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JP2008010258A - Starting system and starting method in solid oxide fuel cell power generation system - Google Patents

Starting system and starting method in solid oxide fuel cell power generation system Download PDF

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JP2008010258A JP2006178046A JP2006178046A JP2008010258A JP 2008010258 A JP2008010258 A JP 2008010258A JP 2006178046 A JP2006178046 A JP 2006178046A JP 2006178046 A JP2006178046 A JP 2006178046A JP 2008010258 A JP2008010258 A JP 2008010258A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable quick starting while suppressing thermal stress generated in a cell in raising the temperature of the cell up to the operating temperature at starting a solid oxide fuel cell. <P>SOLUTION: This is provided with a fuel cell which is an assembly of the solid oxide fuel cell, a gas generating device for anode heating and the gas generating device for cathode heating to generate gas for heating supplied to an anode and a cathode, and a control device to control an operating state of both devices, and also provided with an average temperature estimating means of the cell at the control device, a thermal stress estimating means for estimating the surface thermal stress of the anode and the cathode, and a thermal stress control means for adjusting at least one of the operating state of the gas generating device for the anode heating and the operating state of the gas generating device for the cathode heating according to both surface thermal stresses. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を有する発電システムの運転時に、燃料電池を作動温度まで昇温するための起動システムと起動方法に関する。   The present invention relates to an activation system and an activation method for raising the temperature of a fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system having a solid oxide fuel cell.

近年、クリーンで高効率な分散電源の一つとして燃料電池発電システムが注目されている。なかでも、高温で動作可能な固体酸化物形燃料電池発電システムは業務用から産業用まで適用範囲が広く、将来の電源、或いは電熱併給システムとして多分野で期待されている。しかしながら、この発電システムの中核をなす固体酸化物形燃料電池は600℃〜1000℃の高温で作動するため、起動時には予熱手段により室温から発電可能な600℃程度の温度にまで、安全かつ速やかに昇温する必要がある。また、頻繁な起動停止を繰返した場合でも、高い耐久性を兼ね備えることが望まれる。   In recent years, fuel cell power generation systems have attracted attention as one of clean and highly efficient distributed power sources. Among them, the solid oxide fuel cell power generation system capable of operating at high temperatures has a wide range of applications from business use to industrial use, and is expected in many fields as a future power source or a combined electric and heat supply system. However, since the solid oxide fuel cell that forms the core of the power generation system operates at a high temperature of 600 ° C. to 1000 ° C., at the time of start-up, the temperature can be safely and promptly increased from room temperature to a temperature of about 600 ° C. where power can be generated. It is necessary to raise the temperature. In addition, even when frequent start and stop are repeated, it is desirable to have high durability.

固体酸化物形燃料電池発電システムは、燃料電池のセルにおけるカソード側に供給された空気中の酸素がイオン化され、電解質を透過してアノードに達し、アノード側に供給された水素と反応することで起電力を発生する仕組みを利用したものである。この場合、アノードに直接、水素を供給しても良いが、都市ガスや灯油に蒸気を混合した原料を予め改質器に通すことで水素リッチな改質ガスに転換し、これを燃料として使用する方法が一般的である。   In the solid oxide fuel cell power generation system, oxygen in the air supplied to the cathode side of the fuel cell is ionized, passes through the electrolyte, reaches the anode, and reacts with hydrogen supplied to the anode side. It uses a mechanism that generates electromotive force. In this case, hydrogen may be supplied directly to the anode, but it is converted into hydrogen-rich reformed gas by passing the raw material mixed with city gas or kerosene steam in advance through the reformer and used as fuel. The method to do is common.

このような固体酸化物形燃料電池発電システムにおいて、特に問題となるのが起動時のセル昇温に伴い、セルに発生する熱応力である。熱応力が大きいと、セルの割れにつながる。   In such a solid oxide fuel cell power generation system, a particular problem is the thermal stress generated in the cell as the cell temperature rises at startup. A large thermal stress leads to cell cracking.

固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法に係る従来技術としては、セル間にバーナを配置し、起動時に、このバーナを使用してセル昇温速度を速めることによって起動時間の短縮を図るものがある(例えば、特許文献1参照)。しかしながら、この燃料電池は、セル間に起動用バーナを配置するため、セル間距離が大きくならざるを得ない。その結果、セル収容室が大型化し、その分、熱容量が大きくなるため、起動時間短縮の効果は小さい。   As a prior art related to a start-up method of a solid oxide fuel cell power generation system, a burner is arranged between cells, and at the time of start-up, the start-up time is shortened by using this burner to increase the cell heating rate. (For example, refer to Patent Document 1). However, in this fuel cell, since the activation burner is arranged between the cells, the distance between the cells must be increased. As a result, the cell storage chamber is enlarged and the heat capacity is increased correspondingly, so that the effect of shortening the startup time is small.

また、燃料電池スタックの下部にガスバーナを設け、この燃焼ガスをカソードに導いてセルを予熱するものがある(例えば、特許文献2参照)。   In addition, there is a type in which a gas burner is provided in the lower part of the fuel cell stack and the combustion gas is guided to the cathode to preheat the cell (see, for example, Patent Document 2).

さらに、アノードガス流量とカソードガス流量を調整することで、燃料電池の運転温度が予め設定された温度変化レートとなるようにするものがある(例えば、特許文献3参照)。   Further, there is a fuel cell operating temperature that is adjusted to a preset temperature change rate by adjusting the anode gas flow rate and the cathode gas flow rate (see, for example, Patent Document 3).

特開2003−282129号公報JP 2003-282129 A 特開2004−335163号公報JP 2004-335163 A 特開2003−223912号公報JP 2003-223912 A

燃料電池の起動時に、アノード側とカソード側の一方若しくは両方に加熱用のガスを投入することでセルを昇温できる。しかしながら、このときに投入するガスの温度が高過ぎる、或いは温度上昇が速過ぎると、セル表面の温度とセル内部の温度差が大きくなり、これに対応してセル表面に過大な熱応力が発生する恐れがある。そのため、起動時にはセル表面に発生する熱応力を許容値以下に抑えるための昇温方法が要求される。   When the fuel cell is started, the temperature of the cell can be raised by supplying a heating gas to one or both of the anode side and the cathode side. However, if the temperature of the gas introduced at this time is too high or the temperature rises too fast, the difference between the cell surface temperature and the cell internal temperature will increase, and excessive thermal stress will be generated on the cell surface accordingly. There is a fear. Therefore, there is a demand for a temperature raising method for suppressing the thermal stress generated on the cell surface at the time of startup to a value below an allowable value.

しかしながら、前述の従来技術は、燃料電池の起動にあたって昇温する際に、セルに発生する熱応力を如何に許容値以下に抑え、且つ急速起動を実現するかという課題の解決に至っていない。   However, the above-described conventional technology has not yet solved the problem of how to suppress the thermal stress generated in the cell to an allowable value or less and realize rapid start-up when the temperature is raised during start-up of the fuel cell.

本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池発電システムの運転時に燃料電池を作動温度まで昇温する際に、セルに発生する熱応力を抑制しつつ、急速起動を可能とする起動システムと起動方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a start-up system and a start-up that enable rapid start-up while suppressing thermal stress generated in the cell when the temperature of the fuel cell is raised to the operating temperature during operation of the solid oxide fuel cell power generation system. It is to provide a method.

本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を作動温度まで昇温するにあたって前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、前記制御装置に、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測手段と、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測手段と、前記アノード温度計測手段と前記カソード温度計測手段でそれぞれ計測されたアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段で推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システムにある。   The present invention is an activation system that raises the temperature of a fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells, and is an assembly of solid oxide cells. An anode heating gas generator for generating an anode heating gas to be supplied to the anode of the cell when raising the temperature of the fuel cell to an operating temperature, and a cathode heating gas for generating a cathode heating gas to be supplied to the cathode of the cell A generator, a control device for controlling the operating state of the anode heating gas generator and the cathode heating gas generator, and an anode temperature measuring means for measuring the temperature of the anode in the control device, The cathode temperature measuring means for measuring the cathode temperature, the anode temperature measuring means, and the cathode temperature measuring means, respectively. Cell average temperature estimating means for estimating cell average temperature based on node temperature and cathode temperature; cell average temperature estimated by said cell average temperature estimating means; said anode temperature and said cathode temperature based on said anode temperature and said cathode temperature; Thermal stress estimating means for estimating the surface thermal stress of the anode, the operating state of the anode heating gas generator according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated by the thermal stress estimating means, and the A starting system for a solid oxide fuel cell power generation system is provided with thermal stress control means for adjusting at least one of operating states of a cathode heating gas generator.

本発明によれば、固体酸化物形燃料電池発電システムの起動時に燃料電池を作動温度まで昇温するにあたって、セルに発生する熱応力を許容値以下に抑えた急速起動が可能となる。セルの熱応力発生を抑制できることから、セルの耐久性も向上できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when heating up a fuel cell to operating temperature at the time of starting of a solid oxide form fuel cell power generation system, rapid starting which suppressed the thermal stress which generate | occur | produces in a cell to below an allowable value is attained. Since the generation of thermal stress in the cell can be suppressed, the durability of the cell can also be improved.

また、本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池における前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、前記制御装置で、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測ステップと、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測ステップと、前記アノード温度計測ステップと前記カソード温度計測ステップでそれぞれ計測したアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法にある。   The present invention also relates to a method for raising the temperature of the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells, the assembly comprising solid oxide cells. An anode heating gas generator for generating an anode heating gas supplied to the anode of the cell in a fuel cell, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas supplied to the cathode of the cell, and the anode An anode temperature measuring step for measuring the temperature of the anode by the control device; and a cathode for measuring the temperature of the cathode. Temperature measurement step, anode temperature measurement step, and anode temperature measurement step and cathode temperature measurement step. A cell average temperature estimating step for estimating a cell average temperature based on the cathode temperature, and a surface heat of the anode and the cathode based on the cell average temperature estimated in the cell average temperature estimating step, the anode temperature, and the cathode temperature. A thermal stress estimation step for estimating stress, an operating state of the anode heating gas generator and cathode heating gas generation according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated in the thermal stress estimation step In the solid oxide fuel cell power generation system starting method, the thermal stress control step for adjusting at least one of the operating states of the apparatus is sequentially executed.

また、本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、前記制御装置に、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測手段と、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測手段と、前記アノードガス温度計測手段と前記カソードガス温度計測手段でそれぞれ計測されたアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段によって推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システムにある。   The present invention also provides an activation system for raising the temperature of the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells, the anode being supplied to the anode of the cell An anode heating gas generator for generating a heating gas, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas to be supplied to the cathode of the cell, the anode heating gas generator, and the cathode heating gas generator A control device for controlling the operating state of the device, the control device comprising: an anode gas temperature measuring means for measuring the gas temperature of the anode; a cathode gas temperature measuring means for measuring the gas temperature of the cathode; Based on the anode gas temperature and the cathode gas temperature respectively measured by the anode gas temperature measuring means and the cathode gas temperature measuring means. Cell average temperature estimating means for estimating the cell average temperature, and the surface thermal stresses of the anode and the cathode based on the cell average temperature estimated by the cell average temperature estimating means, the anode gas temperature and the cathode gas temperature. A thermal stress estimating means to estimate, an operating state of the anode heating gas generator and the cathode heating gas generation according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated by the thermal stress estimating means The start-up system in a solid oxide fuel cell power generation system is provided with a thermal stress control means for adjusting at least one of the operation states of the apparatus.

また、本発明は、固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、前記制御装置で、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測ステップと、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測ステップと、前記アノードガス温度計測ステップと前記カソードガス温度計測ステップでそれぞれ計測したアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法にある。   The present invention also relates to a method for heating the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells, the anode heating being supplied to the anode of the cell An anode heating gas generator for generating a gas, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas to be supplied to the cathode of the cell, an anode heating gas generator, and a cathode heating gas generator. An anode gas temperature measuring step for measuring the anode gas temperature, a cathode gas temperature measuring step for measuring the cathode gas temperature, and the anode gas temperature. Based on the anode gas temperature and cathode gas temperature measured in the measurement step and the cathode gas temperature measurement step, respectively. A cell average temperature estimating step for estimating the cell average temperature, and estimating the surface thermal stress of the anode and the cathode based on the cell average temperature estimated in the cell average temperature estimating step, the anode gas temperature, and the cathode gas temperature. A thermal stress estimation step, and an operating state of the anode heating gas generator and an operation of the cathode heating gas generator according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated in the thermal stress estimation step. A starting method for a solid oxide fuel cell power generation system, wherein a thermal stress control step for adjusting at least one of the states is sequentially executed.

なお、アノード加熱用ガス発生装置及びカソード加熱用ガス発生装置には、バーナ、電気式ヒータあるいは熱交換器などを用いることが望ましい。   In addition, it is desirable to use a burner, an electric heater, a heat exchanger, or the like for the anode heating gas generator and the cathode heating gas generator.

以下、本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. However, it is not limited to the following embodiment.

最初に、図1を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システムの構成について説明する。なお、固体酸化物形燃料電池のセル構造としては、主として円筒型と平板型が提案されているが、両者とも基本的な動作原理は同じであり、以下の実施形態では、円筒型を例にして説明する。   First, the configuration of the start-up system in the solid oxide fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, as a cell structure of a solid oxide fuel cell, a cylindrical type and a flat plate type are mainly proposed, but both have the same basic operating principle. In the following embodiments, a cylindrical type is taken as an example. I will explain.

図1は、本発明の実施形態による燃料電池発電システムの起動方法を説明するための構成図である。最初に、燃料電池機器本体100の働きについて説明する。   FIG. 1 is a configuration diagram for explaining a starting method of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. First, the operation of the fuel cell device main body 100 will be described.

燃料電池の起動時には、カソードバーナ1からのカソード加熱用燃焼ガス2がカソードガスヘッダ3に送られる。カソードガスヘッダ3に送られたカソード加熱用燃焼ガスは、ガス導入管4を下降してセル内下部5まで供給され、その後、セル内を上昇しながらカソードの内側からセルを加熱する。また、燃料電池の起動時には、アノードバーナ6からのアノード加熱用燃焼ガス7がセルスタック8の下部に位置するアノードガス室9に送られる。アノードガス室9に送られたアノード加熱用燃焼ガスは、セル間を上昇しながらアノードの外側からセルを加熱する。上記2つの燃焼ガスはセルの内外面から加熱に寄与した後、セル出口で合流して排ガス10として電池収納室11に設けた排気口12から排出される。   When starting the fuel cell, the cathode heating combustion gas 2 from the cathode burner 1 is sent to the cathode gas header 3. The cathode heating combustion gas sent to the cathode gas header 3 descends the gas introduction pipe 4 and is supplied to the lower part 5 in the cell, and then heats the cell from the inside of the cathode while ascending in the cell. Further, when the fuel cell is started, the anode heating combustion gas 7 from the anode burner 6 is sent to the anode gas chamber 9 located below the cell stack 8. The anode heating combustion gas sent to the anode gas chamber 9 heats the cell from the outside of the anode while rising between the cells. The two combustion gases contribute to heating from the inner and outer surfaces of the cell, then merge at the cell outlet and are discharged as exhaust gas 10 from the exhaust port 12 provided in the battery storage chamber 11.

上記2つのバーナの燃料としてはメタンを使用することができ、共通の燃料タンク13から供給される。また、燃焼用空気も共通のブロア14から供給される。ここで、カソードバーナ1は空気リッチな燃焼を維持するように燃料15及び燃焼用空気16の流量(FFC及びFAC)が調整される。また、アノードバーナ6は燃料リッチとなるように燃料17及び燃焼用空気18の流量(FFA及びFAA)が調整される。例えば、カソードバーナ1については燃料と空気の比である燃空比0.65、アノードバーナ6については燃空比1.1を採用する。また、カソードバーナ1にはガス温度調整用空気19を供給し、アノードバーナ6にはガス温度調整用窒素20を窒素タンク21より供給する。これらの流量はF及びFで示す。 Methane can be used as the fuel for the two burners and is supplied from a common fuel tank 13. Combustion air is also supplied from a common blower 14. Here, the flow rates (F FC and F AC ) of the fuel 15 and the combustion air 16 are adjusted so that the cathode burner 1 maintains air-rich combustion. Further, the flow rates (F FA and F AA ) of the fuel 17 and the combustion air 18 are adjusted so that the anode burner 6 becomes rich in fuel. For example, a fuel-air ratio of 0.65, which is the ratio of fuel to air, is adopted for the cathode burner 1, and a fuel-air ratio of 1.1 is adopted for the anode burner 6. The cathode burner 1 is supplied with gas temperature adjusting air 19, and the anode burner 6 is supplied with gas temperature adjusting nitrogen 20 from a nitrogen tank 21. These flow rates are indicated by F A and F N.

起動時にセルの昇温状態はカソード温度計22とアノード温度計23により計測され、計測されたカソード温度Tの計測信号24及びアノード温度Tの計測信号は、後述の制御装置200に送られる。また、制御装置200からの操作信号としては、流量FFC,FAC,F,FFA,FAA,Fを決めるための流量調整弁26,27,28,29,30,31の弁開度信号(AFC,AAC,A,AFA,AAA,A)が出力される。 Heating state of the cell during boot is measured by the cathode thermometer 22 and the anode thermometer 23, the measurement signal of the measurement signal 24 and the anode temperature T A of the measured cathode temperature T C is sent to the control unit 200 will be described later . Further, as the operation signal from the control device 200, the flow rate adjusting valves 26, 27, 28, 29, 30, and 31 for determining the flow rates F FC , F AC , F A , F FA , F AA , and F N are shown. Opening signals (A FC , A AC , A A , A FA , A AA , A N ) are output.

尚、電池の発電運転時にはセルスタック8の端部に設置した集電極32より電力が取り出されるが、ここでは起動方法についてのみ説明し、発電時に関する説明は省略する。   In addition, although electric power is taken out from the collector electrode 32 installed in the edge part of the cell stack 8 at the time of the electric power generation driving | operation of a battery, only a starting method is demonstrated here and the description regarding the electric power generation is abbreviate | omitted.

次に、制御装置200の働きと動作について説明する。ここでは制御装置の働きを理解し易くするために各制御要素をブロックで示したが、実際には燃料電池機器本体100と同一パッケージ内、若しくはその近傍等に配置されたコントローラで実現されている。   Next, the function and operation of the control device 200 will be described. Here, in order to facilitate understanding of the operation of the control device, each control element is shown as a block. However, in actuality, it is realized by a controller disposed in the same package as the fuel cell device main body 100 or in the vicinity thereof. .

まず、基本的な働きについて説明する。制御装置200において、セル平均温度推定手段210では、カソード温度計22の計測信号24であるカソード温度T及びアノード温度計23の計測信号25であるアノード温度Tに基づいて、セルの厚み方向内温度分布を推定する。そして、セルの厚み方向内温度分布から昇温中に時々刻々変化するセル内部体積平均温度T(以下、単にセル平均温度と呼ぶ)を推定し、これをセル平均温度信号33として出力する。 First, the basic function will be described. The control device 200, the average cell temperature estimating means 210, based on a cathode temperature T C and the measurement signal 25 of the anode thermometer 23 is the measurement signal 24 of the cathode thermometer 22 anode temperature T A, the thickness direction of the cell Estimate internal temperature distribution. Then, the cell internal volume average temperature T M (hereinafter simply referred to as cell average temperature) that changes every moment during the temperature rise is estimated from the temperature distribution in the thickness direction of the cell, and this is output as the cell average temperature signal 33.

次に熱応力推定手段220では、セル平均温度Tとカソード温度T及びアノード温度Tに基づいて、カソード表面熱応力S(以後、単にカソード熱応力と呼ぶ)とアノード表面熱応力S(以後、単にアノード熱応力と呼ぶ)を推定し、これらをカソード熱応力信号34及びアノード熱応力信号35として出力する。これら熱応力S,Sも昇温中に時々刻々変化する。 Next, in the thermal stress estimation means 220, the cathode surface thermal stress S C (hereinafter simply referred to as the cathode thermal stress) and the anode surface thermal stress S based on the cell average temperature T M , the cathode temperature T C and the anode temperature T A. A (hereinafter simply referred to as anode thermal stress) is estimated, and these are output as a cathode thermal stress signal 34 and an anode thermal stress signal 35. These thermal stresses S C and S A also change every moment during the temperature rise.

さらに熱応力制御手段230では、カソード熱応力Sとアノード熱応力Sに基づき、カソードバーナ1の燃焼状態を調整するためのカソードバーナ操作量Kとアノードバーナ6の燃焼状態を調整するためのアノードバーナ操作量Kを決定する。そして、それぞれカソードバーナ操作信号36とアノードバーナ操作信号37として出力する。即ち、昇温中にカソード熱応力Sとアノード熱応力Sの両者が常に許容値以下となるように、操作量KとKを決定する。この操作量KとKの詳しい意味は後述する。 Furthermore the thermal stress control unit 230, based on the cathode thermal stress S C and the anode thermal stress S A, for adjusting the combustion state of the cathode burner operation amount K C and the anode burner 6 for adjusting the combustion state of the cathode burner 1 determining the anode burner operation amount K a. And it outputs as a cathode burner operation signal 36 and an anode burner operation signal 37, respectively. That is, both the cathode thermal stress S C and the anode thermal stress S A is as always equal to or less than the allowable value, determines a manipulated variable K C and K A during heated. The detailed meanings of the manipulated variables K C and K A will be described later.

カソードバーナ制御手段240では、カソードバーナ操作量Kに基づいて、ガスヘッダ3に送るカソード加熱用燃焼ガス2の生成に必要な流量調整弁26,27,28の各開度AFC,AAC,Aを規定する開度信号41,42,43を出力する。同様にして、アノードバーナ制御手段250では、アノードバーナ操作量Kに基づいて、アノードガス室9に送るアノード加熱用燃焼ガス7の生成に必要な流量調整弁2,30,31の各開度AFA,AAA,Aを規定する開度信号51,52,53を出力する。 In the cathode burner control means 240, each opening degree A FC , A AC of the flow rate adjusting valves 26, 27, 28 required for generating the cathode heating combustion gas 2 to be sent to the gas header 3 based on the cathode burner operation amount K C. A Opening degree signals 41, 42 and 43 for defining A are output. Similarly, in the anode burner control unit 250, based on the anode burner operation amount K A, the opening of flow control valve 2,30,31 necessary for generating the anode heating combustion gas 7 to be sent to the anode gas chamber 9 and it outputs the opening degree signal 51, 52, 53 defining the a FA, a AA, a N .

以上説明した制御装置200の働きについて、図2〜5を用いて、さらに具体的に説明する。   The operation of the control device 200 described above will be described more specifically with reference to FIGS.

まず、図2を用いて、セル平均温度推定手段210と熱応力推定手段220について説明する。図2に示すカソード内面38とアノード外面39はそれぞれカソード加熱用燃焼ガス2とアノード加熱用燃焼ガス7に晒され、セルは両面より加熱される。セル平均温度推定手段210において、計測値であるカソード温度Tとアノード温度Tを用いて、伝熱計算を実施することでセル厚み方向の温度分布を求める。図示するように、本実施例では同心円筒状に仮想5分割し、それぞれの円筒温度T、T、・・・Tを求める。ここで求めた温度分布を元に、各円筒の体積を考慮して体積平均温度を求め、これを、セル平均温度Tの推定値とする。尚、上記の分割数はセル平均温度Tの実用上の推定精度を考慮し、任意に選定すればよい。次に、熱応力推定手段220においては、セル平均温度T、カソード温度T及びアノード温度Tを用いて、式(1)と式(2)に従ってカソード熱応力Sとアノード熱応力Sを推定する。 First, the cell average temperature estimation unit 210 and the thermal stress estimation unit 220 will be described with reference to FIG. The cathode inner surface 38 and the anode outer surface 39 shown in FIG. 2 are exposed to the cathode heating combustion gas 2 and the anode heating combustion gas 7, respectively, and the cell is heated from both sides. In the cell the average temperature estimating section 210, using the cathode temperature T C and the anode temperature T A is a measured value, determine the temperature distribution in the cell thickness direction by carrying out the heat transfer calculations. As shown in the drawing, in this embodiment, the virtual temperature is divided into five concentric cylinders, and the respective cylinder temperatures T 1 , T 2 ,... T 5 are obtained. Based on the temperature distribution determined here, it obtains the volume average temperature in consideration of the volume of each cylinder, which is the estimated value of the cell average temperature T M. The above number of divisions is considering practical estimation accuracy of the cell average temperature T M, it may be selected arbitrarily. Next, the thermal stress estimation means 220 uses the cell average temperature T M , the cathode temperature T C, and the anode temperature T A , and the cathode thermal stress S C and the anode thermal stress S according to the formulas (1) and (2). A is estimated.

= (T−T)・A・E/(1−ν) …(1)
= (T−T)・A・E/(1−ν) …(2)
ここで、A、E及びνはセルの材料物性値であり、それぞれ線膨張率、ヤング率及びポアソン比である。通常のセル昇温時には、セル平均温度Tがカソード温度Tやアノード温度Tよりも遅れて上昇する。また、式(1)及び式(2)で使用しているポアソン比(ν)は1よりも小さいので、カソード熱応力Sもアノード熱応力Sも負の値となり、いずれも圧縮応力(図中の矢印方向の応力)が発生する。但し、カソード温度Tとアノード温度Tに大きな差がある場合は、必ずしもこのようにはならない。例えば、カソードガス温度TGCがアノードガス温度TGAよりも大幅に高く、カソード温度Tの上昇がアノード温度Tと比較して大幅に先行する場合は、セル平均温度Tよりもアノード温度Tが低くなることもあり、この場合はアノード熱応力Sが正の値となり、引張り応力となる。
S C = (T M −T C ) · A · E / (1-ν) (1)
S A = (T M −T A ) · A · E / (1-ν) (2)
Here, A, E, and ν are material property values of the cell, and are a linear expansion coefficient, Young's modulus, and Poisson's ratio, respectively. During normal cell heating, average cell temperature T M is delayed rises above the cathode temperature T C and the anode temperature T A. Moreover, since the formula (1) and Poisson's ratio being used in the expression (2) ([nu) is smaller than 1, the cathode thermal stress S C both anode thermal stress S A becomes a negative value, both compressive stress ( Stress in the direction of the arrow in the figure occurs. However, if there is a large difference in the cathode temperature T C and the anode temperature T A is not necessarily such. For example, the cathode gas temperature T GC is significantly higher than the anode gas temperature T GA, if a rise in the cathode temperature T C precedes significantly as compared to the anode temperature T A, the anode temperature than the cell average temperature T M T a sometimes becomes low, in this case the anode thermal stress S a becomes a positive value, the tensile stress.

次に、図3と図4を用いて熱応力制御手段230について説明する。   Next, the thermal stress control means 230 is demonstrated using FIG. 3 and FIG.

図3は、起動時における流量FFC,FAC,FFA,FAAとそれらの最小値、最大値を示す。FFCの最小値FFCminとFの最大値FAmaxは起動開始時のカソードバーナ1の燃料流量とガス温度調整用空気流量であり、FFAの最小値FFAminとFの最大値FAmaxは起動開始時(t)のアノードバーナ6の燃料流量とガス温度調整用窒素流量である。また、FFCの最大値FFCmaxとFの最小値FAminは起動終了時(t)のカソードバーナ1の燃料流量とガス温度調整用空気流量であり、FFAの最大値FFAmaxとFの最小値FAminは起動終了のアノードバーナ6の燃料流量とガス温度調整用窒素流量である。この場合、起動開始時(t)の流量は、カソードバーナ1とアノードバーナ6からの燃焼ガスによりセルが熱衝撃を受けないよう、十分低い温度となるように選定される。また、起動終了時(t)の流量は、発電運転に移行するために必要なセル温度まで加熱できるように、十分高い温度となるように選定される。尚、カソード燃焼用空気の流量FAC及びアノード燃焼用空気の流量FAAは、前述のように、カソードバーナ1については燃空比0.65、アノードバーナ6については燃空比1.1となるように、それぞれカソード燃料流量FFC、アノード燃料流量FFAにリンクして決定される。 FIG. 3 shows the flow rates F FC , F AC , F FA , F AA at start-up and their minimum and maximum values. Maximum value F Amax of the minimum value F fcmin and F A of F FC is fuel flow rate and gas temperature adjusting air flow rate of the cathode burner 1 at the start of activation, the maximum value F minimum value F FA min and F N of F FA Amax is the fuel flow rate of the anode burner 6 and the nitrogen flow rate for gas temperature adjustment at the start of startup (t 0 ). Further, the maximum value F FCmax of F FC and the minimum value F Amin of F A are the fuel flow rate and the gas temperature adjusting air flow rate of the cathode burner 1 at the end of startup (t 1 ), and the maximum value F FAmax of F FA The minimum value F Amin of F N is the fuel flow rate of the anode burner 6 and the nitrogen flow rate for adjusting the gas temperature after the start-up. In this case, the flow rate at the start of startup (t 0 ) is selected so that the temperature is sufficiently low so that the cell is not subjected to thermal shock by the combustion gas from the cathode burner 1 and the anode burner 6. In addition, the flow rate at the end of start-up (t 1 ) is selected to be sufficiently high so that it can be heated to the cell temperature necessary for shifting to power generation operation. As described above, the cathode combustion air flow rate F AC and the anode combustion air flow rate F AA have a fuel-air ratio of 0.65 for the cathode burner 1 and a fuel-air ratio of 1.1 for the anode burner 6, respectively. In this way, they are determined by linking to the cathode fuel flow rate F FC and the anode fuel flow rate F FA , respectively.

ここで、熱応力制御手段230に期待するのは、カソードバーナ操作量Kとアノードバーナ操作量Kの適正な値であり、起動開始時(t)から起動終了時(t)までの流量FFC,FAC,FFA,FAAが決定される。図3では、等速度で燃料流量を切替えた場合(ここでは等速切替え方式と呼ぶ)を破線で示すが、この等速切替え方式はセルに発生する熱応力を考えた場合、必ずしも最適ではない。 Here, to expect the thermal stress control means 230 is a proper value of the cathode burner operation amount K C and the anode burner operation amount K A, starts at the beginning of (t 0) until the start end (t 1) The flow rates F FC , F AC , F FA , and F AA are determined. In FIG. 3, the case where the fuel flow rate is switched at a constant speed (referred to herein as the constant speed switching method) is indicated by a broken line, but this constant speed switching method is not necessarily optimal when considering the thermal stress generated in the cell. .

図4は、熱応力制御手段230において、カソードバーナ操作量Kとアノードバーナ操作量Kの決定方法を示す。図示するように、カソードバーナ操作量Kは、予め設定された熱応力制限値Sとカソード熱応力Sを加算手段231にて加算することで偏差ΔSを求め、これを比例積分微分演算手段(PID)232にて演算することで求める。ここで、上記偏差ΔSを求めるのに加算手段231を用いる理由は、熱応力制限値Sを正値で与えているのに対し、通常の起動ではSは負値をとる場合が多いので、熱応力裕度を考えた場合は演算上、加算となることによる。操作量Kの値域は0〜1とし、起動開始時(t)はK=0とする。 Figure 4 is the thermal stress control unit 230 indicates the determination method of the cathode burner operation amount K C and the anode burner operation amount K A. As illustrated, the cathode burner operation amount K C is a deviation [Delta] S C by adding the cathode thermal stress S C and the preset thermal stress limit value S L in addition means 231, a proportional-integral-derivative it The calculation is performed by the calculation means (PID) 232. Here, the reason for using the adding means 231 for obtaining the difference [Delta] S C is while giving a thermal stress limit value S L a positive value, S C is often a negative value in normal startup Therefore, when the thermal stress tolerance is considered, it is added in the calculation. The value range of the manipulated variable K C is 0 to 1, and K C = 0 at the start of activation (t 0 ).

同様にアノードバーナ操作量Kも、予め設定された熱応力制限値Sとアノード熱応力Sを加算手段235にて加算することで偏差ΔSを求め、これを比例積分微分演算手段(PID)236にて演算することで求める。ここでも、上記偏差ΔSを求めるのに加算手段235を用いる理由は、カソードバーナ操作量Kを求める場合と同じである。この場合も操作量Kの値域は0〜1であり、起動開始時(t)はK=0とする。 Similarly, the anode burner operation amount K A, a deviation [Delta] S A by adding at the thermal stress limit value S L and the anode thermal stress S A a summing means 235 which is set in advance, a proportional integral derivative calculation means this ( PID) 236 to calculate. Here again, the reason why the adding means 235 is used to determine the deviation ΔS A is the same as that for determining the cathode burner operation amount K C. Also in this case, the range of the operation amount K A is 0 to 1, and K A = 0 at the start of activation (t 0 ).

このようにしてカソードバーナ操作量Kとアノードバーナ操作量Kを決定する起動方法を用いると、全起動過程で発生するカソード熱応力Sとアノード熱応力Sの両者を確実に制限値以下とすることができる。さらに、熱応力制限を有効に利用できるため、速やかに起動を完了できるという効果が期待できる。 In this manner, when using a starting method for determining the cathode burner operation amount K C and the anode burner operation amount K A, the both the cathode thermal stress S C and the anode thermal stress S A generated by all activated process reliably limit It can be as follows. Furthermore, since the thermal stress limitation can be used effectively, an effect that the start-up can be completed promptly can be expected.

次に、図5を用いてカソードバーナ制御手段240とアノードバーナ制御手段250について説明する。   Next, the cathode burner control means 240 and the anode burner control means 250 will be described with reference to FIG.

最初にカソードバーナ制御手段240について説明する。まず、熱応力制御手段230により決定されたカソードバーナ操作量Kを受けて演算手段241,242,243により、それぞれ燃料流量FFC,燃焼用空気流量FAC,ガス温度調整用空気流量Fを決定する。次に、これらFFC,FAC,Fを流量調整弁26,27,28の弁開度AFC,AAC,Aに変換するために、それぞれ弁特性関数244,245,246を用いる。アノードバーナ制御手段250についても同様に、まず、熱応力制御手段230により決定されたアノードバーナ操作量Kを受けて演算手段251,252,253により、それぞれ燃料流量FFA、燃焼用空気流量FAA、ガス温度調整用空気流量Fを決定する。次に、これらFFA,FAA,Fを流量調整弁29,30,31の弁開度AFA,AAA,Aに変換するために、それぞれ弁特性関数254,255,256を用いる。 First, the cathode burner control means 240 will be described. First, the operation means 241, 242 and 243 receives a cathode burner operation amount K C as determined by the thermal stress control means 230, respectively fuel flow F FC, the combustion air flow F AC, gas temperature adjusting air flow F A To decide. Next, these F FC, F AC, the flow rate control valve 26, 27, 28 and F A degree A FC, A AC, in order to convert A A, using respective valve characteristic function 244, 245 and 246 . Similarly, the anode burner control unit 250, firstly, the calculating means 251, 252, and 253 receives the anode burner operation amount K A, which is determined by the thermal stress control means 230, respectively fuel flow F FA, combustion air flow F AA , gas temperature adjusting air flow rate FN is determined. Next, in order to convert these F FA , F AA , and F N into the valve openings A FA , A AA , and A N of the flow rate adjusting valves 29, 30, and 31, valve characteristic functions 254, 255, and 256 are used, respectively. .

前記のように、カソード燃焼用空気流FAC及びアノード燃焼用空気流FAAは、カソードバーナ1については燃空比0.65、アノードバーナ6については燃空比1.1となるように、それぞれカソード燃料流量FFC、アノード燃料流量FFAにリンクして演算手段242と演算手段252により決定される。このときの比例定数がKBCとKBAである。 As described above, the cathode combustion air flow F AC and the anode combustion air flow F AA have a fuel / air ratio of 0.65 for the cathode burner 1 and a fuel / air ratio of 1.1 for the anode burner 6; The calculation means 242 and the calculation means 252 are determined by linking to the cathode fuel flow rate F FC and the anode fuel flow rate F FA , respectively. The proportionality constants at this time are KBC and KBA .

次に図6を用いて、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池発電システムの起動特性について説明する。   Next, the starting characteristics of the solid oxide fuel cell power generation system according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図中の実線は前述の本発明の起動方法によりカソードバーナ操作量Kとアノードバーナ操作量Kを熱応力制御により決定した場合の起動結果を示し、破線はK及びKを前述のような等速切替え方式を採用したときの起動結果を示す。図6から分かるように、等速切替えした場合、起動初期の段階でカソード熱応力Sが制限値Sを超過するときがあり、逆にアノード熱応力Sは制限値Sに対して裕度が大きい。これに対して、本発明の熱応力制御による場合は、カソード熱応力Sもアノード熱応力Sも制限値Sを超過することなく、しかも、これを有効に活用しながら時刻tで速やかに起動を終了している。その結果、等速切替え方式の場合と比較して起動時間が大幅に短縮(t−t)できている。 The solid line in the figure shows the activation results when the cathode burner operation amount K C and the anode burner operation amount K A was determined by the thermal stress control by the activation method of the invention described above, the broken line in above the K C and K A The start result when such a constant speed switching method is adopted is shown. As it can be seen from FIG. 6, when the constant speed switching, there are times when the cathode thermal stress S C exceeds the limit value S L in initial start-up stage, the anode thermal stress S A reversed relative to the limiting value S L Tolerance is great. In contrast, in the case of the thermal stress control of the present invention is to provide a cathode thermal stress S C both anode thermal stress S A exceeds the limit value S L, moreover, at time t 2 while effectively utilizing this The startup is finished promptly. As a result, the start-up time is significantly shortened (t 1 -t 2 ) compared to the case of the constant speed switching method.

以上のように、本発明によれば、起動時の大幅昇温時にセルに発生する熱応力を許容値以下に抑えた急速起動が可能となり、固体酸化物形燃料電池発電システムにおけるセルの耐久性を向上できる。   As described above, according to the present invention, rapid start-up is possible in which the thermal stress generated in the cell at the time of significant temperature rise at start-up is suppressed to an allowable value or less, and the durability of the cell in the solid oxide fuel cell power generation system Can be improved.

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、以下に述べる実施形態においても、その本質を何ら変えることなく適用可能である。   In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, It can apply, without changing the essence in the embodiment described below.

まず、熱応力として着目すべきセルの位置、即ち温度計測位置であるが、基本的には起動中に発生する熱応力が最も高くなる位置、若しくは熱応力による材料強度が問題となる位置に着目するのが望ましく、本発明の実施形態に限定されない。この基本的な考え方は、セルの軸方向位置は勿論のこと、セルスタックにおけるどのセルに着目するかについても同じである。   First, it is the position of the cell that should be noted as thermal stress, that is, the temperature measurement position, but basically focus on the position where the thermal stress generated during startup is the highest, or the position where the material strength due to thermal stress is a problem. This is desirable and is not limited to the embodiments of the present invention. This basic concept is the same not only for the axial position of the cell but also for which cell in the cell stack.

また、本発明の実施形態では、熱応力として着目すべきセルの位置を1箇所としているが、起動中に複数個所の熱応力の大小関係が複雑に変動する場合などは、着目すべき位置を複数個所に設定し、熱応力裕度が最も小さな値に着目しながら起動する方法としてもよい。   Further, in the embodiment of the present invention, the position of the cell to be noted as thermal stress is set to one location. However, when the magnitude relationship between the thermal stresses at a plurality of locations fluctuates during startup, the position to be noted is selected. A method may be used in which a plurality of locations are set up and activated while paying attention to the value having the smallest thermal stress tolerance.

さらに、本発明の実施形態では、セル温度即ちカソード表面温度とアノード表面温度を計測することで熱応力を推定しているが、それぞれの表面近傍のガス温度を計測して、これを表面温度と見做して熱応力を推定する方法としてもよい。   Furthermore, in the embodiment of the present invention, the thermal stress is estimated by measuring the cell temperature, that is, the cathode surface temperature and the anode surface temperature, but the gas temperature in the vicinity of each surface is measured, and this is determined as the surface temperature. It is good also as a method of estimating thermal stress by considering.

本発明の実施形態では、円筒型セルを使用したが、必ずしもこれに限定されるものでなく、平板型や円盤型など種々のセルに対しても本発明の本質を何ら変更することなく実施できる。   In the embodiment of the present invention, a cylindrical cell is used. However, the present invention is not necessarily limited to this, and the present invention can be applied to various cells such as a flat plate type and a disk type without changing the essence of the present invention. .

また、本発明の実施形態では、セル加熱用バーナの燃料としてメタンを使用しているが、セル材料に応じて水素、都市ガス、LNG、灯油など様々な燃料を選択使用することも可能で、この場合でも本発明の本質を何ら変更されることなく実施できる。   In the embodiment of the present invention, methane is used as the fuel for the cell heating burner, but various fuels such as hydrogen, city gas, LNG, and kerosene can be selectively used depending on the cell material. Even in this case, the essence of the present invention can be implemented without any change.

さらに、本発明の実施形態では、カソードとアノードの両面から加熱する方法としたが、どちらか一方からのみ加熱する方法を採用する場合でも、勿論、本発明の本質を何ら変更することなく実施できる。   Furthermore, in the embodiment of the present invention, the heating method is performed from both the cathode and the anode. However, even when a heating method is employed from only one of the cathodes and the anodes, the present invention can of course be implemented without changing the essence of the present invention. .

本発明の実施形態では、起動時にカソードとアノードに発生する熱応力に対して、共通の制限値Sを使用したが、セルを構成する材料によってはカソードとアノードの強度が異なる場合もある。この場合でも、熱効力制御は個別に設定した制限値に対して実行すればよく、本発明の本質を何ら変更することなく実施できる。 In the embodiment of the present invention, the common limit value SL is used for the thermal stress generated in the cathode and the anode at start-up, but the strength of the cathode and the anode may be different depending on the material constituting the cell. Even in this case, the thermal effect control may be performed for the limit value set individually, and can be performed without changing the essence of the present invention.

また、本発明の実施形態では、カソードバーナの燃空比を0.65、アノードバーナの燃空比を1.1としたが、セルを構成する材料によっては必ずしもこの燃空比とする必要はない。要するに、酸化雰囲気での運転が好まれるカソードにおいて燃空比は1以下、還元雰囲気での運転が好まれるアノードにおいて燃空比は1以上とする条件であれば、バーナ構造や種々の設計基準を考慮して適切な燃空比を選定することができる。   In the embodiment of the present invention, the fuel / air ratio of the cathode burner is set to 0.65 and the fuel / air ratio of the anode burner is set to 1.1. However, this fuel / air ratio is not necessarily required depending on the material constituting the cell. Absent. In short, as long as the fuel / air ratio is 1 or less in a cathode that is preferred to operate in an oxidizing atmosphere and the fuel / air ratio is 1 or more in an anode that is preferred to operate in a reducing atmosphere, the burner structure and various design criteria are used. An appropriate fuel-air ratio can be selected in consideration.

以上の実施形態では、カソードまたはアノードの加熱用にバーナ燃焼ガスを使用しているが、必ずしもバーナを使用する必要はなく、例えば電気式ヒータや熱交換器を使用して加熱用ガスを間接的に発生させてもよい。   In the above embodiment, the burner combustion gas is used for heating the cathode or the anode. However, it is not always necessary to use the burner. For example, the heating gas is indirectly supplied using an electric heater or a heat exchanger. May be generated.

このように、本発明によれば、起動時に室温から発電可能な600℃程度の温度にまで安全かつ速やかに昇温することが可能となり、起動時間を大幅短縮でき、しかもセルの耐久性を向上することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to safely and quickly raise the temperature from room temperature to about 600 ° C. at which power can be generated at the time of start-up, greatly shortening the start-up time and improving the durability of the cell. can do.

尚、セルが所定の作動温度に加熱されたならば、アノードバーナ及びカソードバーナによる燃焼を停止し、アノード及びカソードに発電用のガスすなわちアノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤としての空気を供給して発電を開始する。   When the cell is heated to a predetermined operating temperature, combustion by the anode burner and the cathode burner is stopped, power generation gas, that is, fuel gas is supplied to the anode, and air as an oxidant is supplied to the cathode. To start power generation.

本発明の燃料電池発電システムにおける起動方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the starting method in the fuel cell power generation system of this invention. 起動システムの制御装置におけるセル平均温度推定手段と熱応力推定手段を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cell average temperature estimation means and thermal-stress estimation means in the control apparatus of a starting system. 次の図4と併せて制御装置における熱応力制御手段について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the thermal-stress control means in a control apparatus with the following FIG. 前の図3と併せて制御装置における熱応力制御手段について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the thermal-stress control means in a control apparatus combined with previous FIG. 制御装置におけるカソードバーナ制御手段とアノードバーナ制御手段を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the cathode burner control means and anode burner control means in a control apparatus. 本発明の実施形態による燃料電池発電システムの起動方法による起動特性、特に起動時間短縮効果を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the starting characteristic by the starting method of the fuel cell power generation system by embodiment of this invention, especially a starting time shortening effect.

符号の説明Explanation of symbols

1…カソードバーナ、2…カソード加熱用燃焼ガス、3…カソードガスヘッダ、4…ガス導入管、5…セル内下部、6…アノードバーナ、7…アノード加熱用燃焼ガス、8…セルスタック、9…アノードガス室、10…排ガス、11…電池収納室、12…排気口、13…燃料タンク、14…ブロア、15…燃料、16…燃焼用空気、17…燃料、18…燃焼用空気、19…ガス温度調整用空気、20…ガス温度調整用窒素、21…窒素タンク、22…カソード温度計、23…アノード温度計、24…計測信号、25…計測信号、26…流量調整弁、27…流量調整弁、28…流量調整弁、29…流量調整弁、30…流量調整弁、31…流量調整弁、32…集電極、33…セル平均温度信号、34…カソード熱応力信号、35…アノード熱応力信号、36…カソードバーナ操作信号、37…アノードバーナ操作信号、38…カソード内面、39…アノード外面、41…開度信号、42…開度信号、43…開度信号、51…開度信号、52…開度信号、53…開度信号、100…燃料電池機器本体、200…制御装置、210…セル平均温度推定手段、220…熱応力推定手段、231…加算手段、232…比例積分微分演算手段(PID)、235…加算手段、236…比例積分微分演算手段(PID)、240…カソードバーナ制御手段、241…演算手段、242…演算手段、243…演算手段、244…弁特性関数、245…弁特性関数、246…弁特性関数、250…アノードバーナ制御手段、251…演算手段、252…演算手段、253…演算手段、254…弁特性関数、255…弁特性関数、256…弁特性関数。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cathode burner, 2 ... Cathode heating combustion gas, 3 ... Cathode gas header, 4 ... Gas introduction pipe, 5 ... Lower part in cell, 6 ... Anode burner, 7 ... Anode heating combustion gas, 8 ... Cell stack, 9 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Anode gas chamber, 10 ... Exhaust gas, 11 ... Battery storage chamber, 12 ... Exhaust port, 13 ... Fuel tank, 14 ... Blower, 15 ... Fuel, 16 ... Combustion air, 17 ... Fuel, 18 ... Combustion air, 19 Gas for adjusting gas temperature, 20 Nitrogen for adjusting gas temperature, 21 Nitrogen tank, 22 Cathode thermometer, 23 Anode thermometer, 24 Measurement signal, 25 Measurement signal, 26 Flow control valve, 27 Flow adjustment valve, 28 ... Flow adjustment valve, 29 ... Flow adjustment valve, 30 ... Flow adjustment valve, 31 ... Flow adjustment valve, 32 ... Collector, 33 ... Cell average temperature signal, 34 ... Cathode thermal stress signal, 35 ... Anode Thermal stress 36, cathode burner operation signal, 37 ... anode burner operation signal, 38 ... cathode inner surface, 39 ... anode outer surface, 41 ... opening signal, 42 ... opening signal, 43 ... opening signal, 51 ... opening signal, 52... Opening signal, 53... Opening signal, 100. Means (PID), 235... Addition means, 236... Proportional integral derivative operation means (PID), 240... Cathode burner control means, 241. ... Valve characteristic function, 246 ... Valve characteristic function, 250 ... Anode burner control means, 251 ... Calculation means, 252 ... Calculation means, 253 ... Calculation means, 254 ... Valve characteristic function 255 ... valve characteristic function, 256 ... valve characteristic function.

Claims (4)

固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置に、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測手段と、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測手段と、前記アノード温度計測手段と前記カソード温度計測手段でそれぞれ計測されたアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段で推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システム。
A startup system that raises the temperature of the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells,
An anode heating gas generator for generating an anode heating gas supplied to the anode of the cell, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas supplied to the cathode of the cell, and the anode heating gas generation And a control device for controlling the operating state of the cathode heating gas generator,
The control device includes an anode temperature measuring means for measuring the temperature of the anode, a cathode temperature measuring means for measuring the temperature of the cathode, and anode temperatures measured by the anode temperature measuring means and the cathode temperature measuring means, respectively. A cell average temperature estimating means for estimating a cell average temperature based on the cathode temperature; a cell average temperature estimated by the cell average temperature estimating means; the anode temperature; and a surface heat of the anode and the cathode based on the cathode temperature. Thermal stress estimation means for estimating stress, operating state of the anode heating gas generator according to the surface thermal stress of the anode estimated by the thermal stress estimation means and the surface thermal stress of the cathode, and the cathode heating A thermal stress control means for adjusting at least one of the operating states of the gas generator is provided. Activation system in the solid oxide fuel cell power generation system.
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置で、前記アノードの温度を計測するアノード温度計測ステップと、前記カソードの温度を計測するカソード温度計測ステップと、前記アノード温度計測ステップと前記カソード温度計測ステップでそれぞれ計測したアノード温度とカソード温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノード温度及び前記カソード温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動方法。
A method of raising the temperature of the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells,
An anode heating gas generator for generating an anode heating gas supplied to the anode of the cell, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas supplied to the cathode of the cell, and the anode heating gas generation A control device for controlling the operating state of the apparatus and the cathode heating gas generator,
In the control device, an anode temperature measuring step for measuring the anode temperature, a cathode temperature measuring step for measuring the cathode temperature, an anode temperature and a cathode measured in the anode temperature measuring step and the cathode temperature measuring step, respectively. A cell average temperature estimating step for estimating a cell average temperature based on the temperature; and a cell average temperature estimated in the cell average temperature estimating step, a surface thermal stress of the anode and the cathode based on the anode temperature and the cathode temperature. A thermal stress estimation step to be estimated; an operating state of the anode heating gas generator and the cathode heating gas generator according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated in the thermal stress estimation step; Thermal stress control to adjust at least one of the operating conditions Starting in the solid oxide fuel cell power generation system is characterized in that so as to perform the step sequentially.
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する起動システムであって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置に、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測手段と、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測手段と、前記アノードガス温度計測手段と前記カソードガス温度計測手段でそれぞれ計測されたアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定手段と、前記セル平均温度推定手段で推定されたセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定手段と、前記熱応力推定手段によって推定された前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御手段を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムにおける起動システム。
A startup system that raises the temperature of the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells,
An anode heating gas generator for generating an anode heating gas supplied to the anode of the cell, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas supplied to the cathode of the cell, and the anode heating gas generation And a control device for controlling the operating state of the cathode heating gas generator,
The control device includes an anode gas temperature measuring means for measuring the anode gas temperature, a cathode gas temperature measuring means for measuring the cathode gas temperature, an anode gas temperature measuring means and the cathode gas temperature measuring means, respectively. A cell average temperature estimating means for estimating a cell average temperature based on the measured anode gas temperature and cathode gas temperature, and the cell average temperature estimated by the cell average temperature estimating means, the anode gas temperature, and the cathode gas temperature. Thermal stress estimating means for estimating the surface thermal stress of the anode and the cathode based on the thermal stress estimating means, and the anode heating gas according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated by the thermal stress estimating means At least one of an operating state of the generator and an operating state of the cathode heating gas generator Activation system in the solid oxide fuel cell power generation system comprising the thermal stress control means for adjusting.
固体酸化物形セルの集合体である燃料電池を備えた発電システムの運転時に前記燃料電池を作動温度まで昇温する方法であって、
前記セルのアノードに供給するアノード加熱用ガスを発生するアノード加熱用ガス発生装置と、前記セルのカソードに供給するカソード加熱用ガスを発生するカソード加熱用ガス発生装置と、前記アノード加熱用ガス発生装置とカソード加熱用ガス発生装置の運転状態を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置で、前記アノードのガス温度を計測するアノードガス温度計測ステップと、前記カソードのガス温度を計測するカソードガス温度計測ステップと、前記アノードガス温度計測ステップと前記カソードガス温度計測ステップでそれぞれ計測したアノードガス温度とカソードガス温度に基づいてセル平均温度を推定するセル平均温度推定ステップと、前記セル平均温度推定ステップで推定したセル平均温度と前記アノードガス温度及び前記カソードガス温度に基づいて前記アノードと前記カソードの表面熱応力を推定する熱応力推定ステップと、前記熱応力推定ステップで推定した前記アノードの表面熱応力と前記カソードの表面熱応力に応じて前記アノード加熱用ガス発生装置の運転状態と前記カソード加熱用ガス発生装置の運転状態の少なくとも一方を調整する熱応力制御ステップを順次に実行するようにしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システムの起動方法。
A method of raising the temperature of the fuel cell to an operating temperature during operation of a power generation system including a fuel cell that is an assembly of solid oxide cells,
An anode heating gas generator for generating an anode heating gas supplied to the anode of the cell, a cathode heating gas generator for generating a cathode heating gas supplied to the cathode of the cell, and the anode heating gas generation A control device for controlling the operating state of the apparatus and the cathode heating gas generator,
The control device includes an anode gas temperature measurement step for measuring the anode gas temperature, a cathode gas temperature measurement step for measuring the cathode gas temperature, an anode gas temperature measurement step, and a cathode gas temperature measurement step, respectively. A cell average temperature estimating step for estimating a cell average temperature based on the measured anode gas temperature and cathode gas temperature, and a cell average temperature estimated in the cell average temperature estimating step based on the anode gas temperature and the cathode gas temperature. A thermal stress estimating step for estimating the surface thermal stress of the anode and the cathode; and a gas generator for heating the anode according to the surface thermal stress of the anode and the surface thermal stress of the cathode estimated in the thermal stress estimation step. Operating state and operation of the cathode heating gas generator Starting the solid oxide fuel cell power generation system is characterized in that so as to sequentially perform heat stress control step of adjusting at least one of the states.
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