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JP5157264B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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JP5157264B2
JP5157264B2 JP2007149927A JP2007149927A JP5157264B2 JP 5157264 B2 JP5157264 B2 JP 5157264B2 JP 2007149927 A JP2007149927 A JP 2007149927A JP 2007149927 A JP2007149927 A JP 2007149927A JP 5157264 B2 JP5157264 B2 JP 5157264B2
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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池から成る発電スタックを備え、燃料ガスとして、例えば、都市ガスや天然ガス、プロパンガス、ガソリン、軽油、灯油などといった炭化水素系燃料を必要に応じて改質したガスであって、炭化水素や一酸化炭素を含む燃料ガスを用いて発電する燃料電池発電システムに係わり、特に、燃料電池スタックの燃料極における炭素質の析出を阻止して、発電性能の低下を防止することができる燃料電池発電システムに関するものである。
The present invention includes a power generation stack composed of solid oxide fuel cells, and reforms hydrocarbon fuels such as city gas, natural gas, propane gas, gasoline, light oil, kerosene, etc., as fuel gas, if necessary. It is related to a fuel cell power generation system that generates power using fuel gas containing hydrocarbons and carbon monoxide, and in particular, it prevents the deposition of carbonaceous matter at the fuel electrode of the fuel cell stack, thereby reducing the power generation performance. The present invention relates to a fuel cell power generation system that can prevent the above.

燃料電池発電システムが、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いた発電システムである場合、他の種類、例えばプロトン伝導性の固体高分子電解質を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)から成るシステムに比較して、使用燃料の多様性という利点を挙げることができる。
例えば、固体高分子形の燃料電池の場合には、電解質がプロトン伝導体であることと、作動温度が100℃前後と低いことから、燃料電池に供給できる燃料は純水素に限られる。これは、電解質がプロトン伝導体である場合には、炭化水素燃料を直接供給しても燃料電池反応が進行せず、また100℃前後の温度では燃料電池内部で炭化水素燃料を改質して水素を取り出すことができないことによる。
When the fuel cell power generation system is a power generation system using a solid oxide fuel cell (SOFC), from another type, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a proton conductive solid polymer electrolyte Compared to the system which consists of, the advantage of the diversity of fuel used can be mentioned.
For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, the electrolyte is a proton conductor and the operating temperature is as low as around 100 ° C., so that the fuel that can be supplied to the fuel cell is limited to pure hydrogen. This is because when the electrolyte is a proton conductor, the fuel cell reaction does not proceed even if the hydrocarbon fuel is directly supplied, and the hydrocarbon fuel is reformed inside the fuel cell at a temperature around 100 ° C. This is because hydrogen cannot be taken out.

この場合の燃料極における電極反応は次式で表される。
→2H+2e
したがって、燃料極に供給する燃料は、高圧タンク等を用いた水素か、あるいは燃料電池外部で燃料を改質して一旦水素を生成して水素を供給することになる。
The electrode reaction at the fuel electrode in this case is expressed by the following equation.
H 2 → 2H + + 2e
Therefore, the fuel supplied to the fuel electrode is hydrogen using a high-pressure tank or the like, or the fuel is reformed outside the fuel cell to once generate hydrogen and supply the hydrogen.

しかし、水素用の高圧タンクは非常に大きなものになってしまう。
また、作動温度が100℃前後であると、一酸化炭素により電極が被毒されるために、外部改質器で水素を生成したとしても、生成ガス(改質ガス)中の一酸化炭素濃度を極限まで低くする必要があり、そのために改質反応器が大きくなってしまうことになる。
However, the high-pressure tank for hydrogen becomes very large.
Moreover, since the electrode is poisoned by carbon monoxide when the operating temperature is around 100 ° C., even if hydrogen is generated by an external reformer, the concentration of carbon monoxide in the generated gas (reformed gas) Needs to be lowered to the limit, which leads to an increase in the reforming reactor.

これに対して、固体酸化物形燃料電池の場合は、大きな高圧タンクや、大きな外部改質器を使用することなく、液体で運搬可能な炭化水素燃料、例えばガソリン、軽油、灯油、液化プロパン等を燃料源としたシステム構築が可能である。
固体酸化物から成る電解質として、酸素イオン伝導体を用いた場合には、炭化水素燃料を直接燃料電池に供給することができ、その場合の燃料極おける電極反応は次式で表される。
CnHm+(2n+m/2)O2−→nCO+(m/2)HO+(4n+m)e
On the other hand, in the case of a solid oxide fuel cell, a hydrocarbon fuel that can be transported in liquid without using a large high-pressure tank or a large external reformer, such as gasoline, light oil, kerosene, liquefied propane, etc. It is possible to construct a system using fuel as a fuel source.
When an oxygen ion conductor is used as the electrolyte made of a solid oxide, hydrocarbon fuel can be directly supplied to the fuel cell, and the electrode reaction at the fuel electrode in that case is expressed by the following equation.
CnHm + (2n + m / 2) O 2− → nCO 2 + (m / 2) H 2 O + (4n + m) e

また、内部改質反応を活用することもできる。内部改質反応は次式で表すことができる。
CnHm+(q+x+2y)HO→pH+qHO+xCO+yCO
An internal reforming reaction can also be utilized. The internal reforming reaction can be expressed by the following formula.
CnHm + (q + x + 2y) H 2 O → pH 2 + qH 2 O + xCO + yCO 2

ここで生成したHは次式で表される反応
+1/2O2−→HO+e
また、COは次式で表される反応により電極反応が進行する。
CO+1/2O2−→CO+e
H 2 produced here is a reaction represented by the following formula: H 2 + 1 / 2O 2− → H 2 O + e
In addition, the electrode reaction of CO proceeds by a reaction represented by the following formula.
CO + 1 / 2O 2− → CO 2 + e

したがって、炭化水素燃料の直接供給でも、内部改質反応でも燃料電池反応が行うことができる。   Therefore, the fuel cell reaction can be performed by direct supply of hydrocarbon fuel or by internal reforming reaction.

また、固体酸化物電解質としてプロトン伝導体を用いた場合には、内部改質によって生成した水素は次式で表される反応で電極反応が進行する。
→2H+2e
さらに、COはさらに燃料電池内部で次式で現されるシフト反応によって水素に変換した後、同様の電極反応が進行する。
CO+HO→CO+H
Further, when a proton conductor is used as the solid oxide electrolyte, the electrode reaction proceeds with the hydrogen generated by the internal reforming by the reaction represented by the following formula.
H 2 → 2H + + 2e
Furthermore, after CO is further converted into hydrogen by a shift reaction expressed by the following equation inside the fuel cell, the same electrode reaction proceeds.
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

上述したように、多様な燃料に適合性がある固体酸化物形燃料電池であるが、炭化水素燃料を用いた発電を行う場合には、電極上への炭素析出が問題となる場合がある。炭素析出反応は以下の反応式で進行する。
CnHm→nC+(m/2)H
2CO→C+CO
As described above, the solid oxide fuel cell is compatible with various fuels. However, when power generation using a hydrocarbon fuel is performed, carbon deposition on the electrode may be a problem. The carbon deposition reaction proceeds according to the following reaction formula.
CnHm → nC + (m / 2) H 2
2CO → C + CO 2

このような反応により生成した炭素が電極表面に多量に析出すると、電極表面上の反応活性点がブロックされ、電極反応の活性を低下させてしまう虞れがある。
このような炭素析出をさせないために、燃料極にHOを導入する方法がある。HOが存在すれば、たとえCが析出したとしても、下記のような反応によって除去することができる。
C+HO→CO+H
If a large amount of carbon generated by such a reaction is deposited on the electrode surface, the reaction active sites on the electrode surface may be blocked, and the activity of the electrode reaction may be reduced.
In order to prevent such carbon deposition, there is a method of introducing H 2 O into the fuel electrode. If H 2 O is present, even if C is precipitated, it can be removed by the following reaction.
C + H 2 O → CO + H 2

そこで、このような炭素析出を防止するために、例えば特許文献1には、水蒸気供給装置を配設して、燃料極に水蒸気を供給することが提案されており、これによって水蒸気改質反応を生じさせ、炭化水素を一酸化炭素(CO)と水素(H)に分解させることが開示されている。 Therefore, in order to prevent such carbon deposition, for example, Patent Document 1 proposes that a steam supply device is provided to supply steam to the fuel electrode, whereby the steam reforming reaction is performed. Generating and decomposing hydrocarbons into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).

また、特許文献2には、水の供給を皆無、あるいは格段に減らすために、燃料の燃焼器と複数の固体酸化物形燃料電池モジュールを順次直列に連結し、燃焼器において燃料を完全燃焼させた燃焼ガス、あるいは水素、一酸化炭素及び水蒸気を生成する部分燃焼による燃焼ガスを燃料に混合して第1段目のモジュールに供給し、当該第1段目のモジュールから排出される燃料極オフガスに燃料を混合して第2段目のモジュールに供給し、以下順次、前段モジュールからの燃料極オフガスに燃料を混合して後段のモジュールに供給することが記載されている。
特開2003−86225号公報 特開2004−247268号公報
Further, in Patent Document 2, in order to reduce the supply of water to no or much, a fuel combustor and a plurality of solid oxide fuel cell modules are sequentially connected in series so that the fuel is completely burned in the combustor. The fuel electrode off-gas discharged from the first-stage module by mixing the combustion gas generated by the partial combustion that generates hydrogen, carbon monoxide, and water vapor with the fuel and supplying the fuel to the first-stage module In this document, the fuel is mixed and supplied to the second-stage module, and then the fuel is mixed with the fuel electrode off-gas from the previous-stage module and supplied to the subsequent-stage module.
JP 2003-86225 A JP 2004-247268 A

しかしながら、特許文献1に記載された固体酸化物形燃料電池には、水蒸気供給装置が必要であり、当該装置に水を補給するための水タンクや、水を水蒸気にするための気化装置が必要となり、システムの複雑化、大型化が避けられない。
さらに、水蒸気が過剰に供給された場合には、電極の水蒸気酸化を引き起こすことから、水蒸気供給量の制御をも考慮する必要があり、このような制御装置も加えると、システムがさらに大型となり、複雑化するという問題がある。
However, the solid oxide fuel cell described in Patent Document 1 requires a water vapor supply device, and requires a water tank for supplying water to the device and a vaporizer for converting water into water vapor. Thus, the complexity and size of the system are inevitable.
Furthermore, when steam is supplied excessively, it causes the steam oxidation of the electrode, so it is necessary to consider the control of the steam supply amount. When such a control device is added, the system becomes even larger, There is a problem of increasing complexity.

一方、特許文献2に記載の燃料電池システムにおいては、水を生成するために余分に燃料を供給する必要があるため、燃料効率が悪くなると共に、各段の燃料電池モジュールで発生した水をそのまま次の段のモジュールに排出しているため、後段になるほど大量の水が溜まることになり、電極の水蒸気酸化が避けられないという問題がある。   On the other hand, in the fuel cell system described in Patent Document 2, since it is necessary to supply extra fuel to generate water, fuel efficiency is deteriorated, and water generated in the fuel cell modules at each stage is directly used. Since it is discharged to the module of the next stage, a large amount of water accumulates in the later stage, and there is a problem that steam oxidation of the electrode is unavoidable.

本発明は、炭化水素が含まれる燃料ガスを使用する燃料電池システムにおける炭素析出に係わる上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、水蒸気供給装置を設ける必要がなく、装置の大型化や複雑化を招くことなく、燃料ガス中に炭化水素や一酸化炭素が含まれていたとしても、燃料極への炭素質の析出を防止することができ、電池性能を長期に亘って保持することができる燃料電池発電システムを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-described problems related to carbon deposition in a fuel cell system using a fuel gas containing hydrocarbons, and the object thereof is not to provide a water vapor supply device, Even if hydrocarbons and carbon monoxide are contained in the fuel gas without increasing the size and complexity of the device, it is possible to prevent the deposition of carbonaceous matter on the fuel electrode, and to improve battery performance over a long period of time. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation system that can be held for a long time.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、燃料電池発電システムの燃料供給路における燃料電池スタックの上流側に、水分調整手段として小型の燃料電池スタックを配設することによって、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have arranged a small fuel cell stack as a moisture adjusting means upstream of the fuel cell stack in the fuel supply path of the fuel cell power generation system. Thus, the inventors have found that the above object can be achieved and have completed the present invention.

すなわち、本発明の燃料電池発電システムは、固体酸化物形燃料電池から成る燃料電池スタックと、この燃料電池スタックに炭化水素及び/又は一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料供給手段と、上記燃料電池スタックに酸素を含むガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、固体酸化物形燃料電池から成り上記燃料供給手段から燃料電池スタックに到る燃料供給路の途中に配置されたサブスタックと、上記燃料電池スタックの運転状況を検知する運転状況検知手段と、この運転状況検知手段により検知された燃料電池スタックの状態に基づいてサブスタックの運転条件を調整する演算制御手段を備え、この演算制御手段は、運転状況検知手段により検知された燃料電池スタックの運転状態と、燃料電池スタックの燃料ガス流路の上流側及び下流側における酸素分圧に基づいて、当該燃料電池スタックにおける炭素析出を防止するためのH O必要量に対するH O不足量を算出し、上記サブスタックからのH O排出量がH O不足量を補うように制御することを特徴としている。
That is , the fuel cell power generation system of the present invention includes a fuel cell stack composed of solid oxide fuel cells, fuel supply means for supplying fuel gas containing hydrocarbons and / or carbon monoxide to the fuel cell stack, An oxidant gas supply means for supplying a gas containing oxygen to the fuel cell stack; a sub-stack that is composed of a solid oxide fuel cell and is arranged in the middle of a fuel supply path from the fuel supply means to the fuel cell stack; The operation state detection means for detecting the operation state of the fuel cell stack, and the operation control means for adjusting the operation condition of the sub stack based on the state of the fuel cell stack detected by the operation state detection means , the operation control The means includes the operating state of the fuel cell stack detected by the operating state detecting means, the upstream side of the fuel gas flow path of the fuel cell stack, and Based on the oxygen partial pressure in the flow side, is calculated of H 2 O deficiency amount with respect to H 2 O required amount for preventing carbon deposition in the fuel cell stack, H 2 O emissions from the sub-stack H 2 It is characterized by controlling so as to compensate for the O deficiency .

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池から成る燃料電池スタックへの燃料供給路の上流側に、固体酸化物形燃料電池から成るサブスタックを配置し、このサブスタックからの排出燃料ガスを燃料電池スタックに導入するようにしているので、サブスタックが水分調整手段として機能する。そして、燃料電池スタックの運転状況に応じて、サブスタックの運転条件を調整することによって、サブスタックから排出される水分量が燃料電池スタックの炭素析出を防止するに過不足のない量となるようにしているので、燃料ガスに含まれる炭化水素や一酸化炭素が炭素に分解されたとしても、電極の水蒸気酸化を生じることなく、水との反応によって除去されることになる。   According to the present invention, the sub-stack composed of the solid oxide fuel cell is disposed upstream of the fuel supply path to the fuel cell stack composed of the solid oxide fuel cell, and the exhaust fuel gas from the sub-stack is supplied to the sub-stack. Since it is introduced into the fuel cell stack, the sub stack functions as a moisture adjusting means. Then, by adjusting the operating conditions of the sub-stack according to the operating status of the fuel cell stack, the amount of water discharged from the sub-stack becomes an amount that is sufficient to prevent carbon deposition of the fuel cell stack. Therefore, even if hydrocarbons and carbon monoxide contained in the fuel gas are decomposed into carbon, they are removed by reaction with water without causing steam oxidation of the electrode.

以下に、本発明の燃料電池発電システムについて、その構成と共に、運転・制御方法について、さらに具体的かつ詳細に説明する。   Hereinafter, the operation and control method of the fuel cell power generation system of the present invention, as well as its configuration, will be described more specifically and in detail.

図1は、本発明による燃料電池発電システムの一実施形態を示すブロック図であって、図に示す燃料電池発電システムは、固体酸化物形燃料電池から成る燃料電池スタック1(以下、後述するサブスタックに対して「メインスタック」と称することがある)と、該燃料電池スタック(メインスタック)1に燃料ガスを供給する燃料供給手段2と、この燃料供給手段2とメインスタック1との間に配管された燃料供給路3と、同じく固体酸化物形燃料電池から成り、上記燃料供給路3におけるメインスタック1の上流側に配置されたサブスタック4と、上記メインスタック1及びサブスタック4に酸素を含む酸化剤ガス(例えば空気)を供給する酸化剤ガス供給手段5から主に構成され、これらに加えて、メインスタック1に配置された温度センサ、電流計、電圧計、酸素センサ(図示せず)からの出力によって、当該メインスタック1の運転状況を把握する運転状況検知手段6と、この運転状況検知手段6によって把握されたメインスタック1の状態に基づいて、サブスタック4の運転条件を調整する演算制御手段7を備えている。   FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a fuel cell power generation system according to the present invention. The fuel cell power generation system shown in the figure is a fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as a sub-cell described later) composed of solid oxide fuel cells. A fuel cell stack (main stack) 1, a fuel supply means 2 for supplying fuel gas to the fuel cell stack (main stack) 1, and the fuel supply means 2 and the main stack 1. A piped fuel supply path 3, which is also composed of a solid oxide fuel cell, is arranged on the upstream side of the main stack 1 in the fuel supply path 3, and the main stack 1 and the substack 4 have oxygen in them. Is mainly composed of an oxidant gas supply means 5 for supplying an oxidant gas containing air (for example, air). An operation status detection means 6 for grasping the operation status of the main stack 1 based on outputs from a sensor, an ammeter, a voltmeter, and an oxygen sensor (not shown), and the main stack 1 grasped by the operation status detection means 6 On the basis of the state, the calculation control means 7 for adjusting the operating condition of the sub stack 4 is provided.

また、上記演算制御手段7は、メインスタック1及びサブスタック4における炭化水素流量と発電量やHO生成量などとの関係や、スチーム/カーボン比(S/C値)と炭素析出量の関係などをデータベースとして蓄積しており、メインスタック1の要求発電量から必要な燃料ガス流量や、そのとき生成されるHO量、炭素の析出を防止するために必要なHO量、不足するHO量をサブスタック4によって発生させるのに必要な電力量などを演算できるようになっており、演算結果に基づいてサブスタック4の運転条件を制御すると共に、サブスタック4に配置した温度センサ、電流計、電圧計などによって、サブスタック3の運転状況をモニターできるようになっている。 In addition, the arithmetic control means 7 is used for the relationship between the hydrocarbon flow rate in the main stack 1 and the sub stack 4 and the power generation amount, the H 2 O generation amount, etc., the steam / carbon ratio (S / C value), and the carbon deposition amount. The relationship is accumulated as a database, the required fuel gas flow rate from the required power generation amount of the main stack 1, the amount of H 2 O generated at that time, the amount of H 2 O necessary to prevent carbon deposition, The amount of power required to generate the insufficient amount of H 2 O by the sub stack 4 can be calculated, and the operating conditions of the sub stack 4 are controlled based on the calculation result and arranged in the sub stack 4. The operating status of the sub stack 3 can be monitored by the temperature sensor, ammeter, voltmeter and the like.

本発明による燃料電池発電システムにおいては、燃料ガスとして、炭化水素や一酸化炭素を含むガスとして、例えば都市ガスや天然ガスが用いられるが、これらガスにHOはほとんど含まれていないため、本来炭素析出が生じやすい燃料であることから、サブスタック4が水分調整手段として効果的に機能する。 In the fuel cell power generation system according to the present invention, for example, city gas or natural gas is used as a fuel gas containing hydrocarbons or carbon monoxide, but these gases contain almost no H 2 O. Since the fuel is inherently susceptible to carbon deposition, the sub-stack 4 effectively functions as a moisture adjusting means.

また、プロパンガス、ガソリン、軽油、灯油、アルコール類を部分改質したガスについても、COや未反応の炭化水素が含まれていることから、本発明を適用することによって、これらの分解による炭素析出を防止することができる。なお、部分改質ガスには、少量の水分が含まれるが、炭素析出防止にはとうてい足りない。   In addition, propane gas, gasoline, light oil, kerosene, and partially reformed gas of alcohols also contain CO and unreacted hydrocarbons. Precipitation can be prevented. The partially reformed gas contains a small amount of moisture, but is not sufficient for preventing carbon deposition.

上記燃料電池スタック1、すなわちメインスタック1及びサブスタック4は、いずれも、燃料極、空気極及び電解質から成る固体酸化物形燃料電池の電池要素を1組以上備えたものであって、固体酸化物から成る電解質材料としては、特に限定されるものではなく、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアドープトセリア)、SSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンがレート)などを挙げることができ、燃料極材料としては、例えばNi−YSZ、Ni−SDC、Ni−SSZ等を挙げることができる。
また、空気極材料については、LSM(LaSrMnO)、SSC(SrSmCoO)、LSC(LaSrCoO)、LSCF(LaSrCoFeO)などの電子・酸素イオン導電酸化物、あるいはPt、Agのような金属材料を挙げることができるが、特にこれらに限定される訳ではない。
The fuel cell stack 1, that is, the main stack 1 and the sub stack 4 are each provided with one or more cell elements of a solid oxide fuel cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and an electrolyte, The electrolyte material made of a material is not particularly limited, and examples thereof include YSZ (yttria stabilized zirconia), SDC (samaria doped ceria), SSZ (scandia stabilized zirconia), and LSGM (lanthanum rate). Examples of the fuel electrode material include Ni-YSZ, Ni-SDC, Ni-SSZ, and the like.
Examples of air electrode materials include electron / oxygen ion conductive oxides such as LSM (LaSrMnO), SSC (SrSmCoO), LSC (LaSrCoO), and LSCF (LaSrCoFeO), or metal materials such as Pt and Ag. Although it can, it is not necessarily limited to these.

上記サブスタック4は、炭化水素が流れてきても、炭素の析出が生じにくい構成となっていることが望ましく、できれば、このような燃料種は当該サブスタック4において除去でき、メインスタック1に供給されない方が、メインスタック1の耐久性が向上する。
そのため、サブスタック1としては、以下のいくつかの構成を備えていることが望ましい。
It is desirable that the sub stack 4 has a structure in which carbon deposition hardly occurs even when hydrocarbons flow. If possible, such fuel species can be removed in the sub stack 4 and supplied to the main stack 1. If not, the durability of the main stack 1 is improved.
Therefore, it is desirable that the substack 1 has the following configurations.

例えば、サブスタック4の作動温度はメインスタック1の作動温度よりも高いことが望ましく、サブスタック4の作動温度が高方が、炭化水素や一酸化炭素による炭素析出が起こりにくくなる。
同様にサブスタック4の炭化析出を抑制するためには、サブスタック4の燃料極の構成として、燃料極中の酸素イオン伝導材の含有量を電極触媒の含有量よりも多くすることが望ましい。すなわち、炭化水素や一酸化炭素が熱分解して、炭素になったとしても、電極触媒に囲まれている酸素イオンによって、すぐに酸化させることができるため、サブスタック4での炭素析出が起こり難くなる。なお、ここで言う酸素イオン伝導材や電極触媒の含有量とは体積比を意味する。
For example, the operating temperature of the sub-stack 4 is desirably higher than the operating temperature of the main stack 1, the operating temperature of the sub-stack 4 is better not high, carbon deposition due to hydrocarbons and carbon monoxide is less likely to occur.
Similarly, in order to suppress the carbonization precipitation of the substack 4, it is desirable that the content of the oxygen ion conductive material in the fuel electrode is larger than the content of the electrode catalyst as the configuration of the fuel electrode of the substack 4. That is, even if hydrocarbons and carbon monoxide are thermally decomposed into carbon, they can be immediately oxidized by oxygen ions surrounded by the electrode catalyst, so that carbon deposition occurs in the substack 4. It becomes difficult. In addition, content of an oxygen ion conductive material and an electrode catalyst said here means volume ratio.

また、同様の目的のために、サブスタック4における空気極の還元能力がメインスタックの空気極の還元能力よりも高くなるようにすることができる。すなわち、空気極の還元能力が高いと、空気極で酸素イオンが発生し易くなり、酸素イオンが燃料極側へどんどん流れてくるため、析出した炭素が直ちに酸化されることになる。
なお、上記した空気極材料の還元能力は、SSC>LSCF>LSC>LSMの順となる。
For the same purpose, the air electrode reducing ability of the sub stack 4 can be made higher than the air reducing ability of the main stack air electrode. That is, when the reducing ability of the air electrode is high, oxygen ions are easily generated at the air electrode, and oxygen ions flow more and more toward the fuel electrode side, so that the deposited carbon is immediately oxidized.
Note that the reducing ability of the air electrode material described above is in the order of SSC>LSCF>LSC> LSM.

さらに、サブスタック4の電解質における酸素イオン伝導性がメインスタック1における電解質の酸素イオン伝導性よりも高くなるようにすることも望ましく、これによって、酸素イオンが燃料極側へ流れやすくなり、析出炭素の酸化が促進されて、電極の活性劣化が抑制されることになる。
なお、電解質材料の酸素イオン伝導度については、LSGM>SDC>SSZ>YSZの順となることから、これらの中から、サブスタック4及びメインスタック1の電解質の酸素イオン伝導性が上記のような大小関係となるように、それぞれの電解質材料を選択することができる。
Furthermore, it is also desirable that the oxygen ion conductivity in the electrolyte of the substack 4 be higher than the oxygen ion conductivity of the electrolyte in the main stack 1, which makes it easier for oxygen ions to flow to the fuel electrode side, and precipitates carbon. Oxidation of the electrode is promoted, and the active deterioration of the electrode is suppressed.
Since the oxygen ion conductivity of the electrolyte material is in the order of LSGM>SDC>SSZ> YSZ, among these, the oxygen ion conductivity of the electrolyte of the sub stack 4 and the main stack 1 is as described above. Each electrolyte material can be selected so as to have a magnitude relationship.

演算制御手段7は、上記したように、メインスタック1に配置された温度センサ、電流計、電圧計、酸素センサ等を通じて、運転状況検知手段6によって検知されたメインスタック1の運転状態に基づいて、その時のメインスタック1におけるHO生成量と、当該メインスタック1における炭素析出を防止するために必要なHO量を算出し、サブスタック4から排出されるHO量が算出されたHO必要量に対する生成量の不足分を補うようにサブスタック4の運転条件を制御する。 As described above, the arithmetic control means 7 is based on the operating state of the main stack 1 detected by the operating state detecting means 6 through the temperature sensor, ammeter, voltmeter, oxygen sensor, etc. arranged in the main stack 1. , and H 2 O produced amount in the main stack 1 at that time, calculated of H 2 O amount required to prevent carbon deposition in the main stack 1, H 2 O amount discharged is calculated from the sub-stack 4 In addition, the operating condition of the sub stack 4 is controlled so as to compensate for the shortage of the generated amount with respect to the necessary amount of H 2 O.

このとき、サブスタック4の運転条件については、例えば、運転温度、負荷電流、運転電圧を単独で、あるいは組み合わせて増減することによって調整し、HO生成量を制御することができる。
サブスタック4の運転(発電)温度の調整については、バーナーやヒータによって過熱したり、過熱を中止したりすることによって行うことができる。負荷電流の調整は、例えば可変抵抗器を連結して、この抵抗値を増減することによって行う。
At this time, the operating conditions of the sub stack 4 can be adjusted by increasing or decreasing the operating temperature, the load current, and the operating voltage alone or in combination, and the H 2 O generation amount can be controlled.
The operation (power generation) temperature of the sub stack 4 can be adjusted by overheating with a burner or a heater, or by stopping overheating. The load current is adjusted by, for example, connecting a variable resistor and increasing or decreasing the resistance value.

一般に、システムの起動時においてはHO不足の状態にあるため、燃料極側の酸素分圧がそれほど高くないのに対し、定常運転になると、HOが次々と生成してくるため、メインスタック1の特に下流においては、HOの増加による酸素分圧の増加が見られるようになる。
そこで、メインスタック1の燃料ガス流路における上流側と下流側とに酸素センサを設け、運転状況検知手段6により検知されたメインスタック1の運転状態と、メインスタック1における燃料ガス流路上流側と下流側の両方の酸素分圧を考慮してHO不足量を算出するようにし、メインスタック1に流入するHO量が過剰とならないようにサブスタック4の発電量を調整することが望ましい。
In general, when the system is started, H 2 O is in shortage, so the oxygen partial pressure on the fuel electrode side is not so high, whereas in steady operation, H 2 O is generated one after another. Particularly in the downstream of the main stack 1, an increase in oxygen partial pressure due to an increase in H 2 O is observed.
Therefore, oxygen sensors are provided on the upstream side and the downstream side of the fuel gas flow path of the main stack 1, and the operating state of the main stack 1 detected by the operating state detection means 6 and the upstream side of the fuel gas flow path in the main stack 1. The amount of H 2 O deficiency is calculated in consideration of both the oxygen partial pressure on the downstream side and the downstream side, and the power generation amount of the sub stack 4 is adjusted so that the amount of H 2 O flowing into the main stack 1 does not become excessive. Is desirable.

また、演算制御手段7によるHO不足量の算出に際しては、燃料ガスに含まれる水分量を求め、この水分量を生成水分量に含めておくことができ、これによってより正確な水分コントロールが可能になる。
なお、燃料ガスに含まれる水分量については、燃料ガスを分析することによって予め求めておくことや、改質器を用いる場合には、原料ガスと改質器の運転条件から算出することによって知ることができる。
Further, when calculating the amount of H 2 O deficiency by the arithmetic control means 7, the amount of water contained in the fuel gas can be obtained, and this amount of water can be included in the amount of generated water, thereby enabling more accurate moisture control. It becomes possible.
Note that the amount of water contained in the fuel gas is obtained in advance by analyzing the fuel gas, or, if a reformer is used, is known by calculating from the operating conditions of the raw material gas and the reformer. be able to.

以下、本発明を実施例に基づいて、メインスタック1やサブスタック4の構成や、運転要領について具体的に説明するが、本発明は、このような実施例によって何ら限定されるものではない。   Hereinafter, although the present invention will be described in detail with respect to the configuration of the main stack 1 and the sub stack 4 and the operation procedure based on examples, the present invention is not limited to such examples.

(1)燃料ガス
燃料ガスとしては、イソオクタンの部分改質ガスの模擬ガスとして、10%CH−2%C−45%CO−10%CO−33%Hの混合ガスを使用した。
(1) Fuel gas As a fuel gas, a mixed gas of 10% CH 4 -2% C 3 H 8 -45% CO-10% CO 2 -33% H 2 is used as a simulated gas of partially reformed gas of isooctane. used.

(2)サブスタック
Ni−YSZ(Ni:35vol%、YSZ:65vol%)から成る燃料極の上にSSZ(Scドープのジルコニア)から成る固体酸化物電解質を成膜し、さらにこの電解質層の上にSDCから成る中間層を介してSSC(SmSrCoO)から成る空気極を形成した径100mmの燃料極支持型セルを5段積層したものをサブスタック4とした。
なお、当該サブスタック4の出力密度は100mW/cm、作動温度は700℃である。
(2) Substack A solid oxide electrolyte made of SSZ (Sc-doped zirconia) is formed on a fuel electrode made of Ni-YSZ (Ni: 35 vol%, YSZ: 65 vol%), and further on the electrolyte layer A sub-stack 4 is formed by stacking five stages of fuel electrode supporting cells having a diameter of 100 mm in which an air electrode made of SSC (SmSrCoO) is formed through an intermediate layer made of SDC.
The substack 4 has a power density of 100 mW / cm 2 and an operating temperature of 700 ° C.

(3)メインスタック(燃料電池スタック)
Ni−YSZ(Ni:70vol%、YSZ:30vol%)から成る燃料極の上にYSZから成る固体酸化物電解質を成膜し、さらにこの電解質層の上にSDCから成る中間層を介してLSC(LaSrCoO)から成る空気極を形成した径100mmの燃料極支持型セルを10段積層し、メインスタック1とした。
なお、当該メインスタック1の出力密度は200mW/cm、作動温度は600℃である。
(3) Main stack (fuel cell stack)
A solid oxide electrolyte made of YSZ is formed on a fuel electrode made of Ni—YSZ (Ni: 70 vol%, YSZ: 30 vol%), and further, an LSC (intermediate layer made of SDC) is formed on the electrolyte layer via LSC ( 10 stages of fuel electrode-supporting cells having a diameter of 100 mm, on which air electrodes made of LaSrCoO) were formed, were used as the main stack 1.
The main stack 1 has a power density of 200 mW / cm 2 and an operating temperature of 600 ° C.

上記のようなサブスタック4、メインスタック1を備えた図1に示すような燃料電池発電システムを起動させると、まず、メインスタック1に要求される発電量と、運転状況検知手段6によって検出されたメインスタック1の温度(600℃)に基づいて、演算制御手段7に収納されたマップ、すなわち当該温度におけるメインスタック1の改質後ガス流量と発電量の関係を求めた図2(a)に示すようなデータから、発電に必要な燃料ガス供給量が算出されると共に、このような改質後ガス流量によってメインスタック1で生成されるHO量が、同じく演算制御手段7に収納された図2(b)に示すようなデータマップから算出される。 When the fuel cell power generation system as shown in FIG. 1 having the sub stack 4 and the main stack 1 as described above is started, first, the power generation amount required for the main stack 1 and the operating condition detection means 6 are detected. Based on the temperature (600 ° C.) of the main stack 1, the map stored in the arithmetic control means 7, that is, the relationship between the reformed gas flow rate of the main stack 1 and the power generation amount at the temperature is shown in FIG. From the data shown in FIG. 5, the fuel gas supply amount necessary for power generation is calculated, and the H 2 O amount generated in the main stack 1 by such a reformed gas flow rate is also stored in the arithmetic control means 7. It is calculated from the data map as shown in FIG.

次に、このような供給量の燃料に対して、上記作動温度において炭素を析出させないために必要なHO量をS/C値(スチーム/カーボン比)と炭素発生量の関係を求めた図2(c)に示すようなデータマップから算出する。 Next, for such a supply amount of fuel, the relationship between the S / C value (steam / carbon ratio) and the amount of carbon generated was determined for the amount of H 2 O necessary for preventing carbon from being deposited at the operating temperature. It is calculated from a data map as shown in FIG.

そして、算出された炭素を析出させないためのHO量から、メインスタック1で生成されるHO量を減算することによって、サブスタック4から補充するHO量が決まり、サブスタック4(700℃)における発電量とHO量の関係を求めた図2(d)に示すようなデータマップから、補充すべきHO量を生成させるためのサブスタック4の発電量を求めることができ、これに基づいてサブスタック4の発電量が求めた値となるように制御する。
なお、水分を含有する燃料ガスを用いる場合には、炭素を析出させないために必要なHO量から、メインスタック1で生成されるHO量と共に、燃料ガスに含まれるHO量を減算することによって、サブスタック4から補充するHO量を求めることが必要となる。
Then, the H 2 O amount for preventing the precipitation of the calculated carbon by subtracting of H 2 O amount generated by the main stack 1, determines the H 2 O content to replenish the sub-stack 4, sub-stack 4 From the data map as shown in FIG. 2D in which the relationship between the power generation amount at (700 ° C.) and the H 2 O amount is obtained, the power generation amount of the sub stack 4 for generating the H 2 O amount to be supplemented is obtained. Based on this, the power generation amount of the sub stack 4 is controlled to be the calculated value.
In the case of using a fuel gas containing moisture, the H 2 O amount required in order not to deposit carbon, with H 2 O amount generated by the main stack 1, H 2 O content in the fuel gas It is necessary to obtain the amount of H 2 O to be replenished from the sub stack 4 by subtracting.

当該システムが起動段階から定常運転状態に移行すると、発電が継続することによって、HOがどんどん生成され、生成されたHOが上流から下流へ流されていくために、メインスタック1の燃料ガス流路内では、上流側より下流の方にHOが集中する結果、HOがスタックの上流側に不足気味となるため、HOを上流側に供給することが必要となる。
しかしながら、定常に導入するHOの量を多くすると、電極が水蒸気酸化を起こしてしまうことがあるため、スタックの上流及び下流における燃料極側の酸素分圧を計測し、上流及び下流の酸素分圧がそれぞれ所定の値を超えると、サブスタック4の発電量を下げて、サブスタック4からの水分補給を少なくするような制御を行うことが好ましい。
When the system shifts from the startup phase to the steady operation state, power generation continues, so that H 2 O is generated more and more, and the generated H 2 O flows from upstream to downstream. In the fuel gas flow path, H 2 O concentrates downstream from the upstream side, and as a result, H 2 O tends to be insufficient on the upstream side of the stack. Therefore, it is necessary to supply H 2 O to the upstream side. Become.
However, if the amount of H 2 O introduced constantly increases, the electrode may cause steam oxidation. Therefore, the oxygen partial pressure on the fuel electrode side upstream and downstream of the stack is measured, and the upstream and downstream oxygens are measured. When the partial pressure exceeds a predetermined value, it is preferable to perform control so as to reduce the amount of power generated by the substack 4 and reduce water supply from the substack 4.

当該燃料電池発電システムにおいては、水分調整手段として機能するサブスタックをメインスタックの前に配置し、上記のような制御を行うことによって、メインスタックにおける炭素析出を抑えることができ、しかも過剰な水分供給がないので、電極の水蒸気酸化による劣化を防止できると共に、水分管理が容易でシステムの煩雑化を回避することができ、所期の発電性能を長期に亘って維持することができた。   In the fuel cell power generation system, the sub stack functioning as the moisture adjusting means is disposed in front of the main stack, and by performing the control as described above, carbon deposition in the main stack can be suppressed, and excess moisture Since there was no supply, deterioration of the electrode due to steam oxidation could be prevented, moisture management was easy and system complexity could be avoided, and desired power generation performance could be maintained over a long period of time.

本発明の一実施形態による燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell power generation system by one Embodiment of this invention. (a)〜(d)は本発明の燃料電池発電システムにおける演算制御手段に収納された各種データマップの一例を示すグラフである。(A)-(d) is a graph which shows an example of the various data maps accommodated in the calculation control means in the fuel cell power generation system of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池スタック(メインスタック)
2 燃料供給手段
3 燃料供給路
4 サブスタック
5 酸化剤ガス供給手段
6 運転状況検知手段
7 演算制御手段
1 Fuel cell stack (main stack)
2 Fuel supply means 3 Fuel supply path 4 Sub-stack 5 Oxidant gas supply means 6 Operating condition detection means 7 Calculation control means

Claims (8)

固体酸化物形燃料電池から成る燃料電池スタックと、
上記燃料電池スタックに炭化水素及び/又は一酸化炭素を含む燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
上記燃料電池スタックに酸素を含むガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
固体酸化物形燃料電池から成り、上記燃料供給手段から燃料電池スタックに到る燃料供給路の途中に配置されたサブスタックと、
上記燃料電池スタックの運転状況を検知する運転状況検知手段と、
上記運転状況検知手段により検知された燃料電池スタックの状態に基づいて上記サブスタックの運転条件を調整する演算制御手段を備え
上記演算制御手段は、運転状況検知手段により検知された燃料電池スタックの運転状態と、燃料電池スタックの燃料ガス流路の上流側及び下流側における酸素分圧に基づいて、当該燃料電池スタックにおける炭素析出を防止するためのH O必要量に対するH O不足量を算出し、上記サブスタックからのH O排出量がH O不足量を補うように制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
A fuel cell stack comprising solid oxide fuel cells;
Fuel supply means for supplying a fuel gas containing hydrocarbons and / or carbon monoxide to the fuel cell stack;
An oxidant gas supply means for supplying a gas containing oxygen to the fuel cell stack;
A sub-stack composed of a solid oxide fuel cell and disposed in the middle of a fuel supply path from the fuel supply means to the fuel cell stack;
An operating condition detecting means for detecting the operating condition of the fuel cell stack;
Computation control means for adjusting the operating conditions of the sub-stack based on the state of the fuel cell stack detected by the operating status detection means ,
The calculation control means is configured to determine the carbon state in the fuel cell stack based on the operating state of the fuel cell stack detected by the operating condition detection means and the oxygen partial pressures on the upstream side and the downstream side of the fuel gas flow path of the fuel cell stack. A fuel cell characterized by calculating a H 2 O deficiency with respect to a H 2 O necessary amount for preventing precipitation, and controlling so that a H 2 O discharge amount from the sub-stack compensates for the H 2 O deficiency. Power generation system.
上記演算制御手段は、運転状況検知手段により検知された燃料電池スタックの運転状態に基づいて、その時のHO生成量と、当該燃料電池スタックにおける炭素析出を防止するためのHO必要量を算出し、上記サブスタックからのHO排出量がHO必要量に対するHO生成量の不足分を補うように制御することを特徴とする請求項に記載の燃料電池発電システム。 The arithmetic control means is based on the operating state of the fuel cell stack detected by the operating condition detecting means, and the amount of H 2 O generated at that time and the required amount of H 2 O for preventing carbon deposition in the fuel cell stack. is calculated, and the fuel cell power generation system according to claim 1, characterized in that H 2 O emissions from the sub-stack is controlled to compensate for the shortage of the H 2 O formation versus H 2 O required amount . 上記演算制御手段は、燃料供給手段から供給される燃料ガスに含まれるHO含有量を控除して上記サブスタックからのHO排出量を算出することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池発電システム。 Said operation control means, according to claim 1 or 2 by deducting of H 2 O content in the fuel gas supplied from the fuel supply means and calculates of H 2 O emissions from the sub-stack The fuel cell power generation system described in 1. 上記演算制御手段は、サブスタックの温度、負荷電流及び運転電圧から成る群より選ばれた少なくとも1種の条件を調整してHO排出量を制御することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 Said operation control means, according to claim 1, wherein the controller controls the sub-stack temperature, the load current and by adjusting at least one condition selected from the group consisting of the operation voltage H 2 O emissions The fuel cell power generation system according to any one of the above items. 上記サブスタックの作動温度が燃料電池スタックの作動温度よりも高いことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4 , wherein an operating temperature of the sub-stack is higher than an operating temperature of the fuel cell stack. 上記サブスタックの燃料極における電極触媒の含有量よりも酸素イオン伝導材の含有量が多いことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5 , wherein the content of the oxygen ion conductive material is greater than the content of the electrode catalyst in the fuel electrode of the sub stack. 上記サブスタックの空気極の還元能力が燃料電池スタックの空気極の還元能力よりも高いことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the reduction capacity of the air electrode of the sub stack is higher than the reduction capacity of the air electrode of the fuel cell stack. 上記サブスタックの電解質における酸素イオン伝導性が燃料電池スタックの電解質よりも高いことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 7 , wherein oxygen ion conductivity in the electrolyte of the sub-stack is higher than that of the fuel cell stack.
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