In the fuel cell power generation system, when water breakage occurs during power generation, the power generation operation is stopped and the hot water storage pump circulates between the heat exchange means and the hot water storage tank until the low temperature water in the hot water storage tank is heated and disappears. As a result, the fuel cell can be rapidly cooled.
However, such a fuel cell power generation system has a problem that, when water is cut off, low-temperature water in the hot water storage tank is reduced, and the cooling effect is also lowered. In addition, this fuel cell power generation system can be stably and without adversely affecting the cells of the solid oxide fuel cell by stopping the operation through the steam reforming reaction (SR) operation when stopping the power generation operation. The basic structure of the technology to stop operation safely is fundamentally different.

さらに、従来の燃料電池として、断水時に貯水タンクから水供給手段に水を継続的に供給することにより、発電を安定して継続的に行うことができる燃料電池装置についても知られている(例えば、特許文献3参照)。   Furthermore, as a conventional fuel cell, there is also known a fuel cell device capable of stably generating power continuously by supplying water from a water storage tank to a water supply means at the time of water outage (for example, And Patent Document 3).

特開2008−234869号公報JP 2008-234869 A 特開2008−152999号公報JP 2008-152999 A 特開2008−53209号公報JP 2008-53209 A

ここで、詳細は後述するが、従来の固体電解質型燃料電池(SOFC)においては、まず、起動時に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応(POX)運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応(SR)運転を行い、燃料電池モジュールによる発電運転を行う。
一方、この燃料電池モジュールの運転を停止する際には、燃料ガス及び水蒸気の改質器への供給量を減少させると同時に、発電用空気の燃料電池モジュール内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体及び改質器を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器への供給を停止し、改質器における水蒸気改質反応(SR)運転を終了して燃料電池モジュールの運転を停止する。
Here, as will be described in detail later, in a conventional solid oxide fuel cell (SOFC), first, at start-up, fuel gas and reforming air are supplied into the reformer to perform partial oxidation reforming reaction (POX). Next, fuel and water are supplied into the reformer to perform a steam reforming reaction (SR) operation, and a power generation operation by the fuel cell module is performed.
On the other hand, when stopping the operation of this fuel cell module, the supply amount of fuel gas and water vapor to the reformer is decreased, and at the same time, the supply amount of power generation air into the fuel cell module is increased, The fuel cell assembly and the reformer are cooled with air to lower their temperatures. Thereafter, when the temperature of the power generation chamber decreases to a predetermined temperature, the supply of fuel gas and steam to the reformer is stopped, the steam reforming reaction (SR) operation in the reformer is terminated, and the fuel cell module is operated. To stop.

しかしながら、このような固体電解質型燃料電池(SOFC)において、改質器への水の供給が瞬時停止された場合には、改質器における水蒸気改質反応(SR)運転が行うことができない状態となるため、高温状態で緊急停止が行われると、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けるという問題がある。
また、断水時にも水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転停止が可能となるためには、この水蒸気改質反応(SR)運転に要する水の量を常に一定量以上確保しておく工夫が必要であるが、上述した特許文献1〜3に記載された燃料電池を含め、従来の燃料電池には、このような工夫について何ら開示も示唆もされていない。
However, in such a solid oxide fuel cell (SOFC), when the supply of water to the reformer is stopped instantaneously, the steam reforming reaction (SR) operation in the reformer cannot be performed. Therefore, when an emergency stop is performed in a high temperature state, there is a problem that the fuel cell is oxidized and receives a large damage.
In addition, in order to be able to stop the operation through the steam reforming reaction (SR) operation even when the water is shut down, a device for always ensuring a certain amount or more of the water required for the steam reforming reaction (SR) operation. Although necessary, conventional fuel cells, including the fuel cells described in Patent Documents 1 to 3 described above, do not disclose or suggest such a device.

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、断水時でもフェールセーフ運転に移行して水蒸気改質反応(SR)運転を経て安全に運転停止を行うことができる固体電解質型燃料電池(SOFC)を提供することを目的としている。   Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and even in the event of a water outage, a transition to fail-safe operation is performed and the operation is safely stopped through a steam reforming reaction (SR) operation. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell (SOFC) that can be used.

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段であって、上記改質器に供給する水を貯水するための貯水タンク、この貯水タンク内の水量を検出する水量検出手段、及び、上記貯水タンクに水を供給する給水手段を備えた上記水供給手段と、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、起動時に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応(POX)運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応(SR)運転を行い、その後上記燃料電池セル集合体による発電運転を行う制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる通常停止運転モードと、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように上記給水手段を制御すると共に、この貯水された水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させる第1のフェールセーフ運転モードと、を備えていることを特徴としている。
このように構成された本発明においては、水自立が困難な状態(起動時等)において水供給手段の給水側の異常(断水等)が生じたとしても、制御手段が第1のフェールセーフ運転モードを実行し、水供給手段の貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように給水手段を制御すると共に、この貯水された水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させることができるため、水蒸気改質反応(SR)運転を経て安全に運転停止を行うことができる。また、断水時でもこの貯水された水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転によって安定した冷却状態を維持しながら運転を停止させることができるため、水の供給が瞬時停止して水蒸気改質反応(SR)運転を行えずに高温状態で緊急停止させることにより、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けるのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
To achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell that generates power by reacting fuel gas and air, and includes a fuel cell assembly including a plurality of solid electrolyte fuel cells. A reformer for steam reforming the fuel gas and supplying it to the fuel cell assembly; a fuel gas supply means for supplying the reformer with fuel gas; and generating pure water to the reformer A water supply means for supplying water, a water storage tank for storing water supplied to the reformer, a water amount detection means for detecting the amount of water in the water storage tank, and a water supply means for supplying water to the water storage tank The water supply means comprising: reforming air supply means for supplying reforming air to the reformer; power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly; and startup Sometimes, fuel gas and reforming air are supplied into the reformer. A partial oxidation reforming reaction (POX) operation is performed, then a fuel and water are supplied into the reformer, a steam reforming reaction (SR) operation is performed, and then a power generation operation by the fuel cell assembly is performed. Control means, and the control means has a normal stop operation mode in which the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation and a predetermined amount in the water storage tank when the water supply side of the water supply means is abnormal. The above-mentioned water supply means is controlled so that the above water is stored, and the operation is shifted to a fail-safe operation in which the operation is stopped through a steam reforming reaction (SR) operation using the stored water. And a first fail-safe operation mode.
In the present invention configured as described above, even if an abnormality on the water supply side of the water supply means (such as water outage) occurs in a state where water independence is difficult (such as during startup), the control means performs the first fail-safe operation. The water supply means is controlled so that a predetermined amount or more of water is stored in the water storage tank of the water supply means, and a steam reforming reaction (SR) using the stored water. Since the operation can be shifted to the fail-safe operation that stops the operation, the operation can be safely stopped through the steam reforming reaction (SR) operation. In addition, even when there is a water outage, the steam reforming (SR) operation using the stored water can stop the operation while maintaining a stable cooling state. By performing an emergency stop at a high temperature without performing the reaction (SR) operation, it is possible to prevent the fuel cell from being oxidized and receive a large damage, and to reliably prevent a decrease in the durability of the fuel cell.

上記制御手段は、更に、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは給水側の異常によって上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合に燃料ガスの供給を停止するように上記燃料ガス供給手段を制御してフェールセーフ運転へ移行させる第2のフェールセーフ運転モードを備え、上記第1のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記第2のフェールセーフ運転モードによる運転期間よりも長くなるように制御する。
このように構成された本発明においては、高い頻度で生ずる可能性のある断水等の給水異常に対して、第1のフェールセーフ運転モードによる運転が、貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは給水側の異常によって上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合に瞬時停止(緊急停止)を図る第2のフェールセーフ運転モードよりも長い期間行われるため、安定した冷却状態を維持しながらフェールセーフ運転を行うことができ、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
The control means is further configured such that when the water supply side of the water supply means is abnormal, a predetermined amount or more of water is not stored in the water storage tank, or a water supply side abnormality causes the water storage tank to exceed a predetermined amount. A second fail-safe operation mode in which the fuel gas supply means is controlled so as to stop the supply of the fuel gas when it is determined that water cannot be stored to shift to the fail-safe operation, and the first fail-safe operation is provided Control is performed so that the operation period in the mode is longer than the operation period in the second fail-safe operation mode.
In the present invention configured as described above, the operation in the first fail-safe operation mode is performed in response to water supply abnormality such as water interruption that may occur at a high frequency. For a period longer than the second fail-safe operation mode in which an instantaneous stop (emergency stop) is performed when it is determined that the water storage tank cannot store a predetermined amount or more of water due to an abnormality on the water supply side. Therefore, fail-safe operation can be performed while maintaining a stable cooling state, and it is possible to prevent the fuel cell from being oxidized and receive a great deal of damage, and to reliably reduce the durability of the fuel cell. Can be prevented.

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記通常停止運転モードによる運転期間よりも短くなるように制御する。
このように構成された本発明においては、制御手段が第1のフェールセーフ運転モードによる運転期間が通常停止運転モードによる運転期間よりも短くなるように制御しているため、断水等の給水異常時に備えて貯水タンクの容量を大きくすることなく、燃料電池セルにも酸化によるダメージを与えずに安定的に第1のフェールセーフ運転モードによってフェールセーフ運転へ移行させることができる。
In the present invention, preferably, the control means performs control so that an operation period in the first fail-safe operation mode is shorter than an operation period in the normal stop operation mode.
In the present invention configured as described above, the control means controls the operation period in the first fail-safe operation mode to be shorter than the operation period in the normal stop operation mode. The fuel tank can be stably shifted to the fail-safe operation by the first fail-safe operation mode without increasing the capacity of the water storage tank and without damaging the fuel cell due to oxidation.

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モード及び上記通常停止運転モードにおいて、燃料ガスの供給を維持した状態で水蒸気改質反応(SR)運転を行った後に運転を停止させるように上記燃料ガス供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、瞬時停止が必要な異常時には第2のフェールセーフ運転モードによってフェールセーフ運転へ移行させて燃料ガスの供給を瞬時停止させることができるが、断水等の給水異常時や通常停止時には、第1のフェールセーフ運転モードや通常停止運転モードによって、燃料ガスの供給を瞬時停止させることなく、燃料ガス供給手段による燃料供給を維持した状態でフェールセーフ運転へ移行させることができ、水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させることができる。したがって、断水等の給水異常時や通常停止時に、燃料ガスの供給が瞬時停止して水蒸気改質反応(SR)運転を行えずに高温状態で緊急停止し、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
In the present invention, preferably, the control means operates after performing a steam reforming reaction (SR) operation in a state in which the supply of fuel gas is maintained in the first fail-safe operation mode and the normal stop operation mode. The fuel gas supply means is controlled to stop the operation.
In the present invention configured as described above, when an abnormality requiring an instantaneous stop is required, the second fail-safe operation mode can be used to shift to the fail-safe operation to stop the supply of fuel gas instantaneously. At the time of abnormality or normal stop, the first fail-safe operation mode or the normal stop operation mode is used to shift to the fail-safe operation while maintaining the fuel supply by the fuel gas supply means without instantaneously stopping the fuel gas supply. The operation can be stopped through a steam reforming reaction (SR) operation. Therefore, when water supply is abnormal, such as when water is cut off, or during a normal stop, the fuel gas supply stops instantaneously, the steam reforming reaction (SR) operation cannot be performed, and an emergency stop occurs at a high temperature, causing the fuel cell to oxidize and cause significant damage. It is possible to prevent the deterioration of the durability of the fuel cell.

本発明において、好ましくは、上記水供給手段は、その貯水タンクが第1の貯水タンクと第2の貯水タンクとを備え、上記制御手段は、これらの第1の貯水タンクの貯水量と第2の貯水タンクの貯水量の合計量が所定量以上になるように上記給水手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第1の貯水タンクの貯水量と第2の貯水タンクの貯水量の合計量が所定量以上になるように水量を確保することにより、第1の貯水タンク及び第2の貯水タンクの水管理を一元化して簡易にすることができる。
In the present invention, preferably, the water supply means includes a first water storage tank and a second water storage tank, and the control means includes a first storage tank and a second storage amount. The water supply means is controlled so that the total amount of water stored in the water storage tank is equal to or greater than a predetermined amount.
In the present invention configured as described above, the first water storage volume is secured by securing the water volume so that the total volume of the water storage volume of the first water storage tank and the water storage volume of the second water storage tank is equal to or greater than a predetermined amount. Water management of the tank and the second water storage tank can be unified and simplified.

本発明において、好ましくは、上記水供給手段は、上記第1の貯水タンクが上記第2の貯水タンクの上流側に配置されると共に上記給水手段の下流側に配置され、上記制御手段は、上記第1の貯水タンクから上記第2の貯水タンクに上記給水手段による給水が行われた後、上記第1の貯水タンクが満水になるように上記給水手段による給水を制御する。
このように構成された本発明においては、第2の貯水タンクの上流側に配置された第1の貯水タンクが満水になるように給水手段による給水を行う簡単な制御により、給水異常時にも第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。
In the present invention, preferably, the water supply means is arranged such that the first water storage tank is disposed on the upstream side of the second water storage tank and on the downstream side of the water supply means. After water supply by the water supply means is performed from the first water storage tank to the second water storage tank, water supply by the water supply means is controlled so that the first water storage tank becomes full.
In the present invention configured as described above, the first storage tank disposed on the upstream side of the second storage tank is simply controlled to supply water by the water supply means so that the first storage tank is filled with water. The amount of water required for the steam reforming reaction (SR) operation in the 1 fail-safe operation mode can be reliably maintained.

本発明において、好ましくは、上記水供給手段は、その水量検出手段が上記第1の貯水タンクの所定の上限貯水量を検出する第1の水量検出手段と、上記第2の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出する第2の水量検出手段と、を備え、上記制御手段は、上記第2の水量検出手段が上記第2の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出したとき、上記第1の貯水タンクから上記第2の貯水タンクに給水が行われ、上記第1の貯水タンクの所定の上限貯水量まで給水が行われるように上記給水手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第2の水量検出手段が第2の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出したとき、第1の貯水タンクから第2の貯水タンクに給水が行われ、第1の貯水タンクが所定の上限貯水量(満水)になるように給水手段による給水を行う簡単な制御により、水供給手段の給水側の異常時にも第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。
In the present invention, preferably, the water supply means includes a first water amount detection means for detecting a predetermined upper limit water storage amount of the first water storage tank and a predetermined amount of the second water storage tank. Second water amount detection means for detecting a lower limit water storage amount, and the control means detects the first water amount when the second water amount detection means detects a predetermined lower limit water storage amount of the second water storage tank. The water supply means is controlled so that water is supplied from the water storage tank to the second water storage tank and water is supplied up to a predetermined upper limit water storage amount of the first water storage tank.
In the present invention configured as described above, when the second water amount detecting means detects the predetermined lower limit water storage amount of the second water storage tank, water is supplied from the first water storage tank to the second water storage tank. By the simple control of supplying water by the water supply means so that the first water storage tank has a predetermined upper limit water storage amount (full water), the water vapor correction in the first fail-safe operation mode can be performed even when the water supply side of the water supply means is abnormal. The amount of water required for quality reaction (SR) operation can be reliably maintained.

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転が上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転とは異なるように制御する。
このように構成された本発明においては、水供給手段の給水側の異常時に、通常停止運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転に必要な水量を貯蓄しておくことは大変であるが、第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転とは異なるように制御しているため、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐと共に、第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水量を節約することができる。
In the present invention, preferably, the control means is a steam reforming reaction (SR) operation in which the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first failsafe operation mode is performed in the normal stop operation mode. Control differently.
In the present invention configured as described above, it is difficult to store the amount of water necessary for the steam reforming reaction (SR) operation in the normal stop operation mode in the event of an abnormality on the water supply side of the water supply means. Since the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode is controlled differently from the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode, the fuel cell is oxidized. Thus, it is possible to prevent a large amount of water from being used and to save the amount of water used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode.

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させるように上記燃料ガス供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させることにより、燃料電池セルの温度低下が図られ、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転が開始されてから燃料ガスが消費されて停止するまでの時間を通常停止運転モードよりも短縮することができる。したがって、第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水量を節約することができる。
In the present invention, preferably, the control means uses the steam reforming performed in the normal stop operation mode to the amount of fuel gas used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first failsafe operation mode. The fuel gas supply means is controlled so as to be lower than the amount of fuel gas used for the reaction (SR) operation.
In the present invention configured as above, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of fuel gas is reformed in the normal stop operation mode. Since the temperature of the fuel cell is lowered by lowering the amount of fuel gas used in the reaction (SR) operation, the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode is started. The time until the fuel gas is consumed and stops can be shortened compared to the normal stop operation mode. Therefore, the amount of water used for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode can be saved.

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、更に、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水の量よりも低下させるように上記水供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させると共に、水の量も通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水の量よりも積極的に減らしているため、断水等の異常があっても貯水の備蓄量で安全に運転を停止させることができる。
In the present invention, preferably, the control means further controls the amount of water used for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first failsafe operation mode to the steam reforming performed in the normal stop operation mode. The water supply means is controlled so as to be lower than the amount of water used for quality reaction (SR) operation.
In the present invention configured as above, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of fuel gas is reformed in the normal stop operation mode. While reducing the amount of fuel gas used in the reaction (SR) operation, the amount of water is also actively reduced from the amount of water used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode. Therefore, even if there is an abnormality such as water outage, operation can be stopped safely with the amount of stored water.

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、更に、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる発電用空気の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる発電用空気の量よりも低下させるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させることにより、燃料電池セルの温度低下が図られるが、このような燃料電池セルの温度低下が急速に行われた場合には、セル自身にも影響を与えてしまうため、第1のフェールセーフ運転モードによるフェールセーフ運転へ移行させて水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、発電用空気の量を低下させることにより、燃料電池セルの温度低下を抑制し、セル自身への影響を緩和することができる。
In the present invention, preferably, the control means further performs the amount of power generation air used for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode in the normal stop operation mode. The power generation air supply means is controlled so as to be lower than the amount of power generation air used in the steam reforming reaction (SR) operation.
In the present invention configured as above, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of fuel gas is reformed in the normal stop operation mode. The temperature of the fuel cell is lowered by lowering the amount of the fuel gas used for the reaction (SR) operation. If the temperature of the fuel cell is rapidly reduced, the cell Since it also affects itself, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation by shifting to the fail safe operation in the first fail safe operation mode, the amount of power generation air is reduced. Thereby, the temperature fall of a fuel cell can be suppressed and the influence on cell itself can be relieved.

本発明の固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、断水時でもフェールセーフ運転に移行して水蒸気改質反応(SR)運転を経て安全に運転停止を行うことができる。   According to the solid oxide fuel cell (SOFC) of the present invention, the operation can be safely stopped through the steam reforming reaction (SR) operation by shifting to the fail-safe operation even when the water is shut off.

本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。1 is a front sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention. 図2のIII-III線に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。1 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of starting of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常停止運転モードによる通常停止運転時の動作を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation | movement at the time of the normal stop driving | operation by the normal stop operation mode of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の水流量調整ユニットを示す概略図である。It is the schematic which shows the water flow volume adjustment unit of the solid oxide fuel cell (SOFC) by one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に燃料流量、水流量、及び、発電用空気流量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing control contents for controlling a fuel flow rate, a water flow rate, and a power generation air flow rate when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention is operated in a fail-safe operation mode. . 本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に第1の貯水タンク及び第2の貯水タンクのそれぞれの貯水量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。The control contents for controlling the respective water storage amounts of the first water storage tank and the second water storage tank when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the embodiment of the present invention is operated in the fail-safe operation mode. It is a flowchart to show.

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を説明する。
図1は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材(図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。)を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体12が配置されている。この燃料電池セル集合体12は、10個の燃料電池セルスタック14(図5参照)を備え、この燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16(図4参照)から構成されている。このように、燃料電池セル集合体12は、160本の燃料電池セルユニット16を有し、これらの燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a sealed space 8 is formed inside the housing 6 via a heat insulating material (not shown, but the heat insulating material is not an essential component and may not be necessary). Is formed. In addition, you may make it not provide a heat insulating material. A fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 that is a lower portion of the sealed space 8. The fuel cell assembly 12 includes ten fuel cell stacks 14 (see FIG. 5), and the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell unit 16 (see FIG. 4). Yes. Thus, the fuel cell assembly 12 has 160 fuel cell units 16, and all of these fuel cell units 16 are connected in series.

燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
A combustion chamber 18 is formed above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the fuel cell module 2. In this combustion chamber 18, the remaining fuel gas that has not been used for the power generation reaction and the remaining oxidant (air) ) And combusted to generate exhaust gas.
Further, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed above the combustion chamber 18, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction can be performed by the combustion heat of the residual gas. ing. Further, an air heat exchanger 22 for receiving combustion heat and heating air is disposed above the reformer 20.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水する第1の貯水タンク26aと、この第1の貯水タンク26aから供給される水をフィルターにより純水とする第2の貯水タンク(純水タンク)26bとを含む水流量調整ユニット28(詳細は後述する)を備え、この水流量調整ユニット28がこの第2の貯水タンク(純水タンク)26bから供給される純水の流量を調整して改質器20に純水を供給するようになっている。
また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。
さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
Next, the auxiliary unit 4 includes a first water storage tank 26a for storing water from a water supply source 24 such as a water supply, and water supplied from the first water storage tank 26a as pure water using a filter. And a water flow rate adjustment unit 28 including two water storage tanks (pure water tanks) 26b (details will be described later). The water flow rate adjustment unit 28 is supplied from the second water storage tank (pure water tank) 26b. The pure water is supplied to the reformer 20 by adjusting the flow rate of the pure water.
The auxiliary unit 4 also includes a gas shut-off valve 32 that shuts off the fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow rate adjusting unit 38 (such as a “fuel pump” driven by a motor) is provided.
Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 that shuts off air that is an oxidant supplied from the air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 that adjusts the flow rate of air, and a power generation air flow rate adjusting unit. 45 (such as an “air blower” driven by a motor), a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second for heating the power generating air supplied to the power generation chamber And a heater 48. The first heater 46 and the second heater 48 are provided in order to efficiently raise the temperature at startup, but may be omitted.

次に、燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Next, a hot water production apparatus 50 to which exhaust gas is supplied is connected to the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water from the water supply source 24, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
The fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the amount of fuel gas supplied and the like.
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module to the outside.

次に、図2及び図3により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図2は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図3は、図2のIII-III線に沿って断面図である。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
Next, the internal structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, in the sealed space 8 in the housing 6 of the fuel cell module 2, as described above, the fuel cell assembly 12, the reformer 20, and the air heat exchange are sequentially performed from below. A vessel 22 is arranged.

改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bを形成され、改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気(純水)が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。   The reformer 20 is provided with a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water and a reformed gas introduction pipe 62 for introducing reformed fuel gas and reforming air to the upstream end side thereof. In addition, in the reformer 20, an evaporation unit 20a and a reforming unit 20b are formed in order from the upstream side, and the reforming unit 20b is filled with a reforming catalyst. The fuel gas and air mixed with the steam (pure water) introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20. As the reforming catalyst, a catalyst obtained by imparting nickel to the alumina sphere surface or a catalyst obtained by imparting ruthenium to the alumina sphere surface is appropriately used.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end side of the reformer 20, and the fuel gas supply pipe 64 extends downward and further in an manifold 66 formed below the fuel cell assembly 12. It extends horizontally. A plurality of fuel supply holes 64 b are formed in the lower surface of the horizontal portion 64 a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64 b.

このマニホールド66の上方には、上述した燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット16内に供給される。   A lower support plate 68 having a through hole for supporting the fuel cell stack 14 described above is attached above the manifold 66, and the fuel gas in the manifold 66 flows into the fuel cell unit 16. Supplied.

次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図3に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。   Next, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The air heat exchanger 22 includes an air aggregation chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side. The air aggregation chamber 70 and the air distribution chamber 72 include six air flow path tubes 74. Connected by. Here, as shown in FIG. 3, three air flow path pipes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is in each set. It flows into each air distribution chamber 72 from the air flow path pipe 74.

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
The air flowing through the six air flow path pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by exhaust gas that burns and rises in the combustion chamber 18.
An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72, the air introduction pipe 76 extends downward, and the lower end side communicates with the lower space of the power generation chamber 10, and the air that has been preheated in the power generation chamber 10. Is introduced.

次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図3に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図1に示す上述した温水製造装置50に接続されている。
図2に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
Next, an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. Further, as shown in FIG. 3, an exhaust gas passage 80 extending in the vertical direction is formed inside the front surface 6 a and the rear surface 6 b which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end side of the exhaust gas passage 80 is formed. Is in communication with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side is in communication with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas discharge pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and the downstream end of the exhaust gas discharge pipe 82 is connected to the above-described hot water producing apparatus 50 shown in FIG.
As shown in FIG. 2, an ignition device 83 for starting combustion of fuel gas and air is provided in the combustion chamber 18.

次に図4により燃料電池セルユニット16について説明する。図4は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
Next, the fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing a fuel cell unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 respectively connected to the vertical ends of the fuel cell 84.
The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and includes a cylindrical inner electrode layer 90 that forms a fuel gas flow path 88 therein, a cylindrical outer electrode layer 92, an inner electrode layer 90, and an outer side. An electrolyte layer 94 is provided between the electrode layer 92 and the electrode layer 92. The inner electrode layer 90 is a fuel electrode through which fuel gas passes and becomes a (−) electrode, while the outer electrode layer 92 is an air electrode in contact with air and becomes a (+) electrode.

燃料電池セル16の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、電解質層94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。   Since the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 16 has the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90 a of the inner electrode layer 90 includes an outer peripheral surface 90 b and an upper end surface 90 c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode layer 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 through a conductive sealing material 96, and is further in direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90, thereby Electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86.

内側電極層90は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。   The inner electrode layer 90 includes, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y, and Sc, and Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. The mixture is formed of at least one of Ni and a mixture of lanthanum garade doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe, and Cu.

電解質層94は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。   The electrolyte layer 94 is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, Formed from at least one of the following.

外側電極層92は、例えば、Sr、Caから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Sr、Co、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Sr、Fe、Ni、Cuから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。   The outer electrode layer 92 includes, for example, lanthanum manganite doped with at least one selected from Sr and Ca, lanthanum ferrite doped with at least one selected from Sr, Co, Ni and Cu, Sr, Fe, Ni and Cu. It is formed from at least one of lanthanum cobaltite doped with at least one selected from the group consisting of silver and silver.

次に図5により燃料電池セルスタック14について説明する。図5は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図5に示すように、燃料電池セルスタック14は、16本の燃料電池セルユニット16を備え、これらの燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。
Next, the fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a perspective view showing a fuel cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5, the fuel cell stack 14 includes 16 fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these fuel cell units 16 are a ceramic lower support plate 68 and an upper side, respectively. It is supported by the support plate 100. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 are formed with through holes 68a and 100a through which the inner electrode terminal 86 can pass.

さらに、燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。   Furthermore, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the fuel cell unit 16. The current collector 102 includes a fuel electrode connection portion 102a that is electrically connected to an inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 that is a fuel electrode, and an entire outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 that is an air electrode. And an air electrode connecting portion 102b electrically connected to each other. The air electrode connecting portion 102b is formed of a vertical portion 102c extending in the vertical direction on the surface of the outer electrode layer 92 and a plurality of horizontal portions 102d extending in a horizontal direction along the surface of the outer electrode layer 92 from the vertical portion 102c. Has been. The fuel electrode connection portion 102a is linearly directed obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connection portion 102b toward the inner electrode terminal 86 positioned in the vertical direction of the fuel cell unit 16. It extends.

さらに、燃料電池セルスタック14の端(図5では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する燃料電池セルスタック14の端にある燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Further, the inner electrode terminals 86 at the upper end and the lower end of the two fuel cell units 16 located at the ends of the fuel cell stack 14 (the far left side and the near side in FIG. 5) are external terminals, respectively. 104 is connected. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 (not shown) of the fuel cell unit 16 at the end of the adjacent fuel cell stack 14, and as described above, the 160 fuel cell units 16 Everything is connected in series.

次に図6により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)に取り付けられたセンサ類等について説明する。図6は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示すブロック図である。
図6に示すように、固体電解質型燃料電池1は、制御部110を備え、この制御部110には、使用者が操作するための「ON」や「OFF」等の操作ボタンを備えた操作装置112、発電出力値(ワット数)等の種々のデータを表示するための表示装置114、及び、異常状態のとき等に警報(ワーニング)を発する報知装置116が接続されている。なお、この報知装置116は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
Next, sensors and the like attached to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a block diagram illustrating a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 6, the solid oxide fuel cell 1 includes a control unit 110, and the control unit 110 includes operation buttons such as “ON” and “OFF” for operation by the user. A device 112, a display device 114 for displaying various data such as a power generation output value (wattage), and a notification device 116 for issuing an alarm (warning) in an abnormal state are connected. The notification device 116 may be connected to a remote management center and notify the management center of an abnormal state.

次に、制御部110には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ120は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4に取り付けられている。
CO検出センサ122は、本来排気ガス通路80等を経て外部に排出される排気ガス中のCOが、燃料電池モジュール2及び補機ユニット4を覆う外部ハウジング(図示せず)へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ124は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
Next, signals from various sensors described below are input to the control unit 110.
First, the combustible gas detection sensor 120 is for detecting a gas leak, and is attached to the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4.
The CO detection sensor 122 detects whether or not CO in the exhaust gas originally discharged to the outside through the exhaust gas passage 80 or the like leaks to an external housing (not shown) that covers the fuel cell module 2 and the auxiliary unit 4. Is to do.
The hot water storage state detection sensor 124 is for detecting the temperature and amount of hot water in a water heater (not shown).

電力状態検出センサ126は、インバータ54及び分電盤(図示せず)の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ128は、発電室10に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ130は、改質器20に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ132は、改質器20に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
The power state detection sensor 126 is for detecting the current and voltage of the inverter 54 and the distribution board (not shown).
The power generation air flow rate detection sensor 128 is for detecting the flow rate of power generation air supplied to the power generation chamber 10.
The reforming air flow sensor 130 is for detecting the flow rate of the reforming air supplied to the reformer 20.
The fuel flow sensor 132 is for detecting the flow rate of the fuel gas supplied to the reformer 20.

水流量センサ134は、改質器20に供給される純水(水蒸気)の流量を検出するためのものである。
水位センサ136(詳細は後述する)は、第1の貯水タンク26aと第2の貯水タンク(純水タンク)26bのそれぞれの水位を検出するためのものである。
圧力センサ138は、改質器20の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ140は、温水製造装置50に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
The water flow rate sensor 134 is for detecting the flow rate of pure water (steam) supplied to the reformer 20.
The water level sensor 136 (details will be described later) is for detecting the respective water levels of the first water storage tank 26a and the second water storage tank (pure water tank) 26b.
The pressure sensor 138 is for detecting the pressure on the upstream side outside the reformer 20.
The exhaust temperature sensor 140 is for detecting the temperature of the exhaust gas flowing into the hot water production apparatus 50.

発電室温度センサ142は、図3に示すように、燃料電池セル集合体12の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック14の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック14(即ち燃料電池セル84自体)の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ144は、燃焼室18の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ146は、排気ガス室78の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ148は、改質器20の温度を検出するためのものであり、改質器20の入口温度と出口温度から改質器20の温度を算出する。
外気温度センサ150は、固体電解質型燃料電池(SOFC)が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
As shown in FIG. 3, the power generation chamber temperature sensor 142 is provided on the front side and the back side in the vicinity of the fuel cell assembly 12, and detects the temperature in the vicinity of the fuel cell stack 14 to thereby detect the fuel cell stack. 14 (ie, the fuel cell 84 itself) is estimated.
The combustion chamber temperature sensor 144 is for detecting the temperature of the combustion chamber 18.
The exhaust gas chamber temperature sensor 146 is for detecting the temperature of the exhaust gas in the exhaust gas chamber 78.
The reformer temperature sensor 148 is for detecting the temperature of the reformer 20, and calculates the temperature of the reformer 20 from the inlet temperature and the outlet temperature of the reformer 20.
The outside air temperature sensor 150 is for detecting the temperature of the outside air when the solid oxide fuel cell (SOFC) is disposed outdoors. Further, a sensor for measuring the humidity or the like of the outside air may be provided.

これらのセンサ類からの信号は、制御部110に送られ、制御部110は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38、改質用空気流量調整ユニット44、発電用空気流量調整ユニット45に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット110は、インバータ54に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
Signals from these sensors are sent to the control unit 110, and the control unit 110, based on data based on these signals, the water flow rate adjustment unit 28, the fuel flow rate adjustment unit 38, the reforming air flow rate adjustment unit 44, A control signal is sent to the power generation air flow rate adjusting unit 45 to control each flow rate in these units.
Further, the control unit 110 sends a control signal to the inverter 54 to control the power supply amount.

次に図7により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)による起動時の動作を説明する。図7は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール2を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール2を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール2は発電を行わない。
Next, the operation at the time of start-up by the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a time chart showing the operation at the time of startup of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to one embodiment of the present invention.
Initially, in order to warm the fuel cell module 2, the operation is started in a no-load state, that is, in a state where a circuit including the fuel cell module 2 is opened. At this time, since no current flows through the circuit, the fuel cell module 2 does not generate power.

先ず、改質用空気流量調整ユニット44から改質用空気を第1ヒータ46を経由して燃料電池モジュール2の改質器20へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット45から発電用空気を第2ヒータ48を経由して燃料電池モジュール2の空気用熱交換器22へ供給し、この発電用空気が、発電室10及び燃焼室18に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット38からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器20及び燃料電池セルスタック14、燃料電池セルユニット16を通過して、燃焼室18に到達する。
First, reforming air is supplied from the reforming air flow rate adjustment unit 44 to the reformer 20 of the fuel cell module 2 via the first heater 46. At the same time, the power generation air is supplied from the power generation air flow rate adjustment unit 45 to the air heat exchanger 22 of the fuel cell module 2 via the second heater 48, and this power generation air is supplied to the power generation chamber 10 and the combustion chamber. Reach chamber 18.
Immediately after this, the fuel gas is also supplied from the fuel flow rate adjustment unit 38, and the fuel gas mixed with the reforming air passes through the reformer 20, the fuel cell stack 14, and the fuel cell unit 16, and It reaches the combustion chamber 18.

次に、点火装置83により着火して、燃焼室18にある燃料ガスと空気(改質用空気及び発電用空気)とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室10が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール2の密封空間8内を上昇する際、改質器20内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器22内の発電用空気も暖める。   Next, the ignition device 83 is ignited to burn the fuel gas and air (reforming air and power generation air) in the combustion chamber 18. Exhaust gas is generated by the combustion of the fuel gas and air, the power generation chamber 10 is warmed by the exhaust gas, and when the exhaust gas rises in the sealed space 8 of the fuel cell module 2, The fuel gas containing the reforming air is warmed, and the power generation air in the air heat exchanger 22 is also warmed.

このとき、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器20に供給されているので、改質器20において、式(1)に示す部分酸化改質反応POXが進行する。この部分酸化改質反応POXは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管64により燃料電池セルスタック14の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック14が下方から加熱され、また、燃焼室18も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック14は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック14は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応POXが進行しても、燃焼室18では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。   At this time, the fuel gas mixed with the reforming air is supplied to the reformer 20 by the fuel flow rate adjusting unit 38 and the reforming air flow rate adjusting unit 44. The partial oxidation reforming reaction POX shown in FIG. Since the partial oxidation reforming reaction POX is an exothermic reaction, the startability is good. Further, the heated fuel gas is supplied to the lower side of the fuel cell stack 14 through the fuel gas supply pipe 64, whereby the fuel cell stack 14 is heated from below, and the combustion chamber 18 also has the fuel gas and air. The fuel cell stack 14 is also heated from above, and as a result, the fuel cell stack 14 can be heated substantially uniformly in the vertical direction. Even if the partial oxidation reforming reaction POX proceeds, the combustion reaction between the fuel gas and air continues in the combustion chamber 18.

mn+xO2 → aCO2+bCO+cH2 (1) C m H n + xO 2 → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)

部分酸化改質反応POXの開始後、改質器温度センサ148により改質器20が所定温度(例えば、600℃)になったことを検知したとき、水流量調整ユニット28、燃料流量調整ユニット38及び改質用空気流量調整ユニット44により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器20に供給する。このとき、改質器20においては、上述した部分酸化改質反応POXと後述する水蒸気改質反応SRとが併用されたオートサーマル改質反応ATRが進行する。このオートサーマル改質反応ATRは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器20内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素(空気)が多い場合には部分酸化改質反応POXによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応SRによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室10内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ATRが進行中も、燃焼室18では燃焼反応が継続して行われている。   When the reformer temperature sensor 148 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 600 ° C.) after the partial oxidation reforming reaction POX is started, the water flow rate adjustment unit 28 and the fuel flow rate adjustment unit 38 are detected. The reforming air flow rate adjusting unit 44 supplies the reformer 20 with a gas in which fuel gas, reforming air, and steam are mixed in advance. At this time, in the reformer 20, an autothermal reforming reaction ATR in which the partial oxidation reforming reaction POX described above and a steam reforming reaction SR described later are used together proceeds. Since the autothermal reforming reaction ATR is thermally balanced internally, the reaction proceeds in the reformer 20 in a thermally independent state. That is, when oxygen (air) is large, heat generation by the partial oxidation reforming reaction POX is dominant, and when there is much steam, an endothermic reaction by the steam reforming reaction SR is dominant. At this stage, the initial stage of startup has already passed, and the temperature inside the power generation chamber 10 has been raised to a certain temperature. Therefore, even if the endothermic reaction is dominant, no significant temperature drop is caused. Further, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18 even while the autothermal reforming reaction ATR is in progress.

式(2)に示すオートサーマル改質反応ATRの開始後、改質器温度センサ146により改質器20が所定温度(例えば、700℃)になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット44による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット28による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器20には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器20において、式(3)の水蒸気改質反応SRが進行する。   When the reformer temperature sensor 146 detects that the reformer 20 has reached a predetermined temperature (for example, 700 ° C.) after the start of the autothermal reforming reaction ATR shown in Formula (2), the reforming air flow rate The supply of reforming air by the adjustment unit 44 is stopped, and the supply of water vapor by the water flow rate adjustment unit 28 is increased. As a result, the reformer 20 is supplied with a gas that does not contain air and contains only fuel gas and water vapor, and the steam reforming reaction SR of formula (3) proceeds in the reformer 20.

mn+xO2+yH2O → aCO2+bCO+cH2 (2)
mn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (3)
C m H n + xO 2 + yH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (2)
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (3)

この水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるので、燃焼室18からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール2の起動の最終段階であるため、発電室10内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室10が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応SRが進行しても、燃焼室18では継続して燃焼反応が進行する。   Since the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the reaction proceeds while maintaining a heat balance with the combustion heat from the combustion chamber 18. At this stage, since the fuel cell module 2 is in the final stage of start-up, the power generation chamber 10 is heated to a sufficiently high temperature. Therefore, even if the endothermic reaction proceeds, the power generation chamber 10 is greatly reduced in temperature. There is nothing. Even if the steam reforming reaction SR proceeds, the combustion reaction continues in the combustion chamber 18.

このようにして、燃料電池モジュール2は、点火装置83により点火した後、部分酸化改質反応POX、オートサーマル改質反応ATR、水蒸気改質反応SRが、順次進行することにより、発電室10内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室10内及び燃料電池セル84の温度が燃料電池モジュール2を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール2を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール2による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。燃料電池モジュール2の発電により、燃料電池セル84自体も発熱し、燃料電池セル84の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール2を作動させる定格温度、例えば、600℃〜800℃になる。   In this way, after the fuel cell module 2 is ignited by the ignition device 83, the partial oxidation reforming reaction POX, the autothermal reforming reaction ATR, and the steam reforming reaction SR proceed in sequence, so that the inside of the power generation chamber 10 The temperature gradually increases. Next, when the temperature in the power generation chamber 10 and the fuel cell 84 reaches a predetermined power generation temperature lower than the rated temperature at which the fuel cell module 2 is stably operated, the circuit including the fuel cell module 2 is closed, and the fuel cell Power generation by the module 2 is started, so that a current flows in the circuit. Due to the power generation of the fuel cell module 2, the fuel cell 84 itself also generates heat, and the temperature of the fuel cell 84 also rises. As a result, the rated temperature at which the fuel cell module 2 is operated becomes, for example, 600 ° C. to 800 ° C.

この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル84で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室18での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応SRで発電が進行する。   Thereafter, in order to maintain the rated temperature, more fuel gas and air than the amount of fuel gas and air consumed in the fuel cell 84 are supplied, and combustion in the combustion chamber 18 is continued. During power generation, power generation proceeds in a steam reforming reaction SR with high reforming efficiency.

次に、図8により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常停止運転モードによる通常停止運転時の動作を説明する。図8は、本実施形態により固体電解質型燃料電池(SOFC)の通常停止運転モードによる通常停止運転時の動作を示すタイムチャートである。
図8に示すように、燃料電池モジュール2の運転停止を行う場合には、先ず、制御部110が通常停止運転モードを選択し、燃料流量調整ユニット38及び水流量調整ユニット28を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させる。
Next, the operation during the normal stop operation in the normal stop operation mode of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a time chart showing the operation during the normal stop operation in the normal stop operation mode of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment.
As shown in FIG. 8, when the operation of the fuel cell module 2 is stopped, first, the control unit 110 selects the normal stop operation mode, operates the fuel flow rate adjustment unit 38 and the water flow rate adjustment unit 28, The amount of fuel gas and steam supplied to the reformer 20 is reduced.

また、通常停止運転モードによる燃料電池モジュール2の通常停止運転を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給量を減少させると同時に、発電用空気流量調整ユニット45による発電用空気の燃料電池モジュール2内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体12及び改質器20を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後(例えば、通常停止運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転が開始されてから5時間後)、発電室の温度が所定温度、例えば、400℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器20への供給を停止し、改質器20の水蒸気改質反応(SR)運転が終了することにより、通常停止運転モードによる運転期間が終了する。また、発電用空気の供給は、通常停止運転モードによる運転期間が終了後においても改質器20の温度(発電室の温度でも可)が所定温度、例えば、200℃に低下するまで継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット45からの発電用空気の供給を停止する。   Further, when performing the normal stop operation of the fuel cell module 2 in the normal stop operation mode, the supply amount of the fuel gas and the steam to the reformer 20 is reduced, and at the same time, the power generation air flow rate adjustment unit 45 performs the power generation. The supply amount of air into the fuel cell module 2 is increased, the fuel cell assembly 12 and the reformer 20 are cooled by air, and these temperatures are lowered. Thereafter (for example, 5 hours after the start of the steam reforming reaction (SR) operation in the normal stop operation mode), when the temperature of the power generation chamber drops to a predetermined temperature, for example, 400 ° C., the fuel gas and the steam are improved. When the supply to the mass device 20 is stopped and the steam reforming reaction (SR) operation of the reformer 20 is ended, the operation period in the normal stop operation mode is ended. In addition, the supply of power generation air continues until the temperature of the reformer 20 (or the temperature of the power generation chamber) is lowered to a predetermined temperature, for example, 200 ° C., even after the operation period in the normal stop operation mode ends. When the predetermined temperature is reached, the supply of power generation air from the power generation air flow rate adjustment unit 45 is stopped.

一方、水道等の水供給源24から水流量調整ユニット28に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となった場合には、以下に詳細に説明する、通常停止運転モードによる運転とは異なる運転(以下「フェールセーフ運転モードによる運転」)を行う。   On the other hand, when the supply of water supplied from the water supply source 24 such as a water supply to the water flow rate adjustment unit 28 falls below a predetermined amount of water, or when no water is supplied and a so-called water outage state occurs, An operation different from the operation in the normal stop operation mode (hereinafter referred to as “operation in the fail-safe operation mode”) described in detail is performed.

つぎに、図9により、上述した本実施形態による水流量調整ユニット28について詳細に説明する。図9は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)の水流量調整ユニットを示す概略図である。
図9に示すように、純水を生成して改質器20に供給する水供給手段である水流量調整ユニット28は、上流側から順に、水供給源24からの水道水の流量を調整する流量調整弁152と、水供給源24からの水道水を一時的に貯蔵する第1の貯水タンク26aと、この第1の貯水タンク26a内の水を供給するポンプ154と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのRO膜(逆浸透膜)156と、生成された純水を一時的に貯蔵する第2の貯水タンク(純水タンク)26bと、この純水を燃料電池モジュール2の改質器20にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ158とを備えている。
また、熱交換器160や、水及び純水が凍結するのを防止するためのヒーター162も備えている。
Next, the water flow rate adjusting unit 28 according to this embodiment described above will be described in detail with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing a water flow rate adjustment unit of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 9, the water flow rate adjustment unit 28 that is a water supply unit that generates pure water and supplies it to the reformer 20 adjusts the flow rate of tap water from the water supply source 24 in order from the upstream side. A flow rate adjusting valve 152, a first water storage tank 26a for temporarily storing tap water from the water supply source 24, a pump 154 for supplying water in the first water storage tank 26a, and the supplied water RO membrane (reverse osmosis membrane) 156 for producing pure water by purifying water, a second water storage tank (pure water tank) 26b for temporarily storing the produced pure water, and this pure water as fuel A pulse pump 158 that intermittently supplies the reformer 20 of the battery module 2 by pulse control is provided.
Further, a heat exchanger 160 and a heater 162 for preventing water and pure water from freezing are also provided.

さらに、第1の貯水タンク26aは、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ136a,136bをそれぞれ備え、各水位センサ136a,136bがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量(例えば、第1の貯水タンク26aの満水量等)を検出することができるようになっている。
なお、第1の貯水タンク26aの貯水量については、少なくとも満水時の貯水量を検出することができればよく、第1の貯水タンク26aの所定の下限水位を検出する水位センサ136bについては、省略してもよい。
同様に、第2の貯水タンク26bについても、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ136c,136dをそれぞれ備え、各水位センサ136c,136dがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量(例えば、第2の貯水タンク26bの下限貯水量等)を検出することができるようになっている。
なお、第2の貯水タンク26bの貯水量については、少なくとも下限の貯水量を検出することができればよく、第2の貯水タンク26bの所定の上限水位を検出する水位センサ136cについては、省略してもよい。
Further, the first water storage tank 26a includes water level sensors 136a and 136b for detecting the predetermined upper limit water level and the lower limit water level, respectively, and the water level sensors 136a and 136b detect the respective water levels. Can be detected (for example, the full water amount of the first water storage tank 26a, etc.).
The water storage amount of the first water storage tank 26a only needs to be able to detect at least the water storage amount when the water is full, and the water level sensor 136b that detects the predetermined lower limit water level of the first water storage tank 26a is omitted. May be.
Similarly, the second water storage tank 26b also includes water level sensors 136c and 136d that respectively detect the predetermined upper limit water level and lower limit water level, and these water level sensors 136c and 136d detect the respective water levels, thereby The water storage amount corresponding to the water level (for example, the lower limit water storage amount of the second water storage tank 26b, etc.) can be detected.
The water storage amount of the second water storage tank 26b only needs to be able to detect at least the lower limit water storage amount, and the water level sensor 136c that detects the predetermined upper water level of the second water storage tank 26b is omitted. Also good.

つぎに、図10及び図11により本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)のフェールセーフ運転モードによる運転を行うための制御内容を説明する。図10は、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に燃料流量、水流量、及び、発電用空気流量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。図11は、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に第1の貯水タンク及び第2の貯水タンクのそれぞれの貯水量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。なお、図10及び図11において、Sは各ステップを示している。   Next, the contents of control for performing the operation in the fail-safe operation mode of the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a flowchart showing the control contents for controlling the fuel flow rate, the water flow rate, and the power generation air flow rate when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is operated in the fail-safe operation mode. is there. FIG. 11 shows the control contents for controlling the respective water storage amounts of the first water storage tank and the second water storage tank when the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment is operated in the fail-safe operation mode. It is a flowchart which shows. 10 and 11, S indicates each step.

まず、図10に示すように、S1において、水道等の水供給源24から水流量調整ユニット28に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きているか否かを判定する。水の供給に異常が起きていると判定した場合には、S2に進み、制御部110が第1のフェールセーフ運転モードを選択する。
つぎに、S3において、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの両貯水量の合計量が所定量以上(例えば、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの少なくともいずれか一方が満水となる水量以上)であるか否かを判定する。そして、両貯水タンク26a,26bの両貯水量の合計量が所定量以上であれば、S4に進む。
First, as shown in FIG. 10, in S1, the supply of water supplied from the water supply source 24 such as a water supply to the water flow rate adjustment unit 28 falls below a predetermined amount of water, or no water is supplied, so-called water cutoff. It is determined whether or not an abnormality has occurred in the water supply such as being in a state. If it is determined that there is an abnormality in the water supply, the process proceeds to S2, and the control unit 110 selects the first fail-safe operation mode.
Next, in S3, the total amount of both the water storage amounts of the first water storage tank 26a and the second water storage tank (pure water tank) 26b is a predetermined amount or more (for example, the first water storage tank 26a and the second water storage tank). It is determined whether or not at least one of the (pure water tank) 26b is equal to or greater than the amount of water that is full. And if the total amount of both the water storage amount of both the water storage tanks 26a and 26b is more than predetermined amount, it will progress to S4.

つぎに、S4においては、制御部110が、第1のフェールセーフ運転モードにおいて行われる水蒸気改質反応(SR)運転で用いられる燃料ガスの流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応(SR)運転で用いられる燃料ガスの流量の30%減量した値に設定するように燃料流量調整ユニット38を制御する。
同時に、第1のフェールセーフ運転モードにおいて行われる水蒸気改質反応(SR)運転で用いられる水の流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応(SR)運転で用いられる水の流量の30%減量した値に設定するように水流量調整ユニット28を制御する。
さらに、同時に、発電用空気の流量について、通常停止運転モードにおける発電用空気の流量の15%減量した値に設定するように発電用空気流量調整ユニット45を制御する。
Next, in S4, the control unit 110 uses the steam reforming reaction (SR) in the normal stop operation mode for the flow rate of the fuel gas used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first failsafe operation mode. ) The fuel flow rate adjusting unit 38 is controlled so as to be set to a value reduced by 30% of the flow rate of the fuel gas used in the operation.
At the same time, the flow rate of water used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode is 30% of the flow rate of water used in the steam reforming reaction (SR) operation in the normal stop operation mode. The water flow rate adjusting unit 28 is controlled so as to set the reduced value.
Further, at the same time, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is controlled so that the flow rate of the power generation air is set to a value reduced by 15% of the flow rate of the power generation air in the normal stop operation mode.

S4において、燃料ガスの流量、水の流量、及び、発電用空気の流量が設定されると、S5に進み、異常停止制御が実行され、第1のフェールセーフ運転モードによる運転が行われる。
ここで、第1のフェールセーフ運転モードによる運転ついては、通常停止運転モードよりも少ない流量の燃料ガスと水の供給を所定時間維持した状態で水蒸気改質反応(SR)運転を行った後に、燃料ガスと水の供給を停止することにより運転を停止するが、この第1のフェールセーフ運転モードによる運転が開始されてから停止するまでの運転期間(第1のフェールセーフ運転モードによる水蒸気改質反応(SR)運転が開始されてから停止するまでの時間に相当)は、通常停止運転モードによる運転期間(通常停止運転モードによる水蒸気改質反応(SR)運転が開始されてから停止するまでの時間に相当)よりも短くなる。
In S4, when the flow rate of fuel gas, the flow rate of water, and the flow rate of power generation air are set, the process proceeds to S5, the abnormal stop control is executed, and the operation in the first fail-safe operation mode is performed.
Here, with respect to the operation in the first fail-safe operation mode, after performing the steam reforming reaction (SR) operation while maintaining the supply of fuel gas and water at a lower flow rate than in the normal stop operation mode for a predetermined time, The operation is stopped by stopping the supply of gas and water, but the operation period from the start of the operation in the first fail-safe operation mode to the stop (the steam reforming reaction in the first fail-safe operation mode) (SR) corresponds to the time from when the operation is started until it is stopped) is the operation period in the normal stop operation mode (the time from the start of the steam reforming reaction (SR) operation in the normal stop operation mode to the stop) Equivalent to).

一方、S3において、両貯水タンク26a,26bの両貯水量の合計量が所定量未満であり、両貯水タンク26a,26bに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは、水供給源24等の給水側の異常によって両貯水タンク26a,26bに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合には、S6に進み、制御部110が第2のフェールセーフ運転モードを選択する。
つぎに、S7において、制御部110が、第2のフェールセーフ運転モードによる運転で用いられる燃料ガスの流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応(SR)運転で用いられる燃料ガスの流量の100%減量した値(流量0)に設定するように燃料流量調整ユニット38を制御する。
同時に、第2のフェールセーフ運転モードによる運転で用いられる水の流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応(SR)運転で用いられる水の流量の100%減量した値(流量0)に設定するように水流量調整ユニット28を制御する。
さらに、同時に、発電用空気の流量について、通常停止運転モードにおける発電用空気の流量の100%減量した値(流量0)に設定するように発電用空気流量調整ユニット45を制御する。
S7において、燃料ガスの流量、水の流量、及び、発電用空気の流量がすべて零に設定されると、S5に進み、異常停止制御が実行され、第2のフェールセーフ運転モードによる運転が行われる。
On the other hand, in S3, the total amount of both the water storage tanks 26a, 26b is less than a predetermined amount, and the water storage tanks 26a, 26b are not in a state where water of a predetermined amount or more is stored. If it is determined that a predetermined amount or more of water cannot be stored in both the water storage tanks 26a and 26b due to an abnormality on the water supply side such as the supply source 24, the process proceeds to S6 and the control unit 110 selects the second fail-safe operation mode. .
Next, in S7, the controller 110 determines the flow rate of the fuel gas used in the steam reforming reaction (SR) operation in the normal stop operation mode for the flow rate of the fuel gas used in the operation in the second fail-safe operation mode. The fuel flow rate adjustment unit 38 is controlled so as to set the value reduced by 100% (flow rate 0).
At the same time, the flow rate of water used in the operation in the second fail-safe operation mode is set to a value (flow rate 0) obtained by reducing 100% of the flow rate of water used in the steam reforming reaction (SR) operation in the normal stop operation mode. Thus, the water flow rate adjustment unit 28 is controlled.
Further, at the same time, the power generation air flow rate adjustment unit 45 is controlled so that the flow rate of the power generation air is set to a value (flow rate 0) that is reduced by 100% of the flow rate of power generation air in the normal stop operation mode.
When the fuel gas flow rate, the water flow rate, and the power generation air flow rate are all set to zero in S7, the process proceeds to S5, the abnormal stop control is executed, and the operation in the second fail-safe operation mode is performed. Is called.

すなわち、第2のフェールセーフ運転モードによる運転については、水の供給に関する異常時に、両貯水タンク26a,26bの両貯水量の合計量が所定量未満の場合には、燃料ガス、水、及び、発電用空気の供給を瞬時停止し、水蒸気改質反応(SR)運転は行われない。したがって、上述した通常停止運転モードや第1のフェールセーフ運転モードによる運転とは異なっており、第2のフェールセーフ運転モードによる運転期間についても、他の運転モードによる運転期間に比べて最も短くなっている。   That is, for the operation in the second fail-safe operation mode, when the total amount of both water storage tanks 26a, 26b is less than a predetermined amount at the time of abnormality related to water supply, fuel gas, water, and The supply of power generation air is stopped instantaneously, and the steam reforming reaction (SR) operation is not performed. Therefore, it is different from the operation in the normal stop operation mode and the first fail-safe operation mode described above, and the operation period in the second fail-safe operation mode is the shortest as compared with the operation periods in the other operation modes. ing.

つぎに、上述した第1のフェールセーフ運転モードにおいては、図11に示す制御内容によって第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bのそれぞれの貯水量を制御し、水蒸気改質反応(SR)運転を経由して安全な運転停止を可能にする。
まず、図11に示すように、S101において、制御部110が第2の貯水タンク(純水タンク)26bの水位センサ136dが検出した情報に基づいて、第2の貯水タンク(純水タンク)26bが所定の下限の貯水量以下であるか否かを判定する。第2の貯水タンク(純水タンク)26bが所定の下限の貯水量以下であると判定した場合には、S102に進む。
Next, in the first fail-safe operation mode described above, the respective water storage amounts of the first water storage tank 26a and the second water storage tank (pure water tank) 26b are controlled according to the control content shown in FIG. Allows safe shutdown via reforming reaction (SR) operation.
First, as shown in FIG. 11, in S101, based on the information detected by the water level sensor 136d of the second water storage tank (pure water tank) 26b by the control unit 110, the second water storage tank (pure water tank) 26b. Is less than or equal to a predetermined lower limit water storage amount. When it is determined that the second water storage tank (pure water tank) 26b is equal to or less than a predetermined lower limit water storage amount, the process proceeds to S102.

つぎに、S102において、制御部110が第1の貯水タンク26aの水位センサ136aが検出した情報に基づいて、第1の貯水タンク26aが所定の上限の貯水量(例えば、満水量)に達しているか否かを判定する。第1の貯水タンク26aが所定の上限の貯水量(例えば、満水量)に達していないと判定した場合には、S103に進み、水供給源24から第1の貯水タンク26aにさらなる給水が行われるように流量調整弁152を制御する。   Next, in S102, based on information detected by the water level sensor 136a of the first water storage tank 26a by the control unit 110, the first water storage tank 26a reaches a predetermined upper limit water storage amount (for example, full water amount). It is determined whether or not. When it is determined that the first water storage tank 26a has not reached a predetermined upper limit water storage amount (for example, full water amount), the process proceeds to S103, and further water is supplied from the water supply source 24 to the first water storage tank 26a. The flow rate adjustment valve 152 is controlled as shown in FIG.

つぎに、S104に進み、制御部110が第1の貯水タンク26aの水位センサ136aが検出した情報に基づいて、第1の貯水タンク26aが所定の上限の貯水量に達しているか否かを再び判定する。第1の貯水タンク26aが所定の上限の貯水量(例えば、満水量)に達していると判定した場合には、S105に進み、ポンプ154を作動し、第1の貯水タンク26a内の水をRO膜(逆浸透膜)156に供給して純水を生成し、この純水を第2の貯水タンク(純水タンク)26bに供給する。   Next, the process proceeds to S104, and based on the information detected by the water level sensor 136a of the first water storage tank 26a by the control unit 110, it is determined again whether or not the first water storage tank 26a has reached a predetermined upper limit water storage amount. judge. When it is determined that the first water storage tank 26a has reached a predetermined upper limit water storage amount (for example, full water amount), the process proceeds to S105, the pump 154 is operated, and the water in the first water storage tank 26a is discharged. It supplies to RO membrane (reverse osmosis membrane) 156, produces | generates a pure water, and supplies this pure water to the 2nd water storage tank (pure water tank) 26b.

つぎに、S106に進み、制御部110が第2の貯水タンク(純水タンク)26bの水位センサ136cが検出した情報に基づいて、第2の貯水タンク(純水タンク)26bが所定の上限の貯水量に達しているか否かを判定する。第2の貯水タンク(純水タンク)26bが所定の上限の貯水量に達していると判定した場合には、S107に進み、水供給源24から第1の貯水タンク26aにさらなる給水が行われるように流量調整弁152を制御する。同時に、ポンプ154を停止し、第1の貯水タンク26aから第2の貯水タンク(純水タンク)26bへの水の供給を停止する。   Next, the process proceeds to S106, and based on the information detected by the control unit 110 by the water level sensor 136c of the second water storage tank (pure water tank) 26b, the second water storage tank (pure water tank) 26b has a predetermined upper limit. It is determined whether or not the amount of stored water has been reached. When it is determined that the second water storage tank (pure water tank) 26b has reached the predetermined upper limit water storage amount, the process proceeds to S107, and further water is supplied from the water supply source 24 to the first water storage tank 26a. Thus, the flow rate adjustment valve 152 is controlled. At the same time, the pump 154 is stopped and the supply of water from the first water storage tank 26a to the second water storage tank (pure water tank) 26b is stopped.

つぎに、S108に進み、制御部110が第1の貯水タンク26aの水位センサ136aが検出した情報に基づいて、第1の貯水タンク26aが所定の上限の貯水量(例えば、満水量)に達しているか否かを再び判定する。第1の貯水タンク26aが所定の上限の貯水量(例えば、満水量)に達していると判定した場合には、S109に進み、流量調整弁152を閉弁し、第1の貯水タンク26aへの給水を停止する。   Next, the process proceeds to S108, and the first water storage tank 26a reaches a predetermined upper limit water storage amount (for example, full water amount) based on information detected by the control unit 110 by the water level sensor 136a of the first water storage tank 26a. It is determined again whether or not. When it is determined that the first water storage tank 26a has reached a predetermined upper limit water storage amount (for example, full water amount), the process proceeds to S109, the flow rate adjustment valve 152 is closed, and the first water storage tank 26a is moved to. Stop water supply.

上述した本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、例えば、起動時等の水自立が困難な状態において、水道等の水供給源24から水流量調整ユニット28に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きていても、制御部110が第1のフェールセーフ運転モードを実行し、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの両貯水量の合計量が所定量以上(例えば、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの少なくともいずれか一方が満水となる水量以上)貯水された状態になっているように流量調整弁152を制御しているため、この貯水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転を経由して安全に運転停止を行うことができる。
また、断水時でもこの貯水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転によって安定した冷却状態を維持しながらフェールセーフ運転を行うことができるため、水の供給が瞬時停止して水蒸気改質反応(SR)運転を行えずに高温状態で緊急停止させることにより、燃料電池セルユニット16が酸化して大きなダメージを受けるのを防ぐことができ、燃料電池セルユニット16の耐久性の低下を確実に防止できる。
According to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the above-described embodiment of the present invention, for example, in a state where water independence is difficult at the time of start-up or the like, the water is supplied from the water supply source 24 such as tap water to the water flow rate adjustment unit 28. Even if there is an abnormality in the supply of water, such as when the supply of water falls below a predetermined amount of water or the water is not supplied and is in a so-called water shut-off state, the control unit 110 performs the first fail-safe operation. The mode is executed, and the total amount of both the first and second water storage tanks 26a and 26b (pure water tank) 26b is equal to or larger than a predetermined amount (for example, the first water storage tank 26a and the second water storage tank ( Since the flow rate adjustment valve 152 is controlled so that at least one of the pure water tanks 26b is more than the amount of water that is full), the steam reforming reaction (SR) using this stored water. luck It can be carried out safely shutdown via the.
In addition, even in the event of a water outage, the steam reforming reaction (SR) operation using this stored water can perform a fail safe operation while maintaining a stable cooling state. SR) The emergency stop at a high temperature without performing the operation can prevent the fuel cell unit 16 from being oxidized and suffering a great damage, and reliably prevent the durability of the fuel cell unit 16 from being lowered. it can.

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、高い頻度で生ずる可能性のある断水等の水供給異常に対して、第1のフェールセーフ運転モードによる運転が、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの両貯水量の合計量が所定量以上貯水された状態になっていない、もしくは水供給源24等の給水側の異常によって第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合には、緊急停止(瞬時停止)を図る第2のフェールセーフ運転モードよりも長い期間行われるため、安定した冷却状態を維持しながらフェールセーフ運転を行うことができ、燃料電池セルユニット16が酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルユニット16の耐久性の低下を確実に防止できる。   Further, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, the operation in the first fail-safe operation mode is performed in response to a water supply abnormality such as water interruption that may occur at a high frequency. The total amount of water stored in both the water storage tank 26a and the second water storage tank (pure water tank) 26b is not in a state where water is stored in a predetermined amount or more, or the first water supply is abnormal due to an abnormality on the water supply side such as the water supply source 24. When it is determined that a predetermined amount or more of water cannot be stored in the water storage tank 26a and the second water storage tank (pure water tank) 26b, the period is longer than the second fail-safe operation mode in which an emergency stop (instantaneous stop) is performed. Therefore, fail-safe operation can be performed while maintaining a stable cooling state, and it is possible to prevent the fuel cell unit 16 from being oxidized and receiving great damage. Can, a reduction in the durability of the fuel cell units 16 can be reliably prevented.

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、第1のフェールセーフ運転モードにおける貯水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転を経由した運転停止により、通常停止運転モードよりも短い期間で運転を停止させることができるため、断水異常時に備えて第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク26bの容量を大きくすることなく、且つ、燃料電池セルユニット16にも酸化によるダメージを与えずに安定的に第1のフェールセーフ運転モードによるフェールセーフ運転に移行させて運転を停止することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, the operation stop via the steam reforming reaction (SR) operation using the stored water in the first fail-safe operation mode causes the operation to stop from the normal stop operation mode. Since the operation can be stopped in a short period of time, the capacity of the first water storage tank 26a and the second water storage tank 26b is not increased in preparation for an abnormal water supply, and the fuel cell unit 16 is also oxidized. The operation can be stopped by stably shifting to the fail-safe operation in the first fail-safe operation mode without causing damage.

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、瞬時停止が必要な異常時には第2のフェールセーフ運転モードによって燃料ガスの供給を瞬時停止させることができるが、断水等の水供給の異常時や通常停止時には、第1のフェールセーフ運転モードや通常停止運転モードによって、燃料ガスの供給を瞬時停止させることなく、燃料流量調整ユニット38による燃料供給を維持した状態で水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させることができる。したがって、断水等の水供給の異常時や通常停止時に、燃料ガスの供給が瞬時停止して水蒸気改質反応(SR)運転を行えずに高温状態で緊急停止し、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。   Further, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, the supply of fuel gas can be stopped instantaneously by the second fail-safe operation mode in the event of an abnormality that requires an instantaneous stop. When the supply is abnormal or during a normal stop, steam reforming is performed in a state where the fuel supply by the fuel flow rate adjustment unit 38 is maintained without instantaneously stopping the supply of fuel gas in the first fail-safe operation mode or the normal stop operation mode. The operation can be stopped through the reaction (SR) operation. Therefore, when the water supply is abnormal, such as when water is shut down, or during a normal stop, the fuel gas supply stops instantaneously and the steam reforming reaction (SR) operation cannot be performed, and an emergency stop occurs at a high temperature, and the fuel cell is oxidized. Thus, it is possible to prevent a large amount of damage and to reliably prevent a decrease in the durability of the fuel cell.

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、第1の貯水タンク26aの貯水量と第2の貯水タンク(純水タンク)26bの貯水量の合計量が所定量以上(例えば、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの少なくともいずれか一方が満水となる水量以上)になるように水量を確保することにより、第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク(純水タンク)26bの水管理を一元化して簡易にすることができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, the total amount of the water stored in the first water storage tank 26a and the water stored in the second water storage tank (pure water tank) 26b is a predetermined amount or more ( For example, by securing the amount of water so that at least one of the first water storage tank 26a and the second water storage tank (pure water tank) 26b is equal to or greater than the amount of water that is full), the first water storage tank 26a and The water management of the second water storage tank (pure water tank) 26b can be unified and simplified.

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、第2の貯水タンク(純水タンク)26bの上流側に配置された第1の貯水タンク26aが満水になるように流量調整弁152による給水を行う簡単な制御により、水道等の水供給源24から水流量調整ユニット28に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きていても、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, the flow rate is adjusted so that the first water storage tank 26a disposed upstream of the second water storage tank (pure water tank) 26b is full. By simple control for supplying water by the valve 152, the supply of water supplied from the water supply source 24 such as tap water to the water flow rate adjustment unit 28 is less than a predetermined amount of water, or no water is supplied, and so-called water outage state. Even if an abnormality occurs in the supply of water, such as, the amount of water necessary for the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode can be reliably maintained.

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、水位センサ136dが第2の貯水タンク26bの所定の下限貯水量を検出したとき、第1の貯水タンク26aから第2の貯水タンク26bに給水が行われ、第1の貯水タンク26aが所定の上限貯水量(満水)になるように流量調整弁152による給水を行う簡単な制御により、水道等の水供給源24から水流量調整ユニット28に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きていても、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, when the water level sensor 136d detects the predetermined lower limit water storage amount of the second water storage tank 26b, the second water storage from the first water storage tank 26a. Water is supplied from the water supply source 24 such as tap water by simple control in which water is supplied to the tank 26b and water is supplied by the flow rate adjustment valve 152 so that the first water storage tank 26a reaches a predetermined upper limit water storage amount (full water). Even if there is an abnormality in the supply of water, such as when the supply of water supplied to the adjustment unit 28 falls below a predetermined amount of water, or the water is not supplied and is in a so-called water shut-off state, the first fail The amount of water required for the steam reforming reaction (SR) operation in the safe operation mode can be reliably maintained.

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、水の供給の異常時に通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に必要な水量を貯蓄しておくことは大変であるが、第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転とは異なるように制御しているため、燃料電池セルユニット16が酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐと共に、第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水量を節約することができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, it is possible to store the amount of water necessary for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode when the water supply is abnormal. Although it is serious, since the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode is controlled differently from the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode, It is possible to prevent the fuel cell unit 16 from being oxidized and receive great damage, and to save the amount of water used for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode.

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止する際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも減量することにより、燃料電池セルユニット16の温度低下が図られ、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転が開始されてから燃料ガスが消費されて停止するまでの時間(第1のフェールセーフ運転モードによる運転期間)を通常停止運転モードによる運転期間よりも短縮することができる。したがって、第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水量を節約することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of the fuel gas is normally stopped. The temperature of the fuel cell unit 16 is lowered by reducing the amount of fuel gas used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the mode, and the steam reforming reaction in the first fail-safe operation mode. (SR) The time from the start of operation until the fuel gas is consumed and stopped (the operation period in the first fail-safe operation mode) can be made shorter than the operation period in the normal stop operation mode. Therefore, the amount of water used for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode can be saved.

また、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも減量すると共に、水の量も通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水の量よりも積極的に減量しているため、断水等の異常があっても第1の貯水タンク26a及び第2の貯水タンク26bの貯水の備蓄量で安全に運転を停止させることができる。   Further, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of the fuel gas is normally stopped. The amount of water used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode while the amount of water is reduced from the amount of fuel gas used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the mode. Therefore, even if there is an abnormality such as water outage, the operation can be safely stopped with the amount of water stored in the first water storage tank 26a and the second water storage tank 26b.

さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)によれば、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも減量することにより、燃料電池セルユニット16の温度低下が図られるが、このような燃料電池セルユニット16の温度低下が急速に行われた場合には、セル自身にも影響を与えてしまうため、第1のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる際、発電用空気の量を減量することにより、燃料電池セルユニット16の温度低下を抑制し、セル自身への影響を緩和することができる。   Furthermore, according to the solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present embodiment, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of the fuel gas is normally stopped. The temperature of the fuel cell unit 16 is reduced by reducing the amount of the fuel gas used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the mode, but the temperature of the fuel cell unit 16 is decreased. When the operation is rapidly performed, the cell itself is also affected. Therefore, when the operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation in the first fail-safe operation mode, the amount of power generation air By reducing the amount, the temperature drop of the fuel cell unit 16 can be suppressed, and the influence on the cell itself can be mitigated.

1 固体電解質型燃料電池
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
8 密封空間
10 発電室
12 燃料電池セル集合体
14 燃料電池セルスタック
16 燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
26a 第1の貯水タンク
26b 第2の貯水タンク(純水タンク)
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
83 点火装置
84 燃料電池セル
110 制御部
112 操作装置
114 表示装置
116 警報装置
126 電力状態検出センサ
136a,136b,136c,136d 水位センサ
142 発電室温度センサ
150 外気温度センサ
152 流量調整弁
154 ポンプ
156 RO膜(逆浸透膜)
158 パルスポンプ
160 熱交換器
162 ヒーター
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide type fuel cell 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 8 Sealed space 10 Power generation chamber 12 Fuel cell assembly 14 Fuel cell stack 16 Fuel cell unit 18 Combustion chamber 20 Reformer 22 Air heat exchanger 24 Water supply source 26a First water tank 26b Second water tank (pure water tank)
28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 38 Fuel flow rate adjustment unit 40 Air supply source 44 Reforming air flow rate adjustment unit 45 Power generation air flow rate adjustment unit 50 Hot water production device 52 Control box 54 Inverter 83 Ignition device 84 Fuel cell 110 Control unit 112 Operating device 114 Display device 116 Alarm device 126 Power state detection sensors 136a, 136b, 136c, 136d Water level sensor 142 Power generation chamber temperature sensor 150 Outside air temperature sensor 152 Flow rate adjustment valve 154 Pump 156 RO membrane (reverse osmosis membrane)
158 Pulse pump 160 Heat exchanger 162 Heater

Claims (11)

燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段であって、上記改質器に供給する水を貯水するための貯水タンク、この貯水タンク内の水量を検出する水量検出手段、及び、上記貯水タンクに水を供給する給水手段を備えた上記水供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
起動時に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応(POX)運転を行い、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応(SR)運転を行い、その後上記燃料電池セル集合体による発電運転を行う制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させる通常停止運転モードと、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように上記給水手段を制御すると共に、この貯水された水を用いた水蒸気改質反応(SR)運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させる第1のフェールセーフ運転モードと、を備えていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell that generates electricity by reacting fuel gas and air,
A fuel cell assembly comprising a plurality of solid electrolyte fuel cells,
A reformer for steam reforming the fuel gas and supplying the fuel cell assembly to the fuel cell assembly;
Fuel gas supply means for supplying fuel gas to the reformer;
Water supply means for generating pure water and supplying it to the reformer, a water storage tank for storing the water supplied to the reformer, a water amount detection means for detecting the amount of water in the water storage tank, and The water supply means comprising water supply means for supplying water to the water storage tank;
Reforming air supply means for supplying reforming air to the reformer;
Power generation air supply means for supplying power generation air to the fuel cell assembly;
At start-up, fuel gas and reforming air are supplied into the reformer for partial oxidation reforming reaction (POX) operation, and fuel and water are supplied into the reformer for steam reforming reaction (SR) Control means for performing the operation and thereafter performing the power generation operation by the fuel cell assembly,
The control means includes a normal stop operation mode in which operation is stopped through the steam reforming reaction (SR) operation, and a state where water of a predetermined amount or more is stored in the water storage tank when an abnormality occurs on the water supply side of the water supply means. A first fail-safe operation mode for controlling the water supply means so as to be shifted to a fail-safe operation for stopping the operation through a steam reforming reaction (SR) operation using the stored water. And a solid oxide fuel cell.
上記制御手段は、更に、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは給水側の異常によって上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合に燃料ガスの供給を停止するように上記燃料ガス供給手段を制御してフェールセーフ運転へ移行させる第2のフェールセーフ運転モードを備え、上記第1のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記第2のフェールセーフ運転モードによる運転期間よりも長くなるように制御する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。   The control means is further configured such that when the water supply side of the water supply means is abnormal, a predetermined amount or more of water is not stored in the water storage tank, or a water supply side abnormality causes the water storage tank to exceed a predetermined amount. A second fail-safe operation mode in which the fuel gas supply means is controlled so as to stop the supply of the fuel gas when it is determined that water cannot be stored to shift to the fail-safe operation, and the first fail-safe operation is provided 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the operation period according to the mode is controlled to be longer than the operation period according to the second fail-safe operation mode. 上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記通常停止運転モードによる運転期間よりも短くなるように制御する請求項2記載の固体電解質型燃料電池。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the control means controls the operation period in the first fail-safe operation mode to be shorter than the operation period in the normal stop operation mode. 上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モード及び上記通常停止運転モードにおいて、燃料ガスの供給を維持した状態で水蒸気改質反応(SR)運転を行った後に運転を停止させるように上記燃料ガス供給手段を制御する請求項3記載の固体電解質型燃料電池。   In the first fail-safe operation mode and the normal stop operation mode, the control means performs the steam reforming reaction (SR) operation while maintaining the supply of fuel gas, and then stops the operation. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the gas supply means is controlled. 上記水供給手段は、その貯水タンクが第1の貯水タンクと第2の貯水タンクとを備え、
上記制御手段は、これらの第1の貯水タンクの貯水量と第2の貯水タンクの貯水量の合計量が所定量以上になるように上記給水手段を制御する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
In the water supply means, the water storage tank includes a first water storage tank and a second water storage tank,
2. The solid oxide fuel according to claim 1, wherein the control means controls the water supply means so that a total amount of the water storage amount of the first water storage tank and the water storage amount of the second water storage tank becomes a predetermined amount or more. battery.
上記水供給手段は、上記第1の貯水タンクが上記第2の貯水タンクの上流側に配置されると共に上記給水手段の下流側に配置され、上記制御手段は、上記第1の貯水タンクから上記第2の貯水タンクに上記給水手段による給水が行われた後、上記第1の貯水タンクが満水になるように上記給水手段による給水を制御する請求項5記載の固体電解質型燃料電池。   The water supply means is arranged such that the first water storage tank is arranged on the upstream side of the second water storage tank and on the downstream side of the water supply means, and the control means is connected to the water tank from the first water storage tank. 6. The solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein the water supply by the water supply means is controlled so that the first water storage tank becomes full after the water supply by the water supply means is performed on the second water storage tank. 上記水供給手段は、その水量検出手段が上記第1の貯水タンクの所定の上限貯水量を検出する第1の水量検出手段と、上記第2の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出する第2の水量検出手段と、を備え、上記制御手段は、上記第2の水量検出手段が上記第2の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出したとき、上記第1の貯水タンクから上記第2の貯水タンクに給水が行われ、上記第1の貯水タンクの所定の上限貯水量まで給水が行われるように上記給水手段を制御する請求項6記載の固体電解質型燃料電池。   The water supply means includes a first water amount detection means for detecting a predetermined upper limit water storage amount of the first water storage tank and a first lower limit water storage amount of the second water storage tank. 2, and when the second water amount detection means detects a predetermined lower limit water storage amount of the second water storage tank, the control means detects the second water amount detection means from the first water storage tank. 7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the water supply means is controlled such that water is supplied to the water storage tank and water is supplied up to a predetermined upper limit water storage amount of the first water storage tank. 上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転が上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転とは異なるように制御する請求項1記載の固体電解質型燃料電池。   The control means controls the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode to be different from the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode. 2. The solid oxide fuel cell according to 1. 上記制御手段は、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させるように上記燃料ガス供給手段を制御する請求項8記載の固体電解質型燃料電池。   The control means uses the amount of fuel gas used for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode for the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode. 9. The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the fuel gas supply means is controlled so as to be lower than the amount of fuel gas produced. 上記制御手段は、更に、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる水の量よりも低下させるように上記水供給手段を制御する請求項9記載の固体電解質型燃料電池。   The control means further converts the amount of water used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode into the steam reforming reaction (SR) operation performed in the normal stop operation mode. The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the water supply means is controlled so as to be lower than the amount of water used. 上記制御手段は、更に、上記第1のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる発電用空気の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応(SR)運転に用いられる発電用空気の量よりも低下させるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項9又は10に記載の固体電解質型燃料電池。   The control means further uses the steam reforming reaction (SR) performed in the normal stop operation mode to determine the amount of power generation air used in the steam reforming reaction (SR) operation performed in the first fail-safe operation mode. The solid oxide fuel cell according to claim 9 or 10, wherein the power generation air supply means is controlled so as to be lower than the amount of power generation air used for operation.
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